Maschine zum Fördern von Wärme von einem niedrigeren auf ein höheres Temperaturniveau ohne mechanischen Fremdantrieb. Im allgemeinen bestehen die bisher be kannten Aggregate zum Fördern von Wärme von einem niedrigeren auf ein höheres Tem peraturniveau aus einer Kühlmaschine und einem die Kühlmaschine antreibenden Motor. Dieser Motor liefert dann die zur Kühl maschine erforderliche mechanische Energie.
Die Erfindung bezweckt, eine Maschine zu schaffen, die ohne mechanischen Fremd antrieb arbeitet.
Nach der Erfindung enthält die Maschine, welche als ein geschlossenes System aus gebildet ist, als Arbeitsmittel eine Gasmenge unveränderlicher chemischer Zusammenset zung und ist mit einem warmen Raum und einem kalten Raum versehen, die je mittels eines Wärmeaustauschers zur Zufuhr von Wärme, eines Regenerators und eines Küh lers mit einem Raum mit Zwischentemperatur in Verbindung stehen. Die Volumen dieser Räume wie auch das Gesamtvolumen aller vorher genannten Räume werden durch sich mit einem konstanten Phasenunterschied hin und her bewegende, miteinander gekuppelte kolbenförmige Körper geändert.
Die Vblu- menänderungen des warmen Raumes weichen in der Phase um einen Betrag a von den jenigen des kalten Raumes, um einen Betrag b von denjenigen des Raumes mit Zwischen- 9 temperatur und um einen Betrag c von den jenigen des Gesamtvolumens aller vorher genannten Räume ab, wobei a, b und c positiv gerechnet werden, wenn der warme Raum gegenüber 'den betreffenden Räumen voreilt, und sowohl a als auch c zwischen d-180 und d liegen, und
EMI0001.0011
wobei sowohl sin d als auch der Zähler dieses Bruchs positiv sind.
In diesem Bruch ist v = das Verhältnis zwischen dem Höchst volumen des kalten Raumes und dem de" warmen Raumes, k = das Verhältnis zwischen dem Höchst- völumen des Raumes mit Zwischentem peratur und dem des warmen Raumes, t,, =das Verhältnis zwischen der mittleren Absoluttemperatur des Mittels im Raum mit Zwischentemperatur und der mitt leren Absoluttemperatur des Mittels im kalten Raum,
tw = das Verhältnis zwischen der mittleren Absoluttemperatur des Mittels im Raiun mit Zwischentemperatur und der mitt leren Absoluttemperatur des Mittels im warmen Raum.
Anmelderin hat festgestellt, dass bei der Maschine nach der Erfindung die dem war men Raum zugeführte Energie zum Antrieb der Maschine benutzt werden kann. Hierbei muss die Maschine den obenerwähaten An- forderungen entsprechen. Bei der Bauart nach der Erfindung wird eine Energiemenge mittels eines kolbenförmigen Körpers ab geführt und als mechanische Energie einer gemeinsamen Kurbelwelle geliefert. Diese Energiemenge -muss naturgemäss wenigstens so gross sein, dass die kolbenförmigen Körper hin. und her bewegt werden.
Die vom kolben- förmigen Körper zur Kurbelwelle gelieferte Energiemenge kann aber auch grösser sein, als zur Hin- und Herbewegung der kolben förmigen Körper in der Maschine unbedingt notwendig ist. In diesem Fälle kann der Überschuss an Energie für andere Zwecke, z. B. zum Antrieb von Brennstoffpumpen und dergleichen, benutzt werden.
Infolge der Zuführung kalorischer Ener gie zum Wärmeaustauscher, der mit dem warmen Raum verbunden ist, wird letzterer Raum auf hoher Temperatur gehalten. In der Nähe des kalten Raumes liegt ein wei terer Wärmeaustauscher, mit dessen Hilfe kalorische Energie (bei niedrigerer Tempe " ratur) dem Arbeitsmittel in der Maschine zugeführt wird.
Unter dem Kühler wird ein Wärme- austauscher verstanden, durch den kalorische Energie dem Arbeitsmittel entzogen wird.
Die Maschine nach der Erfindung arbeitet ohne Zuführung _ mechanischer Energie. Die zum Antrieb der Maschine erforderliche ka lorische Energie kann mittels eines Bren ners dem dem warmen Raum zugeordneten Erhitzer zugeführt werden. Hierdurch erge ben sich verschiedene Vorteile. So kann die Nutzleistung der Maschine verhältnismässig hoch sein, da die der Maschine gelieferte Energie nicht zunächst in mechanische Energie umgesetzt zu werden braucht, was immer mit Verlusten einhergeht.
In der beiliegenden Zeichnung sind einige beispielsweise Ausführungsformen von Ma schinen nach der Erfindung dargestellt.
In den Fig. 1, la, 2, 2a, 3, 3a, 4, 5 und 5a sind einige Ausführungsformen der Maschine nach der Erfindung schematisch dargestellt.
In den Fig. 6, 7 und 8 sind mehr bau liche Ausführungsformen dargestellt, und die Fig. 9, 10, 11, 12; 13 und 14 zeigen einige Diagramme der thermodynamischen Kreisläufe, wie sie sich in der Maschine nach Fig. 6 vollziehen.
