DE10042546A1 - Method to convert heat energy/differential into mechanical energy utilizes variations in volume of fluids in the Carnot cycle with hydraulic appliances for energy conversion - Google Patents
Method to convert heat energy/differential into mechanical energy utilizes variations in volume of fluids in the Carnot cycle with hydraulic appliances for energy conversionInfo
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Abstract
Description
Es ist bekannt, daß Stoffe bei Temperaturänderung ihr Volumen ändern. Ferner ist bekannt, daß mit hydraulischen Geräten (Pumpe, Zylinder, Hydraulikmotor, Ventile . . . .) mechanische Arbeiten gesteuert und ausgeführt werden können, wobei hier die Leistungszufuhr üblicherweise ebenfalls mechanisch (Verbrennungsmotor, Elektromotor, Handpumpe . . .) erfolgt.It is known that substances change their volume when the temperature changes. It is also known that with hydraulic devices (pump, cylinder, hydraulic motor, valves ...) mechanical Work can be controlled and carried out, whereby here the power supply usually also mechanical (internal combustion engine, electric motor, hand pump...) he follows.
Weiterhin ist bekannt, dass bereits Motoren/Vorrichtungen erfunden wurden die ebenfalls mit dem thermodynamischen Effekt arbeiten(z. B. Stirlingmotor), bei denen jedoch bisher kein günstiger Leistungsfaktor nachgewiesen werden konnte.It is also known that motors / devices have also been invented, which are also included in the work on the thermodynamic effect (e.g. Stirling engine), but so far none favorable power factor could be demonstrated.
Die Erfindung beruht auf einem thermodynamischen Kreisprozess (Carnot-Prozess), wobei als Medium eine Flüssigkeit zum Einsatz kommt, deren Volumenänderung durch hohe Druckunterschiede in mechanische Energie umgewandelt wird. Bei Versuchen wurde mit verschiedenen Flüssigkeiten gearbeitet (z. B.: Motoröl, Petroleum, Pflanzenöle).The invention is based on a thermodynamic cycle (Carnot process), wherein a liquid is used as the medium, the volume change of which is caused by high Differences in pressure are converted into mechanical energy. In experiments with different liquids worked (e.g. motor oil, petroleum, vegetable oils).
Durch die im Patentanspruch 1 bis 12 aufgeführten Merkmale/Erfindungen in Verbindung mit der o. g. bekannten Technik ist es mit der Erfindung möglich, die Energie einer beliebigen Wärmequelle bei vorhandener Temperaturdifferenz effektiv in mechanische Energie umzusetzen.Due to the features / inventions listed in claims 1 to 12 in connection with the above known technology it is possible with the invention to use the energy of any Heat source with existing temperature difference effectively in mechanical energy implement.
Durch konsequente Druck-Trennung zwischen Warm- und Kaltbereich durch hydraulische Geräte wird erreicht, dass das stetig grösser/kleiner werdende Volumen in den Warm-/ Kaltbereichen zwingend durch das dafür vorgesehene Antriebsgerät (Hydraulikmotor, Pumpe, Hydraulikzylinder) geleitet wird, und dort mechanische Arbeit verrichtet. Bei entsprechender Dimensionierung kann das drucktrennende Gerät gleichzeitig Leistung abgeben (z. B. Patentanspruch 4).Through consistent pressure separation between hot and cold areas by hydraulic Devices is achieved that the steadily increasing / decreasing volume in the warm / Cold areas are mandatory due to the drive unit provided (hydraulic motor, Pump, hydraulic cylinder) is directed, and there performed mechanical work. at Appropriate dimensioning, the pressure-separating device can simultaneously perform submit (e.g. claim 4).
