AT510602A4 - Thermodynamische maschine mit ericsson kreisprozess - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermodynamische Maschine, die zwischen zwei Wärmereservoiren nach dem 2. Ericsson Kreisprozess aus dem Jahre 1853 arbeitet. Die Maschine erreicht theoretisch den Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses und kann sowohl als Wärmekraft- (Rechtsprozess) als auch als Kraftwärme-Maschine (Linksprozess) betrieben werden. Eine Kombination aus Wärmekraft- und Kraftwärme-Maschine, die zwischen drei Wärmereservoiren nach dem Ericsson Kreisprozess arbeiten, wird auch beschrieben. Erfindungsgemäß werden als Verdichter und Expander des gasförmigen Fluids rotierende Verdrängermaschinen nach dem Zweiwellen-Drehkolben Prinzip verwendet. Die Rotoren (Drehkolben) von Verdichter und Expander stehen direkt in Kontakt mit dem jeweiligen Wärmereservoir und sind zum Wärmetransport zwischen Fluid und Wärmereservoir als Wärmerohre nach dem 2-phasen Thermosiphon Prinzip ausgebildet. Dies ermöglicht ein nahezu isothermes Verdichten bzw. Entspannen des Fluids mit geringem Temperaturgefälle zwischen dem jeweiligen Wärmereservoir und dem Fluid und somit den hohen Wirkungsgrad der thermodynamischen Maschine.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG, STAND DER TECHNIK

Die Erfindung betrifft eine thermodynamische Maschine, die zwischen zwei Wärmereservoiren nach dem Ericsson Kreisprozess arbeitet. Die Maschine erreicht theoretisch den Wirkungsgrad des Camot-Prozesses und kann sowohl als Wärmekraft- als auch als Kraftwärme-Maschine betrieben werden. Eine Kombination aus Wärmekraft- und Kraftwärme-Maschine, die nach dem Ericsson Kreisprozess zwischen drei Wärmereservoiren arbeiten, wird auch beschrieben.

Thermodynamische Maschinen arbeiten in einem Kreisprozess zwischen zwei Wärmereservoiren, eines mit hoher Temperatur und eines mit niederer Temperatur.

Eine thermodynamische Maschine, die Wärme in mechanische Energie wandelt, wird Wärmekraftmaschine genannt. Eine thermodynamische Maschine, die unter Einsatz mechanischer Energie Wärme fördert, wird als Kraftwärmemaschine bezeichnet.

Einer idealen Wärmekraftmaschine wird aus dem Reservoir mit hoher Temperatur (Wärmequelle) Wärme zugeführt und Wärme von der Wärmekraftmaschine an das Reservoir mit niederer Temperatur (Wärmesenke) abgeführt. Die Differenz zwischen zugeführter und abgeführter Wärmemenge entspricht der gewonnenen mechanischen Arbeit.

Einer idealen Kraftwärmemaschine wird aus dem Reservoir mit niederer Temperatur Wärme zugefuhrt und diese mit Hilfe der zugeführten mechanischen Energie in das Reservoir mit hoher Temperatur „gepumpt“. Die an das Reservoir mit hoher Temperatur abgeführte Wärmemenge entspricht der Summe von zugeführter Wärmemenge und mechanischer Arbeit

Als Kreisprozesse bezeichnet man in der Thermodynamik ein Folge von Zustandsänderungen eines Arbeitsmediums (Flüssigkeit, Dampf, Gas) -allgemein Fluid genannt- die periodisch ablaufen, wobei immer wieder der Ausgangszustand, gekennzeichnet durch die Zustandsgrößen wie Druck, Temperatur und Dichte etc. erreicht wird.

Kreisprozesse werden in Diagrammen (meist Druck - Volumen, Temperatur - Enthalpie) dargestellt, welche die Abfolgen der Zustandsänderungen des Fluids beschreiben.

Werden die Zustandsänderungen im Diagramm im Uhrzeigersinn durchlaufen, handelt es sich um einen Kreisprozess einer Wärmekraftmaschine (Rechtsprozess). Beim Durchlaufen gegen den Uhrzeigersinn dagegen um eine Kraftwärmemaschine (Linksprozess, z.B. Wärmepumpe, Kältemaschine).

Seite 1 von 16

Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann nur ein Teil der Wärme in mechanische Arbeit gewandelt werden. Das maximale Verhältnis von abgegebener mechanischer Arbeit zu zugeführter Wärme wird thermodynamischer Wirkungsgrad genannt.

Der thermodynamische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine kann aus den Temperaturen der Wärmereservoire berechnet werden.

η = (Th - Tg / Τη η thermodynamischer Wirkungsgrad Tl Temperatur der Wärmesenke, K TH Temperatur der Wärmequelle, K

Der thermodynamische Wirkungsgrad einer Kraft Wärmemaschine z.B. Wärmepumpe ist das maximale Verhältnis von abgegebener Wärme zu zugeführter mechanischer Arbeit. Er wird COP (CoefFicient Of Performance) genannt, und kann aus den Temperaturen der Wärmereservoire berechnet werden. COP = TH / (TH - TL) = 1 / η

Drei Kreisprozesse, die in beiden Richtungen durchlaufen werden können und auch den thermodynamischen Wirkungsgrad erreichen, sind bekannt. Es sind dies der Camot-, der Stirling- und der Ericsson-Kreisprozess.

Die Zustandsänderungen der drei Prozesse sind in der folgenden Tabelle dargestellt.

Zustandsänderung Prozess A-B B-C C-D D-A Camot isotherm isentrop isotherm isentrop Stirling isotherm isochor isotherm isochor Ericsson isotherm isobar isotherm isobar

Allen drei Kreisprozessen gemeinsam sind die isothermen Zustandsänderungen. Für eine Wärmekraftmaschine sind die isothermen Zustandsänderungen A - B eine Verdichtung des Fluids mit einer Abfuhr der Verdichtungswärme vom Fluid in das Reservoir mit der niederen Temperatur, um die Temperatur des Fluids während der Verdichtung konstant zu halten. Für eine Wärmekraftmaschine sind die isothermen Zustandsänderungen C - D eine Expansion des Fluids mit Zufuhr von Wärme aus dem Reservoir mit hoher Temperatur, um die Temperatur des Fluids während der Expansion konstant zu halten

Seite 2 von 16

Dies zeigt die Grenzen der Prozesse, ein Wärmestrom vom Reservoir zum Fluid oder umgekehrt erfordert sowohl ein Temperaturgefälle in Flussrichtung des Wärmestroms als auch Zeit. Beides verringert den thermodynamischen Wirkungsgrad bei praktischen Maschinen.