Die Maschine nach Fig. 1 ist mit einem warmen Raum 1, einem Raum 2 mit Zwi schentemperatur und einem kalten Raum 3 versehen. Der Raum 1 steht mittels eines Er- hitzers 4, eines Regenerators 5 und eines Kühlers 6 mit dem _ Raum 2 in Verbindung, und der kalte Raum 3 steht mittels eines Wärmeaustauschers 7 zur Zufuhr von Wärme, des Regenerators 8 und des Kühlers 9 gleichfalls mit dem Raum 2 in Verbin dung. Das Volumen jedes Raumes 1, 2 und 3 wird von einem kolbenförmigen Körper 10, 11 bzw. 12 geändert. Die kolbenförmigen Körper sind durch Triebstangen 13, 14 bzw. 15 mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 16 verbunden.
In Fig. la sind die verschiedenen Kurbel lagen dargestellt.
Wird angenommen, dass die Volumen änderungen des warmen Raumes um einen Betrag a = 60 gegenüber denjenigen des kal ten Raumes, um einen Betrag b =120 gegenüber denjenigen des Raumes mit Zwi schentemperatur, und um einen Betrag c = 60 gegenüber denjenigen des Gesamtvolumens aller vorher genannten Räume voreilen, wobei ferner der Faktor v <I>=1</I> und der Faktor<I>k</I> gleichfalls =1 ist, wobei t, =1,6 und t," = 0,5, so kann. der Wert von tg d berechnet werden.
EMI0002.0049
d. h. also, dass d = 70,5 .
Es ergibt sich, dass a und c zwischen d-180 und<I>d</I> liegen und sowohl sin<I>d</I> als auch der Zähler des oben angegebenen Bruchs positiv sind. Das heisst also, dass die Verhält nisse vorliegen, durch welche die Maschine nach Fig. 1 ohne mechanischen Fremdantrieb ausgeführt werden kann und Wärme von einem niedrigeren nach einem höheren Tem peraturniveau fördern kann. Wenn die Temperatur des warmen Raumes 900 K be- trägt, so ist bei dieser Ausführungsform die Temperatur des Raumes mit Zwisehentempe- ratur 900 X 0,5 = 450 K und die Tempe ratur des kalten Raumes
EMI0003.0003
Die Maschine eignet sich daher als Klimaanlage oder Wärmepumpe.
In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungs form des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Die Maschine dieser Figur ist mit drei Zy lindern 20, 21 und 22 versehen. In diesen Zylindern bewegen sich die kolbenförmigen Körper 23, 24 und 25 auf und ab. Die kolben- förmigen Körper 23 und 25 sind als Ver- dränger ausgebildet. Die kolbenförmigen Körper sind durch Triebstangen mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 37 verbunden.
Der Raum 26 oberhalb des kolbenförmigen Kör pers 23 steht mittels eines Erhitzers 27, eines Regenerators 28 und eines Kühlers 29 mit dem Raum 30 mit Zwischentemperatur in Verbindung. Der Raum 31 oberhalb des kol- benförmigen Körpers 25 ist der kalte Raum und dieser steht mittels eines Wärmeaustau- schers 32 zur Zufuhr von Wärme des Rege nerators 33 und des Kühlers 34 mit dem Raum 35 in Verbindung. Die Räume 30, 35 sind durch die Kanäle 38 mit dem Raum 36 oberhalb des Kolbens 24 verbunden und bil den gemeinsam den gesamten Raum mit Zwischentemperatur.
In Fig. 2a sind die verschiedenen einem Berechnungsbeispiel zugeordneten Kurbel lagen dargestellt.
Auch -bei dieser Maschine kann man Ver hältnisse annehmen, bei denen nie Maschine ohne mechanischen Fremdantrieb arbeitet. Wird angenommen, dass a = 900, b =1850 und c =1200 und ist ferner v =1 und <I>k</I> = 1,5, t,, = 1,3 und tw = 0,4, so kann tg <I>d</I> wieder berechnet werden.
EMI0003.0024
Hieraus folgt, dass<I>d</I> =133,20. Sowohl a als auch c sind kleiner als<I>d,</I> und sin <I>d</I> und der Zähler des oben angegebenen Bruchs sind. -positiv.
Diese Maschine wird daher unter den oben angegebenen Verhältnissen ohne Fremdantrieb arbeiten und Wärme von einem niedrigeren nach einem höheren Tem- peraturniveau fördern können. Ist bei dieser Ausführungsform die Temperatur des war men Raumes 9000 K, so ist die Tempe ratur des Raumes mit Zwischentemperatur 900 X 0,4 = 3600 K. Die Temperatur des kal ten Raumes ist dann Die An lage kann daher gut
EMI0003.0033
als Wärmepumpe be nutzt werden.
Die Maschine nach Fig. 3 besitzt nur zwei Zylinder 40 bzw. 41. In dem Zylinder 40 bewegt sich der Verdränger 42 und in dein Zylinder 41 der Stufenkolben 43 hin und her. Die beiden kolbenförmigen Körper sind je durch Triebstangenmechanismen 54 und 55 mit einer gemeinsamen [Kurbelwelle 56 verbunden. Der Raum 44 oberhalb des Kol bens 42 ist der warme Raum der Maschine. Dieser Raum steht durch einen Erhitzer 45, einen Regenerator 46 und einen Kühler 4<B>7</B> mit dem Raum 48 mit Zwischentemperatur unterhalb des Kolbens in Verbindung.
Der Raum 49 oberhalb des Kolbens 43 steht über den Wärmeaustauscher 50 zur Zufuhr von Wärme, den Regenerator 51 und den Kühler 52 mit dem Raum 53 unterhalb des Stufen kolbens in Verbindung. Die Räume 48 und 53 und .der Verbindungskanal 57 bilden gemein sam den gesamten Raum mit Zwischentem peratur.