Um den Wirkungsgrad des Systems zu erhöhen, kann mit Hilfe des Unterdrucks im Kaltbereich eine Flüssigkeit (z. B. Wasser) verdampft werden, um zusätzlich zur Kühlung beizutragen. Der günstige Druckbereich liegt bei mehren tausend Bar, jedoch sind die Preise für dafür geeignete Geräte noch sehr hoch. Handelsübliche hydraulische Geräte arbeiten in einem Druckbereich bis ca. 350 Bar.In order to increase the efficiency of the system, the vacuum in the Cold area a liquid (e.g. water) can be evaporated in addition to cooling contribute. The favorable pressure range is several thousand bars, but the prices are still very high for suitable devices. Commercial hydraulic devices work in a pressure range up to approx. 350 bar.
11
Wärmetauscher mit Hochdruckleitung für Medium (heisser Bereich)
Heat exchanger with high pressure line for medium (hot area)
22
Wärmetauscher mit für Medium (Kühl-Bereich)
Heat exchanger with for medium (cooling area)
33
Pumpe (Kaltbereich → Warmbereich)
Pump (cold area → warm area)
44
Pumpe (Warmbereich → Kaltbereich)
Pump (warm area → cold area)
55
Hydraulikmotor (zum Antrieb der Pumpen und zur Leistungsabgabe)
Hydraulic motor (for driving the pumps and for output)
66
mech. Getriebe (zur Drehzahlanpassung Hydraulikmotor ↔ Pumpen)
mech. Gearbox (for speed adjustment hydraulic motor ↔ pumps)
77
Volumenausgleichbehälter
Volume control tank
88th
flüssiges Medium (. . .)
liquid medium (...)
99
Hydraulikmotor in Ansaugleitung (Option)
Hydraulic motor in the intake line (option)
Temperatur Warmbereich 60°C
Temperatur Kaltbereich 20°C
Ausdehnungsfaktor Medium 0,001/°C
Mediumvol. Warmbereich 1000 ccm
Mediumvol. Kaltbereich 1000 ccmTemperature warm area 60 ° C
Temperature cold area 20 ° C
Expansion factor medium 0.001 / ° C
Mediumvol. Warm area 1000 cc
Mediumvol. Cold area 1000 cc
Beide Pumpen (3 + 4) sind so angeschlossen, daß die Druckseite zum Warmbereich (1), die Saugseite zum Kaltbereich (2) zeigt. Die Pumpen sind mechanisch so gekoppelt, dass bei Betätigung derselben jeweils das gleiche Mediumvolumen zwischen den beiden Druckbereichen ausgetauscht wird. Zwischen Warmbereich und Ausgleichsbehälter ist der Hydraulikmotor/Arbeitszylinder (5) geschaltet. Zwischen Ausgleichsbehälter und Kaltbereich kann nur eine Saugleitung oder ein zweiter Hydraulikmotor (9) geschaltet sein. Bei Eisatz eines Feder- oder Blasenspeichers kann auf den drucklosen Ausgleichsbehälter (7) und den zweiten Hydraulikmotor (9) verzichtet werden, da dann dieser die Funktion des temperaturabhängigen Gesamtvolumenausgleiches übernehmen kann.Both pumps ( 3 + 4 ) are connected so that the pressure side faces the warm area ( 1 ) and the suction side faces the cold area ( 2 ). The pumps are mechanically coupled in such a way that when they are actuated, the same volume of medium is exchanged between the two pressure ranges. The hydraulic motor / working cylinder ( 5 ) is connected between the hot area and the expansion tank. Only one suction line or a second hydraulic motor ( 9 ) can be connected between the expansion tank and the cold area. If a spring or bladder accumulator is used, the pressureless expansion tank ( 7 ) and the second hydraulic motor ( 9 ) can be dispensed with, since this can then take over the function of temperature-dependent total volume compensation.