Der Camot Kreisprozess ist ein rein theoretischer Prozess, bis jetzt ist keine Maschine bekannt geworden, die den Prozess auch nur annähernd realisiert. Der Camot Prozess wird vielfach als Vergleichsprozess für andere Kreisprozesse verwendet, der thermodynamische Wirkungsgrad wird oft auch als Camot Wirkungsgrad oder Camot Faktor bezeichnet.

Der Stirling Kreisprozess wird vorzugsweise mit Kolbenmaschinen in verschiedenen Ausfiihrungsformen realisiert. Um den thermodynamischen Wirkungsgrad (Camot Faktor) zu erreichen ist ein Wärme-Speicher / -Tauscher (Regenerator) erforderlich, der die Wärme des Fluids nach der isothermen Expansion zwischenspeichert, um sie später nach der isothermen Verdichtung dem kalten Fluid wieder zuzufuhren.

Der Ericsson Kreisprozess erfordert einen idealen Gegenstrom-Wärmetauscher (Recuperator) um den thermodynamischen Wirkungsgrad (Camot Faktor) zu erreichen. Mit diesem Wärmetauscher wird bei einer Wärmekraftmaschine die Wärme des Fluids nach der isothermen Expansion dem kalten Fluid nach der isothermen Verdichtung wieder zugefuhrt.

Der Ericsson Kreisprozess hat bisher nur geringe praktische Anwendungen gefunden. Grund hiefür ist die geringe Effizienz der Wärmeübertragung zwischen den Wärmereservoiren und dem Fluid und/oder der hohe bauliche Aufwand, um die isotherme Verdichtung bzw. Expansion annähernd zu realisieren.

Aus dem online-Lexikon unter „http://de.wikipedia.org/wiki/Ericsson-Kreisprozess“ ist für große Wärmekraftmaschinen die mehrstufige Ausbildung von Turbo-Verdichter / -Expander bekannt, um die isotherme Verdichtung bzw. Expansion des Fluids anzunähem. In jeder Stufe wird das Fluid isentrop verdichtet bzw. entspannt und dann zwischen den einzelnen Stufen in Wärmetauschern gekühlt bzw. erwärmt. Je höher die Anzahl der Stufen ist, desto besser nähert sich die Zustandsänderung einer Isotherme, desto höher ist aber auch der bauliche Aufwand.

Das Patent EP 0573516 / US 5 394 709, Lorentzen verwendet statt der Turbo-Verdicht er bzw. -Expander mehrstufige Zahnrad-Verdichter bzw. -Expander und Wärmetauscher zwischen den einzelnen Stufen, um die isothermen Zustandsänderungen anzunähem. Auch hier ist der bauliche Aufwand für Wärmetauscher und Verrohrung sehr hoch.

Seite 3 von 16 • ·

Das Patent US 7 401 475 B2, Hugenroth et al. beschreibt ein thermodynamisches System mit einer nahezu isothermen Verdichtung bzw. Expansion des gasförmigen Fluids. Bei diesem System wird vor dem Verdichten des gasförmigen Fluids eine Flüssigkeit in den Fluidstrom gespritzt. Beim Verdichten nehmen die Flüssigkeitströpfchen die Verdichtungswärme auf, so dass die Fluidtemperatur annähernd gleich bleibt. Nach dem Verdichten werden die erwärmten Flüssigkeitströpfchen abgeschieden und die Flüssigkeit rückgekühlt, bevor sie wieder in den Fluidstrom gespritzt werden. Analog geschieht dies beim Expander. Dort wird jedoch eine erwärmte Flüssigkeit vor dem Expandieren in den gasförmigen Fluidstrom gespritzt. Die Flüssigkeitströpfchen geben dann beim Expandieren des Fluids ihre Wärme ab, so dass die Temperatur des Fluids annähernd gleich bleibt. Nach dem Expandieren des Fluids werden auch hier die Tröpfchen abgeschieden und die Flüssigkeit wieder erwärmt, bevor sie wieder in den Expandereinlauf gesprüht wird. Beide Flüssigkeitskreisläufe stellen einen hohen baulichen Aufwand dar, müssen sie doch den Wärmetransport von bzw. zu den Wärmereservoirs bewerkstelligen.

Das Patent WO 910 5974 (Al) / US 4 984 432, Corey beschreibt eine Maschine nach dem Ericsson Kreisprozess, bei dem Flüssigring-Verdichter bzw. -Expander verwendet werden.

Bei Flüssigringmaschinen dichtet ein Ring aus Flüssigkeit den Rotor zum Gehäuse hin ab.

Das gasförmige Fluid in den Zellen des Rotors ist dabei in Kontakt mit der Flüssigkeit und kann so Wärme austauschen. Die Flüssigkeitskreisläufe für den Verdichter bzw. für den Expander brauchen daher Wärmetauscher, die mit den beiden Wärmereservoiren zusammen arbeiten.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2006 038 419A, Friedrichsen beschreibt eine Rotorkühlung für trocken laufende Zwei wellen-Vakuumpumpen bzw. —Verdichter. Nach Anspruch 1 weisen die Wellen der Rotoren einen axial verlaufenden Hohlraum aus, in dem Wärmerohre angeordnet sind, die zur Fortleitung der Verdichtungswärme vom Arbeitsraum zu außerhalb des Arbeitsraums liegende Wärmeableitmittel dienen. Aus der nachfolgenden Beschreibung wird verständlich, dass das Temperaturgefalle zwischen dem zu verdichtenden Medium und dem Wärmeableitmittel zu groß ist, um den Verdichter für eine thermodynamische Maschine zu verwenden.