In Fig. 3a sind die verschiedenen einem Berechnungsbeispiel zugeordnete, Kurbel lagen dargestellt.
Ist bei der oben beschriebenen Maschine der Faktor v = 2 und der Faktor k = 1,4 und cc = c = 90.0 und b = 2250, wobei die Tem peraturen derart gewählt sind, dass t, =1,3 und t , <I>= 0,4, so</I> kann wieder tg <I>d</I> berechnet werden. tg d ist in diesem Falle gleich
EMI0003.0051
Hieraus folgt, dass d = N 1100.
Auch in diesem Falle liegen a und<I>c zwi-</I> schen d-1$00 und<I>d,</I> und sowohl sin <I>d</I> als. auch der Zähler des- Bruchs sind positiv. Ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Tempe ratur des warmen Raumes 800 K, so ist die Temperatur des RaLUnes mit Zwischentempe ratur 800 X,0,4 = 320 K und die Temperatur des Gefrierraumes<U>320</U> _ 246' K.
1,30 Die Maschine nach Fig. 4 stimmt im grossen und ganzen mit der Maschine nach Fig. 3 überein, und in dieser Figur sind daher die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 verwendet. An Stelle des Verdrängers 42 ist aber die Maschine mit einem zweiten Stufenkolben 58 versehen.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungs form des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Auch diese Maschine ist mit nur zwei Zylin dern 60 und 61 versehen. Der warme Raum 62 oberhalb des Kolbens 63 im Zylinder 60 steht über den Erhitzer 64, den Regenerator 65, den Kühler 66 mit dem Raum 67 mit Zwischentemperatur unterhalb des Kolbens 63 in Verbindung. Der kalte Raum 68 ober halb des Kolbens 69 steht über den Wärme- austauscher 70 zur Zufuhr von Wärme, den Regenerator 71 und den Kühler 72 gleich falls mit :
dem Raum 67 in Verbindung. Die kolbenförmigen Körper 63 und 69 sind je durch Triebstangenmechanismen 73 und 74 mit einer Kurbelwelle 75 verbunden.
In Fig. 5a sind die einem Berechnungs beispiel zugeordneten Kurbellagen dar gestellt.
Folgende Faktoren sind dabei angenom men worden: a = c = 90 , b = 180 , v = 1, 1c <I>= 1,</I> t,=2 und t-=0,4.
EMI0004.0028
Hieraus folgt, dass d =106,7 . Auch bei dieser Ausführungsform sind sämtliche Be dingungen erfüllt, nämlich dass a und c zwi schen d-180 und d liegen, wobei sowohl sin d als auch der -Zähler des Bruchs positiv sind.
Wird bei dieser Ausführungsform als Temperatur des warmen Raumes 800 K an genommen, so ist die Temperatur des Raumes mit Zwischentemperatur 800 X 0,4 = 320 K und die Temperatur des kalten Raumes
EMI0004.0032
Die Maschine nach Fig. 6 stimmt mit der jenigen nach Fig. 2 überein. In dem Zylinder 80 wird ein Verdränger 81 und in dem Zy linder 82 wird ein weiterer Verdränger 83 hin und her bewegt. Der Raum 84 oberhalb des Verdrängers 81 steht über den Erhitzer 85, den Regenerator 86 und den Kühler 87 mit dem Raum 88 in Verbindung, der durch die Kanäle 89 und den Raum 91 mit dein Raum 90 verbunden ist.
Diese Räume bilden den Raum mit Zwischentemperatur. Das Volumen dieses Raumes wird von dem Kol ben 92 und von den Verdrängern 81 und 83 beeinflusst. Dieser Raum mit Zwischentem peratur ist über den Kühler 93, den Regene- rator 94 und den Wärmeaustauscher 95 zur Zufuhr von Wärme mit dem kalten Raum 96 verbunden. Die Verdränger 81 und 83 und der Kolben 92 sind durch Triebstangen mit der Kurbelwelle 97 verbunden, wobei die Kurbeln einen geeigneten Winkel mitein ander einschliessen. Der Raum 84 wird auf hoher Temperatur gehalten und ist der warme Raum der Maschine. Diesem wärmen Raum wird mittels des Brenners 98 kalo rische Energie zugeführt.
Die Verbrennungs gase strömen längs auf der äussern Wand des Erhitzers 85 angebrachten Rippen und ver lassen den Verbrennungsraum durch das Aus lassrohr 99. Der kalte Raum 96 und der Wärmeaustauscher 95 sind in einem ge schlossenen Raum 100 untergebracht, der auf niedriger Temperatur gehalten werden muss. Die Abmessungen des Kolbens 92 und der Hab dieses Kolbens sind derart gewählt, dass der Kolben der Kurbelwelle hinreichende po sitive Energie liefert, um die Verdränger und den Kolben in der Maschine auf und ab zu bewegen. Die mittels dieses Kolbens über tragene mechanische Energie kann z.
B. auch zum Antrieb der Brennstoffpumpe für den Brenner 98 oder zum Antrieb eines Luftkom pressors und eines Kompressors benutzt wer den, der zwecks Änderung der Maschinen- leistung die in der Maschine enthaltene Gas menge beeinflussen kann.