Das Patent US 6.394.777 B2, Haavik beschreibt eine Schraubspindel-Pumpe (Verdichter) mit einer Einrichtung zum Kühlen des verdichteten Gases. Die Wellen der Schraubspindeln ragen aus dem Verdichtergehäuse in einen Raum mit Kühlflüssigkeit, der wiederum von einem Wassermantel umschlossen ist. Teile der Schraubspindeln und die aus dem Verdichtergehäuse ragenden Wellen sind als so genannte heat pipes ausgebildet. Mit dieser Ausführung wird die

Seite 4 von 16

Verdichtungswärme von den Wellen der Schraubspindeln an die Kühlflüssigkeit Übergeben, die wiederum die Wärme an den Wassermantel abgibt. Auch hier wird aus der nachfolgenden Beschreibung verständlich, dass dieser Verdichter für eine thermodynamische Maschine nicht geeignet ist. 5

TECHNISCHE AUFGABE UND MERKMALE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine thermodynamische Maschine, die nach dem Ericsson Kreisprozess arbeitet, so zu gestalten, dass mit geringem baulichen Aufwand ein 10 prozesskonformer Wärmetransport zwischen dem Fluid und den jeweiligen Wörmereservoiren bei möglichst geringem Temperaturgefalle erfolgt, um dem thermodynamischen Wirkungsgrad möglichst nahe zu kommen.

Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1. Die Verdichter und Expander sind als Verdrängermaschinen nach einem 15 bekannten Zweiwellen-Drehkolben Prinzip aufgebaut. Erfindungsgemäß ragen bei den Verdrängermaschinen die Rotoren gegenüber der An- bzw. Abtriebseite aus dem Gehäuse heraus. Die Oberflächen dieser herausragenden Rotorabschnitte stehen zum Zwecke des Wärmeaustauschs mit dem Medium des jeweiligen Wärmereservoirs in Kontakt. Das Medium des Wärmereservoirs kann flüssig oder gasförmig sein, auch kann der Wärmeaustausch 20 mittels Wärmestrahlung erfolgen. Für die prozesskonformen Wärmetransporte vom Fluid zum Wärmereservoir bzw. vom Wärmereservoir zum Fluid sind die Rotoren als Wärmerohr nach dem 2-phasen-Thermosiphon Prinzip ausgebildet.

Verdrängermaschinen nach dem Zweiwellen-Drehkolben Prinzip sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Gemeinsam für alle Bauformen ist, dass in einer 8-förmigen 25 Bohrung des Gehäuses die beiden Drehkolben (Rotoren) gegenläufig rotieren. Die Rotoren sind mit Zähnen oder Nocken versehen, die mit engem Spiel kämmen, und so die Einlass- von der Auslassöffnung des Gehäuses trennen. Die Zähne oder Nocken können parallel zur oder schraubenförmig um die Rotorachse angeordnet sein, auch ihre Form und ihre Anzahl kann gleich oder ungleich sein. Bei der Drehung der Rotoren fördern die Zahnlücken, begrenzt 30 durch die Gehäusebohrung und den Bohrungsstimwänden, das Fluid von der Einlass- zur Auslassöffnung. Bei geradverzahnten oder leicht schrägverzahnten Rotoren ist die Hauptforderrichtung des Fluids durch das Gehäuse normal zu den Drehachsen, bei schraubenförmigen Zahnen oder Nocken ist die Hauptforderrichtung parallel zu den

Seite 5 von 16 * · ·

Drehachsen der Rotoren. Für viele dieser Verdrängermaschinen sind bauliche Vorkehrungen bekannt, mit denen ein stetiges Verdichten bzw. Entspannen des Fluids in den Zahnlücken während des Transports vom Einlass zum Auslass erreicht wird, um damit den Wärmeaustausch zwischen Fluid und Rotoroberfläche zu ermöglichen.

Auch die Technik der Wärmerohre ist hinlänglich bekannt. Bei einem Wärmerohr handelt es sich um ein an beiden Enden geschlossenes Rohr, das teilweise mit einem Arbeitsmittel gefüllt ist, und in dem innen ein bestimmter Druck herrscht. Die Siedetemperatur des Arbeitsmittels bei gegebenem Druck ist der Betriebsbereich des Wärmerohrs. Je nach verwendeten Arbeitsmittel und Druck werden Wärmerohre mit einem Betriebsbereich von wenigen °K (Helium) bis zu 2200 °K (Silber) hergestellt.

Der einfachste Aufbau eines Wärmerohrs ergibt sich bei einer vorwiegend vertikalen Anwendung desselben, diese Ausführung wird 2-phasen-Thermosiphon genannt. Wird dem unteren Ende des 2-phasen-Thermosiphons Wärme aus einer entsprechenden Wärmequelle zugeführt, so verdampft ein Teil des Arbeitsmittels und steigt zentral im Inneren des Rohres nach oben. Ist das obere Ende des Wärmerohrs in Kontakt mit einer entsprechenden Wärmesenke, dann kondensiert der Dampf an der Innenseite des Rohres und gibt dabei seine Wärme ab, worauf dann das wieder flüssige Arbeitsmittel durch die Schwerkraft entlang der inneren Rohrwand nach unten fließt.

Bei Wärmerohren die vorwiegend horizontal eingesetzt werden, wird die innere Rohrwand zwischen Verdampfimgs- und Kondensationszone mit einem porösen Material versehen. Die Rückleitung des Arbeitsmittels erfolgt dabei durch die Kapillarkräfte im porösen Material. Diese Ausführung eines Wärmerohrs wird vorwiegend „heat pipe“ genannt. Wärmerohre, die um die horizontale Achse rotieren, werden meist mit einer konischen oder gestuften Innenbohrung ausgefuhrt. Der kleinere Durchmesser der Bohrung ist dabei in der Kondensationszone, der größere Durchmesser in der Verdampfungszone. Die Drehzahl eines rotierenden Wärmerohrs dieser Art muss so hoch sein, dass die Zentrifugalbeschleunigung auf die kondensierte Flüssigkeit größer ist als die Erdbeschleunigung. Damit ist erreicht, dass das flüssige Arbeitsmittel gleichmäßig im Bereich der Verdampfungszone an der inneren Rohrwand verteilt ist. Die Fliehkraft sorgt auch für den Transport der Flüssigkeit von der Kondensationszone mit dem kleineren Bohrungsdurchmesser zur Verdampfungszone mit dem größeren Bohrungsdurchmesser. Wärmerohre können Wärmemengen transportieren, die bis zu einem Faktor von 10000 höher liegen als ein massiver Kupferzylinder gleichen Querschnitts. Entlang der Achse des

Seite 6 von 16 • 9 • « » * • * • * Wärmerohres, herrscht annähernd gleiche Temperatur. Für die Verwendung eines Wärmerohrs zum Wärmetransport in einer thermodynamischen Maschine reichen der hohe Wärmetransport und der geringe Temperaturabfall entlang der Achse alleine noch nicht aus. Wichtig für einen hohen Wirkungsgrad ist auch, dass der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke möglichst gering ist.

Das Medium der Wärmequelle ist im Kontakt mit der Oberfläche des einen Endes des Wärmerohrs, der Wärmetransport erfolgt zuerst mittels Konvektion, gefolgt von einer Wärmeleitung durch die Rohrwand zur Verdampfungszone. In umgekehrter Reihenfolge erfolgt der Wärmetransport am anderen Ende des Wärmerohrs, von der Kondensationszone durch die Rohrwand an die Oberfläche, die mit der Wärmesenke in Kontakt steht. Um für einen gegebenen Wärmestrom den Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Wärmesenke möglichst klein zu halten, sind die Oberflächen, die mit den Medien von Wärmequelle bzw. Wärmesenke in Kontakt stehen, möglichst groß zu gestalten. Weiters sind die Rohrwände im Bereich der Verdampfungszone und der Kondensationszone möglichst dünn zu halten und der Rohrwerkstoff muss eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Anordnungen der Maschinenkomponenten sind in den Ansprüchen 2 bis 6 dargelegt.

AUFZÄHLUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN

Im Folgenden werden der Stand der Technik und eine besondere Ausführung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefugten Zeichnungen näher erläutert.

Hierbei zeigt: FIG. 1 das p-v-Diagramm des Ericsson Kreisprozesses; FIG. 2 das T-s-Diagramm des Ericsson Kreisprozesses; FIG, 3 das T-s-Diagramm mit den Wärmemengen, die zugeführt bzw. abgeführt werden; FIG. 4 das T-s-Diagramm mit den Wärmemengen, die im Wärmetauscher ausgetauscht werden, FIG. 5 das Anlagenschema einer Ericsson Wärmekraftmaschine mit offenem Kreislauf; FIG. 6 das Anlagenschema einer Ericsson Kraftwärmemaschine mit geschlossenem Kreislauf;

Seite 7 von 16

• * * ·« · * · · · * * • # * · · · * ι * » V» « i < * · * «* ** · · FIG. 7 einen Querschnitt durch eine rotierende Verdrängermaschine nach dem Zweiwellen-Drehkolben-Prinzip; FIG. 8 einen Längsschnitt durch einen rotierenden Verdränger-Verdichter nach Anspruch 1; FIG. 9 einen Längsschnitt durch einen rotierenden Verdränger-Expander nach Anspruch 1; FIG. 10 die serielle Anordnung von Verdränger-Verdichtern, FIG. 11 eine Wärmekraftmaschine mit parallel angeordneten Verdränger-Expandern, FIG. 12 eine Wärmekraftmaschine mit getrennter Anordnung von Verdichter und Expander, FIG. 13 eine Kombination von einer Wärmekraftmaschine und einer Kraftwärmemaschine in Verwendung als Wärmepumpe, FIG. 14 das p-v-Diagramm für die Maschine nach FIG. 13, FIG. 15 das T-s-Diagramm für die Maschine nach FIG. 13.

FIGURENBESCHREIBUNG

In FIG. 1 ist der Druck des Fluids über dem spezifischen Volumen (p,v Diagramm) aufgetragen. Der Hyperbelast A-B stellt die isotherme Verdichtung des Fluids dar, die Horizontale B-C die isobare Zustandsänderung. Der Hyperbelast C-D ist die isotherme Expansion und die Horizontale D-A die isobare Zustandsänderung des Ericsson

Kreisprozesses.

In FIG. 2 ist die Temperatur des Fluids über der Entropie (T-s-Diagramm) aufgetragen. Die Linienzüge A-B, B-C, C-D und D-A entsprechen denen der von FIG. 1. Der rechtsdrehende Pfeil in der Fläche A-B-C-D gibt die Folge der Zustandsänderungen für eine Wärmekraftmaschine an. Die Fläche A-B-C-D entspricht der spezifischen mechanischen Arbeit W, die die Wärmekraftmaschine abgibt.

Das T,s-Diagramm in FIG. 3 zeigt die bei der isothermen Verdichtung A-B abgeführte spezifische Wärme qA-ß, sowie die bei der isothermen Expansion C-D zugeführte spezifische Wärme qc-D- Die abgeführte Wärme qA-ß entspricht auch der zugeführten spezifischen

Seite 8 von 16

äußeren Arbeit Wa-b bzw. die zugefiihrte Wärme qc-D auch der abgeführten spezifischen äußeren Arbeit WC-d- qA-B = Wa-b = R Tl ln(p,/p0) J/kg qc-D = Wc-d = R Th lti(pi/po) J/kg

R spezifische Gaskonstante des Fluids J/kg,K

Tl, Th Temperaturen des Fluids K po, pi Drücke des Fluids N/m2

Das T,s-Diagramm in FIG. 4 zeigt die Wärmemengen, die zwischen den beiden isobaren Zustandsänderungen des Kreisprozesses, mittels eines idealen Gegenstrom-Wärmetauschers (oft als Recuperator bezeichnet) ausgetauscht werden. Dabei wird die Wärme qD-A des Fluids (Fläche unter D-A) nach der isothermen Expansion dem kalten Fluid nach der isothermen Verdichtung (Fläche unter B-C) wieder zugeführt: qD-A = cp (Th - Tl) J/kg