Der Kolben 92 beeinf@lusst in diesem Falle den Raum mit Zwischentemperatur. Es ist aber auch möglich und in bestimmten Fällen sogar erwünscht, dass dieser Kolben den war men Raum oder den kalten Raum beeinflusst. In dieser Figur ist ferner der Kurbelkasten als geschlossene Einheit ohne Wellendurch führungen ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, Verluste des Arbeitsmittels weit gehendst zu beschränken und sogar auf Null herabzusetzen. Auch kann der Kurbelkasten auf einen gewünschten Druck gebracht wer ; den, wodurch die Stangenkräfte in den Trieb stangen herabgesetzt werden können.
In Fig. 7 ist eine Maschine dargestellt, welche im wesentlichen derjenigen nach-Fig. 3 entspricht. In dem Zylinder 110 bewegt sich ein Verdränger 111 hin und her, der über einen Triebstangenmechanismus mit der Kur bel 113 verbunden ist. An derselben Kurbel ist gleichfalls der Triebstangenmechanismus des Stufenkolbens 114 befestigt, der sich in dem Zylinder 112 hin und her bewegt. Die Mittellinien der beiden Zylinder schliessen einen Winkel von 90 ein.
Ein Teil des Stu fenkolbens 114 weist einen Durchmesser<B>Dl,</B> ein weiterer Teil einen Durchmesser D2 auf, wobei D2 beträchtlich kleiner als D1, aber anderseits wesentlich grösser als der Durch- messer der Kolbenstange ist. In diesem Falle ist der Faktor a daher gleich dem Faktor c.
Der Raum 115 oberhalb des Verdrängers 111 ist der warme Raum und dieser Raum ist wieder durch einen als Rohrerhitzer ausgebil deten Erhitzer 116, einen Regenerator 117 und einen Kühler 118 mit dem Raum 119 verbinden. Der Raum 119 steht durch den i Kanal 120 mit dem Raum 121 unterhalb des Stufenkolbens 114 in dem Zylinder 112 in Verbindung.
Die der Kurbelwelle zugekehrten Räume 119 und 121 und der Kanal 120 bilden den Raum mit Zwischentemperatur. Dieser Raum steht über den Kühler 123, den Rege nerator 124 und den Wärmeaustauscher 125 zur Zufuhr von Wärme mit dem kalten Ramn 126 in Verbindung. Dem warmen Raum wird kalorische Energie mittels des Brenners 127 zugeführt, wobei die Verbrennungsgase bei 129 den Erhitzer verlassen; der Wärmeaustauscher 125 und der kalte Raum 126 sind in dem zu kühlenden Raum 128 untergebracht. Die Wir kungsweise der Kühlmaschine entspricht der Wirkung der Maschine nach Fig. 3.
Wenn die Bedingungen erfüllt sind, welche in der vorerwähnten Formel angegeben sind, so wird der Stufenkolben mechanische Energie liefern. Die gelieferte Energiemenge ist von dem Durchmesser D2 des Stufenkolbens und von dem Hub dieses Kolbens abhängig.
In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungs- .form dargestellt. Diese entspricht im grossen und ganzen der Ausführungsform nach Fig. 5. An Stelle des Stufenkolbens 114 von Fig. 7 besitzt das Aggregat nach Fig. 8 einen Kolben, und der Raum 139 mit Zwischenteen- pAtatur ist mit dem Raum 144 oberhalb die ses Kolbens verbunden. Der Verdränger 130 bewegt sich in dem Zylinder<B>131</B> auf und ab.
Dieser Verdränger steht über einen Trieb stangenmechanismus mit der Kurbel 132 in Verbindung. Mit dieser Kurbel ist auch der Triebstangenmeehanismus des Kolbens 133 verbunden, der sich- im Zylinder 134 hin und her bewegt. Die Mittellinien der Zylinder 131 und 134 schliessen einen Winkel von 90 ein. Der warme Raum 135 oberhalb .des Verdrän- gers 130 steht über den Erhitzer 13e6, den Regenerator 137 und den Kühler 138 mit dem Raum 139 unterhalb des Verdrängers 130 in Verbindung.
Der Raum 139 und der Kanal 140 bilden den Raum mit Zwischen temperatur und stehen über den Kühler 141, den Regenerator 142 und den Wärmeaus tauscher 143 zur Zufuhr von Wärme mit dem kalten Raum 144 in Verbindung. Der warme Raum wird mittels des Brenners 145 auf hohe Temperatur gehalten. Der kalte Raum und der Wärmeaustauscher 143 befinden sich in dem Raum 146, der auf niedriger Tempe ratur gehalten werden muss.
In Fig. 9 ist ein Diagramm dargestellt, in dem die verschiedenen Kolbenlagen einer Ma schine ähnlich denjenigen nach Fig. 2 .und 6 dargestellt sind, wobei jedoch die Kurbelstel lungen andere sind. Auf der Abszissenachse ist der Kurbelwinkel in Grad aufgetragen, während auf der Ordinatenachse die wech selnden Volumina der von den kolbenför- migen Körpern beeinflussten Räiune auf getragen sind.
Die Bewegungen der kolben- förmigen Körper sind durch die sinusförmi- gen, gestrichelten Linien wiedergegeben, wie z. B. bei 150. Zur Vereinfachung sind diese sinusförriiigen Linien durch die ausgezogenen Geraden ersetzt.
In Fig. 10 ist der Druckverlauf p im Ar beitsraum der Maschine in Abhängigkeit des Kurbehvinkels aufgetragen. Der Druck ist auf der Ordinatenachse und der Kurbelwinkel auf der - Abszissenachse abgetragen. Der Druckverlauf in Fig. 10 ist gleichfalls verein facht und durch grade Linien ersetzt. Der Druck ist maximal bei einem Kurbelwinkel von 0 und 360 . In Fig. 9 sind .die schäd lichen Räume zu Null angenommen.