Cp spezifische Wärmekapazität des Fluids J/kg,K Tl, Th Temperaturen des Fluids K

Die Diagramme in Fig. 1 bis Fig. 4 sind prinzipiell auch für Kraft Wärmemaschinen, also für Kältemaschinen oder Wärmepumpen, gültig. Das Wärmereservoir mit der niederen Temperatur TL wird dabei die Wärmequelle, das Reservoir mit der hohen Temperatur TH die Wärmesenke. Die Diagramme werden entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn mit der Folge A-D-C-B-A durchlaufen. Die Fläche A-D-C-B im Diagramm der Fig, 2 entspricht dabei der spezifischen mechanischen Arbeit W, die der Kraftwärmemaschine zugeführt wird. Die Wärmemengen im Diagramm der Fig. 3 ändern ihre Flussrichtung, die Wärme qA-β wird dem Kreisprozess zugeführt und die Wärme qc-o wird abgeführt. Die zugeführte Wärme qA-B entspricht auch der abgeführten spezifischen äußeren Arbeit WA-b bzw. die abgefuhrte Wärme qc-D auch der zugeführten spezifischen äußeren Arbeit Wc-d. Auch der Wärmefluss im Diagramm der Fig. 4 ändert seine Richtung. Die Wärme qc-β des Fluids, entsprechend der Fläche unter dem Hyperbelast C-B, wird im Gegenstrom-Wärmetauscher dem nach der Expansion B-A kalten Fluid wieder zugeführt. FIG. 5 zeigt das Anlagenschema einer Wärmekraftmaschine nach dem Ericsson Kreisprozess. Es handelt sich dabei um einen offenen Kreislauf, da das Fluid, hier Luft, aus der Umgebung angesaugt wird und nach dem Durchlaufen des Kreisprozesses wieder an die Umgebung

Seite 9 von 16

abgegeben wird. Der Verdichter 1 komprimiert die aus der Umgebung A angesaugte Luft isotherm auf den Druck pi, wobei die zugeführte mechanische Verdichtungsarbeit Wa-b in Form von Wärme qo-A an die Wärmesenke mit der Temperatur Tf, abgegeben wird. Die Luft durchströmt dann auf dem Weg von B nach C isobar den Gegenstrom- Wärmetauschers (Recuperator) 2 und wird auf Th erwärmt, bevor sie bei C in den Expander 3 strömt. Im Expander 3 wird unter Zuführung der Wärme qc-D aus der Wärmequelle mit der Temperatur Th die Luft isotherm auf den Druck po entspannt. Der Expander 3 gibt dabei die mechanische Arbeit WC-d ab. Die Luft durchströmt dann auf dem Weg von D nach A isobar den Gegenstrom-Wärmetauscher und gibt ihre Wärme qD-A an den Gegenstrom ab. Sie kühlt dabei auf die Temperatur Tl, bevor sie in die Umgebung A entlassen wird. Die Differenz der äußeren mechanischen Arbeiten ergibt die gewandelte spezifische Arbeit W, die einen Generator 4 antreibt, der wiederum die elektrische Energie in das Stromnetz 5 liefert. W = Wc-D - WA-b = R (T„ - TL) ln(p,/po) J/kg FIG. 6 zeigt das Anlagenschema einer Kraftwärmemaschine nach dem Ericsson Kreisprozess. Es handelt sich dabei um einen geschlossenen Kreislauf, das gasförmige Fluid läuft im System im Kreis. Bevor das Fluid von A in den Gegenstrom-Wärmetauscher 6 einläuft, hat es den Druck po und die Temperatur TL. Im Wärmetauscher wird das Fluid isobar auf die Temperatur Th erwärmt, bevor es bei D in den Verdichter 7 strömt. Der Verdichter 7 komprimiert das Fluid isotherm auf den Druck pi, wobei die zugeführte mechanische Verdichtungsarbeit Wd_c in Form von Wärme qo-c an die Wärmesenke mit der Temperatur Th abgegeben wird. Das Fluid durchströmt dann auf dem Weg von C nach B isobar den Gegenstrom-Wärmetauscher und gibt seine Wärme qc-B an den Gegenstrom ab, bevor es mit der Temperatur Tl in den Expander 8 strömt. Unter Zuführung der Wärme qe-A aus der Wärmequelle mit der Temperatur Tl wird das Fluid isotherm vom Druck pi auf den Druck po entspannt. Der Expander 8 gibt dabei die mechanische Arbeit Wb-a ab. Die Differenz der äußeren mechanischen Arbeiten vom Verdichter 7 und Expander 8 muss vom Motor 9 aufgebracht werden, der wiederum die elektrische Energie aus dem Stromnetz 10 bezieht. W = WD.C - Wb-a * R (Tu - TL) ln(p,/p0) J/kg FIG. 7 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch eine rotierende Verdrängermaschine nach dem Zweiwellen-Drehkolben-Prinzip. Im Gehäuse 11 mit der Einlassöffnung 12 und der Auslassöffnung 13 sind die beiden Rotoren (Drehkolben) 14 und 15 drehbar angeordnet.

Seite 10 von 16 • « · · < * ·Μ · * * • · · · · * » · · * »· »i ·· »· *· ♦

Beim Einsatz der Verdrängermaschine als Verdichter werden die Rotoren 14 und 15 in Pfeilrichtung mechanisch angetrieben. Dabei fordern die Zahnlücken der Rotoren 14 und 15 das Fluid von der Einlassöffnung 12 mit dem niederen Druck zur Auslassöffnung 13 mit dem höheren Druck, das Fluid wird dabei verdichtet.

Beim Einsatz der Verdrängermaschine als Expander herrscht an der Einlassöffnung 12 ein höherer Druck als an der Auslassöffnung 13. Durch das Druckgefalle zwischen Einlassöffnung 12 und Auslassöffnung 13 werden die beiden Rotoren 14 und 15 in Pfeilrichtung angetrieben und geben dabei ein Drehmoment ab. Das Fluid wird dabei entspannt.