Das mit I bezeichnete, schraffierte Feld zeigt die auf einanderfolgenden Volumenänderungen des kalten Raumes, die schraffierten Felder II die des warmen Raumes und die nicht schraf fierten Felder III und IV die des Raumes mit Zwischentemperatur. Das Feld IV allein zeigt die Änderungen des Gesamtvolumens aller vorher genannten,Räume.
In Fig. 11 ist das pv-Diagramm des war men Raumes schematisch dargestellt. In die sem Diagramm ist auf der Abszissenachse das Volumen v und auf der Ordinatenachse der Druck p abgetragen. Die entsprechenden, mit a, <I>b, c</I> und<I>d</I> bezeichneten Punkte des Dia- gramms von Fig. 9 sind auch in diesem Dia gramm angegeben.
In Fig. 12 ist auf entsprechende Weise das pv-Diagramm des kalten Raumes dar gestellt, wobei Punkte mit den Buchstaben a, b, c und d. wieder mit Punkten mit den Buchstaben der vorherigen Figuren überein stimmen.
In Fig. 13 ist das Diagramm für den Kolben dargestellt, där das Gesamtvolumen der Räume beeinflusst. Die schraffierte Flä che dieses Diagramms ist die Hälfte der schraffierten Fläche der Diagramme 11 und 12.
In Fig. 14 ist das Diagramm für den Raum mit Zwischentemperatur dargestellt. Die Fläche dieses Diagramms ist das Zwei fache derjenigen der Diagramme nach den Fig. 11 und 12, wie es auch aus Fig. 9 ersichtlich ist.
. Aus Fig. 13 geht hervor, dass die Arbeit, welche von dem das Gesamtvolumen aller Räume beeinflussenden kolbenförmigen Kör per geliefert werden kann, unter anderem durch Vergrösserung des Hubvolumens dieses Kolbens erhöht werden kann. Durch Vergrö sserung, des Hubvolumens vergrössert sich die Fläche des Diagramms -und der Kol'oen lie fert eine grössere positive Arbeit.
Im allgemeinen wird es nur einen Kolben geben, der die Änderungen des Gesamtvolu mens beeinflusst. Es ist aber auch möglich, dass die Beeinflussung an Stelle durch einen, durch mehrere Kolben erfolgt.
Bei allen dargestellten Beispielen mit Ausnahme desjenigen nach Fig. 1. werden die Volumen zweier Räume mit aufeinanderfol- gendem Temperaturniveau von den Endflä chen eines gemeinsamen kolbenförmigen Kör pers beeinflusst. Beispielsweise ist das der Fall für die Volumen des warmen Raumes und des Raumes mit Zwischentemperatur.
Gemäss den Fig. 2 und 6 werden überdies so wohl das Volumen des kalten Raumes als auch das Volumen des Raumes mit Zwischen temperatur von den Endflächen eines weite ren gemeinsamen kolbenförmigen Körpers beeinflusst, und es ist ein dritter kolben- förmiger Körper vorhanden, von dem nur eine Oberfläche die Volumenänderungen eines der Räume beeinflusst;
der dritte kol- benförmige Körper bewegt sieh zweckmässig mit gleicher Phase wie der kolbenförmige Körper, der sowohl den Raum mit Zwischen temperatur als auch den kalten Raum beein- flusst. Bei den Beispielen nach Fig. 3 und -6 sind nur zwei kolbenförmige Körper vor gesehen, wobei der kolbenförmige Körper, der sowohl den kalten Raum als auch den Raum mit Zwischentemperatur beeinflusst, als Stu- fenkolben ausgebildet ist; auch der zweite kolbenförmige Körper kann dabei als Stufen kolben ausgebildet sein.
Die Maschine kann aber, wie in den Fig. 5 und 8 gezeigt, so aus gebildet sein, dass sowohl das Volumen des warmen Raumes als auch das Volumen des Raumes mit Zwischentemperatur von den Endflächen eines gemeinsamen kolbenför- migen Körpers beeinflusst werden, und nur ein anderer kolbenförmiger Körper mit nur einer wirksamen Oberfläche vorhanden ist, wobei letzterer Körper die Volunienänderan- gen des kalten Raumes beeinflusst.
Bei allen Beispielen hängt die Phasen verschiebung der Volumenänderungen der verschiedenen Räume nicht nur von der Kur bellage der Kolben, sondern auch von den Volumenverhältnissen der durch die Kolben beeinflussten Räume, d. h. also vom Kurbel radius und Durchmesser des betreffenden Kolbens ab.
Machine for conveying heat from a lower to a higher temperature level without a mechanical external drive. In general, the previously known units for conveying heat from a lower to a higher temperature level consist of a cooling machine and a motor driving the cooling machine. This motor then supplies the mechanical energy required for the cooling machine.
The aim of the invention is to create a machine that works without a mechanical external drive.
According to the invention, the machine, which is formed as a closed system, contains a gas quantity of unchangeable chemical composition as a working medium and is provided with a warm room and a cold room, each by means of a heat exchanger for supplying heat, a regenerator and a Cooler with a room with intermediate temperature in communication. The volumes of these spaces as well as the total volume of all the aforementioned spaces are changed by piston-shaped bodies that are coupled to one another and move back and forth with a constant phase difference.
The flowering changes in the warm room deviate in phase by an amount a from those in the cold room, by an amount b from those in the room with intermediate temperature and by an amount c from those in the total volume of all the aforementioned rooms , where a, b and c are counted as positive if the warm room leads the room concerned and both a and c are between d-180 and d, and
EMI0001.0011
where both sin d and the numerator of this fraction are positive.
In this fraction, v = the ratio between the maximum volume of the cold room and that of the warm room, k = the ratio between the maximum volume of the room with intermediate temperature and that of the warm room, t = the ratio between the mean absolute temperature of the agent in the room with intermediate temperature and the mean absolute temperature of the agent in the cold room,
tw = the ratio between the mean absolute temperature of the agent in the Raiun with intermediate temperature and the mean absolute temperature of the agent in the warm room.
Applicant has found that in the machine according to the invention, the energy supplied to the war men space can be used to drive the machine. The machine must meet the above-mentioned requirements. In the design according to the invention, an amount of energy is carried out by means of a piston-shaped body and supplied as mechanical energy to a common crankshaft. Naturally, this amount of energy must be at least large enough for the piston-shaped bodies to face. and be moved here.
However, the amount of energy supplied by the piston-shaped body to the crankshaft can also be greater than is absolutely necessary for the reciprocating movement of the piston-shaped body in the machine. In this case the excess energy can be used for other purposes, e.g. B. to drive fuel pumps and the like can be used.
As a result of the supply of caloric energy to the heat exchanger, which is connected to the warm room, the latter room is kept at a high temperature. In the vicinity of the cold room there is another heat exchanger, with the help of which caloric energy (at a lower temperature) is fed to the working medium in the machine.
The cooler is understood to be a heat exchanger through which caloric energy is extracted from the working medium.
The machine according to the invention works without supplying mechanical energy. The caloric energy required to drive the machine can be fed to the heater assigned to the warm room by means of a burner. This has various advantages. The useful power of the machine can be relatively high, since the energy supplied to the machine does not first need to be converted into mechanical energy, which is always associated with losses.
In the accompanying drawings, some example embodiments of Ma machines are shown according to the invention.
In Figs. 1, la, 2, 2a, 3, 3a, 4, 5 and 5a some embodiments of the machine according to the invention are shown schematically.
6, 7 and 8 more construction Liche embodiments are shown, and FIGS. 9, 10, 11, 12; 13 and 14 show some diagrams of the thermodynamic cycles as they take place in the machine according to FIG.
The machine according to FIG. 1 is provided with a warm room 1, a room 2 with inter mediate temperature and a cold room 3. The space 1 is connected to the space 2 by means of a heater 4, a regenerator 5 and a cooler 6, and the cold space 3 is also connected by means of a heat exchanger 7 for supplying heat, the regenerator 8 and the cooler 9 the room 2 in connection. The volume of each space 1, 2 and 3 is changed by a piston-shaped body 10, 11 and 12, respectively. The piston-shaped bodies are connected to a common crankshaft 16 by drive rods 13, 14 and 15, respectively.
In Fig. La the various crank positions are shown.
It is assumed that the volume changes in the warm room by an amount a = 60 compared to that of the cold room, by an amount b = 120 compared to that of the room with intermediate temperature, and by an amount c = 60 compared to that of the total volume of all before ahead, with the factor v <I> = 1 </I> and the factor <I> k </I> also = 1, where t, = 1.6 and t, "= 0.5, so the value of tg d can be calculated.
EMI0002.0049
d. H. so that d = 70.5.
It turns out that a and c are between d-180 and <I> d </I> and that both sin <I> d </I> and the numerator of the above fraction are positive. This means that the ratios exist through which the machine according to FIG. 1 can be carried out without a mechanical external drive and can promote heat from a lower to a higher temperature level. If the temperature of the warm room is 900 K, then in this embodiment the temperature of the room with the intermediate temperature is 900 X 0.5 = 450 K and the temperature of the cold room
EMI0003.0003
The machine is therefore suitable as an air conditioning system or heat pump.
In Fig. 2, a further embodiment of the subject invention is shown. The machine of this figure is alleviate with three Zy 20, 21 and 22 provided. In these cylinders, the piston-shaped bodies 23, 24 and 25 move up and down. The piston-shaped bodies 23 and 25 are designed as displacers. The piston-shaped bodies are connected to a common crankshaft 37 by means of drive rods.
The space 26 above the piston-shaped Kör pers 23 is connected to the space 30 with intermediate temperature by means of a heater 27, a regenerator 28 and a cooler 29. The space 31 above the piston-shaped body 25 is the cold space and this is connected to the space 35 by means of a heat exchanger 32 for supplying heat from the regenerator 33 and the cooler 34. The spaces 30, 35 are connected through the channels 38 with the space 36 above the piston 24 and bil the entire space with intermediate temperature.
In Fig. 2a, the various crank positions assigned to a calculation example are shown.
With this machine too, one can assume conditions in which the machine never works without a mechanical external drive. Assuming that a = 900, b = 1850 and c = 1200 and furthermore v = 1 and <I> k </I> = 1.5, t ,, = 1.3 and tw = 0.4, so tg <I> d </I> can be calculated again.
EMI0003.0024
It follows from this that <I> d </I> = 133.20. Both a and c are less than <I> d, </I> and sin <I> d </I> and are the numerator of the fraction given above. -positive.
This machine will therefore work under the conditions specified above without an external drive and can convey heat from a lower to a higher temperature level. If, in this embodiment, the temperature of the warm room is 9000 K, the temperature of the room with an intermediate temperature is 900 X 0.4 = 3600 K. The temperature of the cold room is then The system can be good
EMI0003.0033
be used as a heat pump.