Wenn die Umgebungstemperatur unterschiedlich zur Fluidtemperatur in der Verdrängermaschine ist, wird die Oberfläche des Gehäuses 11 entweder mit einer Isolierung 16 versehen, oder die Oberfläche steht direkt im Kontakt mit dem jeweiligen Wärmereservoire, um einen Wärmestrom vom Fluid zur Umgebung oder umgekehrt zu verhindern.

Die Baugröße einer Verdrängermaschine wird vom Schluckvolumen bestimmt. Als Schluckvolumen bezeichnet man das Volumen des Fluids, das bei einer Rotorumdrehung ohne Änderung des Druckes vom Einlass 12 zum Auslass 13 gefordert wird. FIG. 8 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine rotierende Verdrängermaschine nach dem Zweiwellen-Drehkolben-Prinzip in Verwendung als Verdichter einer Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1 der Erfindung.

Im Gehäuse 11 und den Lagern 17,18,19 und 20 sind die Rotoren (Drehkolben) 14,15 drehbar gelagert. Der Antrieb der Rotoren 14,15 erfolgt über die Welle 21, der Kupplung 22 und den Zahnrädern 23 und 24, die zur Synchronisation der Rotoren dienen. Die beiden Rotoren 14,15 ragen gegenüber der Antriebsseite aus dem Gehäuse 11 und stehen über die gerippte Oberfläche 25,26 direkt in Kontakt mit dem Medium des Wärmereservoirs 27, hier beispielsweise die vorbeiströmende Luft aus der Umgebung.

Zum prozesskonformen Wärmetransport vom Fluid zum Wärmereservoir 27 ist jeder Rotor 14,15 als 2-phasen-Thermosiphon ausgebildet. Der zylindrische Hohlraum 28,29 von jedem Rotor 14,15 ist teilweise mit einem flüssigen Arbeitsmittel 30,31 gefüllt, auch ein bestimmter Druck ist in jedem Hohlraum 28,29 vorgegeben.

Seite 11 von 16 * I « ·· ft · · * * * « · · · * ft «··* · « « ·· ft« · ·· · * ftft »ft # * ft· «ft «

Die Siedetemperatur des Arbeitsmittels 30,31 und der sich dabei einstellende Dampfdruck im Hohlraum 28, 29 ist der Betriebsbereich des Wärmerohrs.

Im Betrieb fließt Wärme vom Fluid über die verzahnte oder mit Nocken versehene Rotoroberfläche 32,33 und durch die Rotorwand zur Verdampfungszone 34,35, an der das 5 Arbeitsmittel 30, 31 verdampft. Der Dampf36, 37 steigt entlang der Drehachse des Rotors 14, 15 nach oben. Ist die Temperatur der Kondensationszone 38, 39 geringfügig niederer als die Siedetemperatur des Arbeitsmittels 30,31, so kondensiert der Dampf 36,37 daran und gibt dabei die Verdampfungswärme wieder ab. Die Wärme strömt von der Kondensationszone 38, 39 durch die Rotorwand und wird über die gerippte Oberfläche 25, 26 an das Medium des 10 Wärmereservoire 27 abgegeben. Das Kondensat 40,41 des Arbeitsmittels 30,31 fließt entlang der Wand des Hohlraums 28,29 wieder zurück zur Verdampfimgszone 34,35. FIG. 9 zeigt einen Vertikal schnitt durch eine rotierende Verdrängermaschine nach dem Zwei wellen-Drehkolben Prinzip in Verwendung als Expander einer Wärmekraftmaschine 15 gemäß Anspruch 1 der Erfindung.

Der Expander nach Fig. 9 ist geometrisch ähnlich dem Verdichter nach Fig. 8. Bauteile mit gleicher Funktion haben die gleiche Bezeichnung.

Drehen der Expander nach Fig. 9 und der Verdichter nach Fig. 8 einer Wärmekraftmaschine mit gleicher Drehzahl, so stehen die Schluckvolumina der beiden Maschinen im Verhältnis 20 Th/Tl, der Temperaturen der jeweiligen Wärmereservoire.

Im Gehäuse 11 und den Lagern 17,18,19 und 20 sind die Rotoren (Drehkolben) 14,15 drehbar gelagert. Der Abtrieb der mechanischen Arbeit von den Rotoren 14,15 erfolgt über die Zahnräder 23 und 24, die zur Synchronisation der Rotoren dienen, und die Kupplung 22 und die Welle 21. Die beiden Rotoren 14,15 ragen gegenüber der Antriebsseite aus dem 25 Gehäuse 11 und stehen über die gerippte Oberfläche 25,26 direkt in Kontakt mit dem Medium des Wärmereservoirs 42, hier sind es beispielsweise die heißen Abgase und die Strahlungswärme von den Flammen.

Zum prozesskonformen Wärmetransport vom Wärmereservoir 42 zum Fluid ist jeder Rotor 14,15 als Wärmerohr nach dem 2-phasen-Thermosiphon Prinzip ausgebildet. Der 30 zylindrische Hohlraum 28,29 von jedem Rotor 14,15 ist teilweise mit einem flüssigen Arbeitsmittel 30, 31 gefüllt, auch ein bestimmter Druck ist in jedem Hohlraum 28, 29 vorgegeben.

Seite 12 von 16

Die Siedetemperatur des Arbeitsmittels 30,31 und der sich dabei einstellende Dampfdruck im Hohlraum 28,29 ergeben den Betriebsbereich des Wärmerohrs.

Im Betrieb fließt Wärme vom Fluid über die gerippte Oberfläche 25, 26 und durch die Rotorwand zur Verdampfungszone 34,35, an der das Arbeitsmittel 30, 31 verdampft. Der Dampf36,37 steigt entlang der Drehachse des Rotors 14,15 nach oben. Ist die Temperatur der Kondensationszone 38, 39 geringfügig niederer als die Siedetemperatur des Arbeitsmittels 30,31, so kondensiert der Dampf36,37 daran und gibt dabei die Verdampfungswärme wieder ab. Die Wärme strömt von der Kondensationszone 38,39 durch die Rotorwand und wird von der verzahnten oder mit Nocken versehenen Rotoroberfläche 32,33 an das Fluid abgegeben. Das Kondensat 40,41 des Arbeitsmittels 30,31 fließt entlang der Wand des Hohlraums 28,29 wieder zurück zur Verdampfungszone 34,35.