The machine according to FIG. 3 has only two cylinders 40 and 41, respectively. The displacer 42 moves in the cylinder 40 and the stepped piston 43 moves to and fro in the cylinder 41. The two piston-shaped bodies are each connected to a common crankshaft 56 by drive rod mechanisms 54 and 55. The space 44 above the Kol piston 42 is the warm space of the machine. This space is connected by a heater 45, a regenerator 46 and a cooler 4 7 with the space 48 with intermediate temperature below the piston.
The space 49 above the piston 43 is connected via the heat exchanger 50 for supplying heat, the regenerator 51 and the cooler 52 with the space 53 below the piston step. The rooms 48 and 53 and .the connecting channel 57 together form the entire room with intermediate temperature.
In Fig. 3a, the various crank positions assigned to a calculation example are shown.
If, in the machine described above, the factor v = 2 and the factor k = 1.4 and cc = c = 90.0 and b = 2250, the temperatures are chosen such that t, = 1.3 and t, <I > = 0.4, so </I> can be calculated again tg <I> d </I>. tg d is the same in this case
EMI0003.0051
From this it follows that d = N 1100.
In this case, too, a and <I> c lie between- </I> between d-1 $ 00 and <I> d, </I> and both sin <I> d </I> as. the numerators of the fraction are also positive. If in this embodiment the temperature of the warm room is 800 K, then the temperature of the room with intermediate temperature is 800 X, 0.4 = 320 K and the temperature of the freezer room <U> 320 </U> _ 246 'K.
1.30 The machine according to FIG. 4 corresponds by and large to the machine according to FIG. 3, and the same reference numerals are therefore used in this figure as in FIG. Instead of the displacer 42, however, the machine is provided with a second stepped piston 58.
In Fig. 5, a further embodiment is shown form of the subject invention. This machine is also provided with only two Zylin countries 60 and 61. The warm space 62 above the piston 63 in the cylinder 60 is connected via the heater 64, the regenerator 65, the cooler 66 with the space 67 with an intermediate temperature below the piston 63. The cold space 68 above the piston 69 is via the heat exchanger 70 for the supply of heat, the regenerator 71 and the cooler 72 also with:
the room 67 in connection. The piston-shaped bodies 63 and 69 are connected to a crankshaft 75 by pinion rod mechanisms 73 and 74, respectively.
In Fig. 5a, the crank positions assigned to a calculation example are shown.
The following factors have been assumed: a = c = 90, b = 180, v = 1, 1c <I> = 1, </I> t, = 2 and t- = 0.4.
EMI0004.0028
It follows from this that d = 106.7. In this embodiment, too, all conditions are met, namely that a and c are between d-180 and d, with both sin d and the numerator of the fraction being positive.
If in this embodiment the temperature of the warm room is taken to be 800 K, then the temperature of the room with an intermediate temperature is 800 X 0.4 = 320 K and the temperature of the cold room
EMI0004.0032
The machine according to FIG. 6 corresponds to that of FIG. In the cylinder 80, a displacer 81 and in the cylinder 82, another displacer 83 is moved back and forth. The space 84 above the displacer 81 is connected via the heater 85, the regenerator 86 and the cooler 87 to the space 88, which is connected to the space 90 through the channels 89 and the space 91.
These rooms form the room with intermediate temperature. The volume of this space is influenced by the piston 92 and the displacers 81 and 83. This room with intermediate temperature is connected to the cold room 96 via the cooler 93, the regenerator 94 and the heat exchanger 95 for the supply of heat. The displacers 81 and 83 and the piston 92 are connected by drive rods to the crankshaft 97, the cranks including a suitable angle mitein other. The room 84 is kept at a high temperature and is the warm room of the machine. This warm room is 98 caloric energy supplied by means of the burner.
The combustion gases flow along ribs attached to the outer wall of the heater 85 and leave the combustion space through the outlet pipe 99. The cold space 96 and the heat exchanger 95 are housed in a closed space 100 which must be kept at a low temperature. The dimensions of the piston 92 and the shape of this piston are selected such that the piston of the crankshaft supplies sufficient positive energy to move the displacers and the piston up and down in the machine. The mechanical energy transmitted by means of this piston can, for.
B. also used to drive the fuel pump for the burner 98 or to drive a Luftkom compressor and a compressor who can influence the amount of gas contained in the machine for the purpose of changing the machine performance.
In this case, the piston 92 influences the space with the intermediate temperature. However, it is also possible and in certain cases even desirable for this piston to influence the warm room or the cold room. In this figure, the crankcase is also designed as a closed unit without shaft bushings. This makes it possible to limit losses of the working medium as far as possible and even reduce them to zero. The crankcase can also be brought to a desired pressure; the, whereby the rod forces in the drive rods can be reduced.
In Fig. 7 a machine is shown, which is essentially that of-Fig. 3 corresponds. In the cylinder 110, a displacer 111 moves back and forth, which is connected to the cure 113 via a pinion rod mechanism. The drive rod mechanism of the stepped piston 114, which moves back and forth in the cylinder 112, is also attached to the same crank. The center lines of the two cylinders enclose an angle of 90.
One part of the stepped piston 114 has a diameter D1, and another part has a diameter D2, D2 being considerably smaller than D1, but on the other hand being considerably larger than the diameter of the piston rod. In this case the factor a is therefore equal to the factor c.