Da die Fluidtemperatur höher als die Umgebungstemperatur ist, ist die Oberfläche des Gehäuses 11 mit einer Isolierung 16 versehen, um einen Wärmestrom vom Fluid zur Umgebung zu verringern. FIG. 10 zeigt einen 3-stufigen Verdichter für eine thermodynamische Maschine nach Anspruch 1,2, 3 und 4 der Erfindung. Die drei Stufen 43,44 und 45 sind in Serie im Fluidstrom angeordnet und dienen zur Druckerhöhung vom Eingangsdruck po auf den Enddruck p3 = pend. Die einzelnen Stufen werden von der Antriebswelle 46 über das Verteilergetriebe 47 angetrieben.

Mehrstufige Verdichter werden zweckmäßigerweise so ausgelegt, dass jede Stufe die gleiche Verdichtungsarbeit verrichtet. Dies erreicht man mit einer gleichen Druckerhöhung π je Stufe, π = Pn / Pn-1 = (Pend / Po)1^ π Druckerhöhung je Stufe n Nummer der Stufe z Anzahl der Stufen Pn-l,Pn Druck vor bzw, nach jeder Stufe PO, Pend Druck am Eingang bzw. Ausgang des mehrstufigen Verdichters Der Förderstrom Qn aus jeder Stufe ist proportional dem Schluckvolumen q„ und der Rotordrehzahl n„ und umgekehrt proportional zur Druckerhöhung π. Qn ~ % / Λ

Seite 13 von 16 * ·· · * · *«*· * · • · · · · · ·· · · «* «· ia aa · · l F1C. 11 stellt eine Wärmekraftmaschine dar, die zwischen zwei Wärmereservoire mit unterschiedlichen Temperaturen nach dem Ericsson Kreisprozess arbeitet und dabei Wärme in elektrische Energie wandelt.

Das Wärmereservoir mit der hohen Temperatur Th sind hier die heißen Abgase und die Strahlung der Flammen 48 einer Verbrennung. Das Wärmereservoir 49 mit der niederen Temperatur Tl und das Fluid des Kreisprozesses ist hier die Luft aus der Umgebung. Das Verhältnis der beiden Temperaturen Th/Tl sei hier mit 3 angenommen.

Der Verdichter 50 und die drei Expanderstufen 51a, 51b, 51c sind nach den Ansprüchen 1 bis 4 ausgeführt. Der Verdichter 50, die drei Expanderstufen 51a, 51b, 51c und der Generator 52 sind über das Verteilergetriebe 53 miteinander verbunden.

Der Verdichter 50 und die drei Expanderstufen 51a, 51b, 51c drehen mit gleicher Drehzahl.

Das Fluid wird vom Verdichter 50 aus der Umgebung 49 angesaugt und isotherm verdichtet. Das Fluid durchströmt dann den Gegenstrom-Wärmetauscher 54 und wird darin vom Gegenstrom von Tl auf Th erwärmt. In den drei Expanderstufen 51a, 51b, 51c die parallel im Fluidstrom angeordnet sind, wird das Fluid isotherm entspannt.

Das Fluid durchströmt daraufhin den Gegenstrom-Wärmetauscher 54 und gibt seine Wärme an den Gegenstrom ab. Das Fluid kühlt dabei von Th auf Tl ab, bevor es in die Umgebung 49 austritt.

Der Verdichter 50 der Wärmekraftmaschine ist einstufig und der Expander ist dreistufig ausgeführt, wobei die drei Expanderstufen 5la, 51d, 51c parallel im Fluidstrom angeordnet sind.

Vernachlässigt man die Wärmeverluste im Kreisprozess, dann verhalten sich die Fluidströme und die mit den Wärmereservoiren 48,49 ausgetauschten Wärmemengen von Expander 51a, 51b, 51c und Verdichter 50 wie die Temperaturen der beiden Wärmereservoire 48, 49. Bei dem hier angenommenen Temperatur Verhältnis Th / Tl = 3 haben daher der einstufige Verdichter 50 und jede der drei Stufen 51a, 51b, 51c des Expanders das gleiche Schluckvolumen. FIG. 12 stellt eine Wärmekraftmaschine dar, bei der Verdichter und Expander räumlich getrennt voneinander und ohne mechanische Verbindung zueinander angeordnet sind.

Seite 14 von 16 • · • *

Die dar gestellte Wärmekraftmaschine wandelt Solarstrahlung in mechanische Energie, mit der ein Generator angetrieben wird, der wiederum elektrische Energie in ein Stromnetz liefert.

Die Solarstrahlung 55 wird mittels Fresnellinsen 56 gebündelt und auf die Expander 57 5 fokussiert. Der Wärmeeintrag in die Expander 57 erfolgt dabei mit hoher Temperatur.

Das Fluid des Kreisprozesses ist hier die Luft aus der Umgebung 58. Vom Verdichter 59 wird das Fluid isotherm verdichtet und in die Rohrleitung 60 gefördert. Die Verdichtungswärme wird an die Umgebung 58 abgegeben.

Die Expander 57 und die zugeordneten Gegenstrom-Wärmetauscher 61 sind parallel im 10 Fluidstrom angeordnet. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass das Fluid in der

Rohrleitung 60 Umgebungstemperatur hat, und somit keine Wärmeverluste auftreten. Auch das aus dem Gegenstrom-Wärmetauscher 61 in die Umgebung 58 strömende Fluid hat wieder die Umgebungstemperatur.

Der Verdichter 59 wird vom Elektromotor 62 angetrieben, der seine elektrische Energie 15 aus dem nicht weiter dargestellten Stromnetz 63 bezieht.

Die Generatoren 64 wandeln die mechanische Energie von den Expandern 57 in elektrische Energie, und liefern diese in das Stromnetz 63. FIG. 13 zeigt die Kombination einer Wärmekrafl- mit einer Kraftwärmemaschine Die 20 Maschine arbeitet zwischen drei Wärmereservoiren und wird als Wärmepumpe zu Raumheizung eingesetzt. Die Wärmepumpe bezieht ihre Antriebsenergie aus einer Verbrennung.

Das Wärmereservoir 64 mit der niederen Temperatur Tl ist als Kaltwasserstrom dargestellt, das Wärmereservoir 65 mit der hohen Temperatur Th sind die heißen 25 Rauchgase und die Strahlung einer Verbrennung. Die der Maschine aus den beiden Wärmereservoiren 64,65 zugefilhrten Wärmemengen werden von ihr an das Wärmereservoir 66 mit der mittleren Temperatur Tm als Raum wärme abgegeben.

Die thermodynamische Maschine besteht aus dem Verdichter 67 und den beiden Expandern 68,69, die über das Getriebe 70 miteinander verbunden sind. Die beiden 30 Gegenstrom-Wärmetauscher 71, 72 dienen zum prozesskonformen Wärmeaustausch.

Seite 15 von 16

Das Fluid des Kreisprozesses durchl^ftnfie.lS^^ii}e*in.pfei{richtung. Die Buchstaben A bis G dienen zur Identifizierung der Zustandsänderungen des Fluids in den folgenden p-v- und T-s-Diagrammen.

Ein Antrieb zum Starten der Kombination einer Wärmekraft- mit einer 5 Kraftwärmemaschine ist in Fig. 13 nicht dareestellt FIG. 14 zeigt das p-v-Diagramm der Wärmepumpe nach Fig. 13. Die Zustandsänderungen des Fluids folgt den Buchstaben A bis G und zurück zu A. Der Schnittpunkt E auf der Isobaren D-F trennt den Kreisprozess in einen Links- gefolgt von 10 einem Rechlsprozess. FIG. 15 zeigt das T-s-Diagramm der Wärmepumpe nach Fig. 13. Die Zustandsänderungen des Fluids folgt den Buchstaben A bis G und zurück zu A. Der Schnittpunkt E auf der Isobaren D-F trennt den Kreisprozess in einen Links- gefolgt von 15 einem Rechtsprozess.

Der Wärmepumpe wird zwischen C - D Wärme aus dem Wärmereservoir mit der Temperatur TL und zwischen F - G Wärme aus dem Wärmereservoir mit der Temperatur Th zugefuhrt. Die zwischen A - E abzufuhrende Wärme aus dem Rechtsprozess, sowie die zwischen E - A abzufuhrende Wärme aus dem Linksprozess wird an das 20 Wärmereservoir mit der Temperatur Tm abgegeben.

Der interne Wärmetausch des Kreisprozesses erfolgt iur den Linksprozess von B - C nach D - E und für den Rechtsprozess von G - A nach E - F.

Der thermodynamische Wirkungsgrad COP dieser Wärmepumpe ist das maximale Verhältnis von abgegebener Wärme zu den zugefuhrten Wärmemengen und kann aus 25 dem Temperaturen der drei Wärmereservoire berechnet werden. COP = TM (TH - TL) / T„ (TM - TL)

Seite 16 von 16

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Thermodynamische Maschine die zwischen mindestens zwei Wärmereservoiren unterschiedlicher Temperatur nach dem 2. Ericsson Kreisprozess arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Verdichter und der/die Expander als rotierende 5 Verdrängermaschinen nach dem Zweiwellen-Drehkolben Prinzip mit verzahnten oder mit Nocken versehenen Rotoren (Drehkolben) aufgebaut sind, dass die Rotoren gegenüber der An- bzw. Abtriebseite aus dem Gehäuse herausragen und die Oberflächen dieser herausragenden Rotorabschnitte zum Zwecke des Wärmeaustausches mit dem jeweiligen Wärmereservoir in Kontakt stehen und dass die Rotoren (Drehkolben) für die 10 prozesskonformen Wärmetransporte zwischen dem Fluid und dem jeweiligen Wärmereservoir als Wärmerohre nach dem 2-phasen-Thermosiphon Prinzip ausgebildet sind.
2. 2. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rotor einer Verdängermaschine mindestens sechs Zähne oder Nocken hat, die parallel zur 15 oder schraubenförmig um die Rotorachse angeordnet sind, und dass die Zähnezahl und/oder Zahnform der beiden Rotoren gleich oder ungleich ist,
3. 3. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren aus metallischen oder keramischen Werkstoffen mit hohem Wärmeleitvermögen 20 bestehen und dass eventuell Teile der Rotoroberfläche und/oder die Bohrung des Thermosiphon-Abschnitts mit geeigneten Werkstoffen derart beschichtet sind, dass damit eine hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Gasdichtheit und/oder Verschleißfestigkeit erreicht wird.
4. 4. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter und/oder Expander ein- oder mehrstufig ausgebildet sind, wobei bei mehrstufiger Ausführung die einzelnen Stufen entweder seriell oder parallel im Fluidstrom angeordnet sind.
5. 5. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass Verdichter und Expander räumlich getrennt voneinander und ohne mechanische Seite 1 von 2

   Verbindung zueinander angeordnet sind, und dass der Verdichter von einem Elektromotor angetrieben wird, der seine elektrische Energie aus einem Stromnetz bezieht, sowie dass der Expander einen Generator antreibt, der die elektrische Energie in das Stromnetz liefert, wobei der Gegenstrom-Wärmetauscher in der Nähe des Expanders angeordnet ist. 5
6. 6. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1,2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine zwischen drei Wärmereservoiren arbeitet und aus einem Verdichter, zwei Expandern und zwei Gegenstrom-Wärmetauschern besteht, die derart angeordnet sind, dass das Fluid in Folge einen Links- und einen Rechtsprozess durchläuft, wobei zum 10 Wärmeaustausch der Verdichter mit dem Wärmereservoir mit der mittleren Temperatur, ein Expander mit dem Wärmereservoir mit der niederen Temperatur und der zweite Expander mit dem Wärmereservoir mit der hohen Temperatur in Verbindung steht. Seite 2 von 2