The space 115 above the displacer 111 is the warm space and this space is again connected to the space 119 by a heater 116 designed as a tube heater, a regenerator 117 and a cooler 118. The space 119 communicates through the channel 120 with the space 121 below the stepped piston 114 in the cylinder 112.
The spaces 119 and 121 facing the crankshaft and the duct 120 form the space with intermediate temperature. This space is via the cooler 123, the regenerator 124 and the heat exchanger 125 for the supply of heat with the cold Ramn 126 in connection. Caloric energy is supplied to the warm room by means of the burner 127, the combustion gases leaving the heater at 129; the heat exchanger 125 and the cold room 126 are accommodated in the room 128 to be cooled. The manner in which the cooling machine works corresponds to the effect of the machine according to FIG. 3.
If the conditions are met, which are given in the aforementioned formula, the stepped piston will deliver mechanical energy. The amount of energy delivered depends on the diameter D2 of the stepped piston and the stroke of this piston.
Another embodiment is shown in FIG. This corresponds by and large to the embodiment according to FIG. 5. Instead of the stepped piston 114 of FIG. 7, the unit according to FIG. 8 has a piston, and the space 139 with the intermediate valve is connected to the space 144 above this piston . The displacer 130 moves up and down in the cylinder 131.
This displacer is via a drive rod mechanism with the crank 132 in connection. The drive rod mechanism of the piston 133, which moves back and forth in the cylinder 134, is also connected to this crank. The center lines of the cylinders 131 and 134 enclose an angle of 90. The warm space 135 above the displacer 130 is connected to the space 139 below the displacer 130 via the heater 13e6, the regenerator 137 and the cooler 138.
The space 139 and the channel 140 form the space with intermediate temperature and are via the cooler 141, the regenerator 142 and the Wärmeaus exchanger 143 for supplying heat with the cold room 144 in connection. The warm room is kept at a high temperature by means of the burner 145. The cold room and the heat exchanger 143 are located in the room 146, which must be kept at a low temperature.
In Fig. 9 a diagram is shown in which the different piston positions of a Ma machine similar to those of Fig. 2 .and 6 are shown, but the crank positions are different. The crank angle in degrees is plotted on the abscissa axis, while the changing volumes of the ranks influenced by the piston-shaped bodies are plotted on the ordinate axis.
The movements of the piston-shaped bodies are shown by the sinusoidal, dashed lines, e.g. B. at 150. For the sake of simplicity, these sinusoidal lines have been replaced by the solid lines.
In Fig. 10, the pressure curve p is plotted in the work room of the machine as a function of the crank angle. The pressure is plotted on the ordinate axis and the crank angle on the - abscissa axis. The pressure curve in Fig. 10 is also simplified and replaced by straight lines. The pressure is maximum at a crank angle of 0 and 360. In Fig. 9. The harmful union spaces are assumed to be zero.
The hatched field labeled I shows the successive changes in volume of the cold room, the hatched fields II those of the warm room and the non-hatched fields III and IV that of the room with intermediate temperature. Field IV alone shows the changes in the total volume of all rooms mentioned above.
In Fig. 11 the pv diagram of the was men room is shown schematically. In this diagram, the volume v is plotted on the abscissa axis and the pressure p is plotted on the ordinate axis. The corresponding points of the diagram of FIG. 9, labeled a, <I> b, c </I> and <I> d </I>, are also indicated in this diagram.
In Fig. 12, the pv diagram of the cold room is presented in a corresponding manner, with points with the letters a, b, c and d. again match with dots with the letters of the previous figures.
13 shows the diagram for the piston, which affects the total volume of the spaces. The hatched area of this diagram is half of the hatched area of diagrams 11 and 12.
In Fig. 14 the diagram for the room with intermediate temperature is shown. The area of this diagram is two times that of the diagrams according to FIGS. 11 and 12, as can also be seen from FIG.
. From Fig. 13 it can be seen that the work which can be supplied by the piston-shaped body influencing the total volume of all spaces can be increased, inter alia, by increasing the stroke volume of this piston. By increasing the stroke volume, the area of the diagram increases - and the column provides greater positive work.
In general, there will only be one piston that affects the changes in the total volume. However, it is also possible for the influencing to take place instead of one or more pistons.
In all the examples shown, with the exception of the one according to FIG. 1, the volumes of two spaces with successive temperature levels are influenced by the end surfaces of a common piston-shaped body. For example, this is the case for the volume of the warm room and the room with an intermediate temperature.
According to FIGS. 2 and 6, moreover, both the volume of the cold room and the volume of the room with intermediate temperature are influenced by the end faces of a wide ren common piston-shaped body, and there is a third piston-shaped body, of which only a surface affects the volume changes of one of the rooms;
the third bulb-shaped body moves expediently with the same phase as the bulb-shaped body, which influences both the space with intermediate temperature and the cold space. In the examples according to FIGS. 3 and 6, only two piston-shaped bodies are seen, the piston-shaped body, which influences both the cold room and the room with intermediate temperature, is designed as a stepped piston; The second piston-shaped body can also be designed as a stepped piston.
However, as shown in FIGS. 5 and 8, the machine can be designed in such a way that both the volume of the warm room and the volume of the room with intermediate temperature are influenced by the end surfaces of a common piston-shaped body, and only one Another piston-shaped body with only one effective surface is present, the latter body influencing the volume changes of the cold room.
In all examples, the phase shift in the volume changes in the various spaces depends not only on the cure bellage of the pistons, but also on the volume ratios of the spaces influenced by the pistons, i.e. H. So from the crank radius and diameter of the piston in question.