Durch erhitzen des Warmbereiches (1) dehnt sich das darin befindliche flüssige Medium (8) aus, es baut sich Druck auf. Die mechanisch gekoppelten Pumpen (3 + 4) verhindern, daß mehr Medium vom Warmbereich (1) in den Kaltbereich (2) fliessen kann als umgekehrt. Das nun überschüssige Medium kann nur über den Hydraulikmotor(5) abfliessen und leistet dabei Arbeit, indem dieser angetrieben wird. Der Hydraulikmotor (5) wiederum betreibt die gekoppelten Pumpen (3 + 4), so daß ständig kaltes Medium in den Warmbereich eingepumpt und die gleiche Menge warmes Medium (welches bereits Arbeit geleistet hat) aus diesem Bereich ausgepumpt wird. Die Folge ist eine ständige Volumenvergrößerung des Mediums im Warmbereich.By heating the warm area ( 1 ), the liquid medium ( 8 ) in it expands and pressure builds up. The mechanically coupled pumps ( 3 + 4 ) prevent more medium from flowing from the warm area ( 1 ) into the cold area ( 2 ) than vice versa. The now excess medium can only flow off via the hydraulic motor ( 5 ) and does work by driving it. The hydraulic motor ( 5 ) in turn operates the coupled pumps ( 3 + 4 ), so that cold medium is constantly pumped into the warm area and the same amount of warm medium (which has already done work) is pumped out of this area. The result is a constant volume increase of the medium in the warm area.
Genau das Gegenteil der oben beschriebenen Vorgänge läuft zeitgleich im Kaltbereich ab.Exactly the opposite of the processes described above runs simultaneously in the cold area from.
Das Betreiben der mechanisch gekoppelten Pumpen ist ein quasi druckloses Umpumpen in den jeweils anderen Druckbereich, da sich die Kräfte an den gekoppelten Wellen der Pumpen aufheben. Eine der beiden Pumpen arbeitet dabei im "Rückwärtsbetrieb" und muss entsprechend dafür geeignet sein (z. B. Zahnradpumpe, Hydraulikmotor, . . .). Wichtig ist auch, dass Komponenten mit möglichst wenig Verlusten (Reibung, Leckstrom) eingesetzt werden, die andererseits für möglichst hohen Druck/Unterdruck geeignet sind.The operation of the mechanically coupled pumps is quasi depressurized Pumping into the other pressure range, since the forces on the Remove the coupled shafts of the pumps. One of the two pumps works in the "Reverse operation" and must be suitable for this (e.g. gear pump, Hydraulic motor,. , .). It is also important that components with as little as possible Losses (friction, leakage current) are used, on the other hand for possible high pressure / negative pressure are suitable.
Die Volumina der Warm- bzw. Kaltbereiche müssen gross genug sein, um das Medium während des durchpumpens lange genug erwärmen/kühlen zu können. Dies wiederum ist abhängig davon, wieviel Kontaktoberfläche zur Wärmequelle pro ccm Medium zur Verfügung steht(bei Tests ca. 3 bis 9/cm (cm2/cm3) Metalloberfläche). Dies wird in der Regel durch entsprechenden Rohrdurchmesser und Länge im Wärmetauscher (1 + 2) erreicht, wobei auch mehrere Spiralen parallel geschaltet werden können um den Durchflusswiderstand zu verringern. The volumes of the warm and cold areas must be large enough to be able to heat / cool the medium long enough during pumping. This in turn depends on how much contact surface to the heat source is available per ccm medium (in tests approx. 3 to 9 / cm (cm 2 / cm 3 ) metal surface). This is usually achieved by using the appropriate pipe diameter and length in the heat exchanger ( 1 + 2 ), whereby several spirals can also be connected in parallel to reduce the flow resistance.
Der Wirkungsgrad des Systems wird entscheidend durch den Druck beeinflusst, mit dem der heisse Hochdruckteil (bzw. Unterdruck im Kaltteil) belastet wird. Dieser Druck ist proportional zu einer angehängten Last am Hydraulikmotor (Arbeitszylinder).The efficiency of the system is decisively influenced by the pressure with where the hot high pressure part (or negative pressure in the cold part) is loaded. This Pressure is proportional to a load attached to the hydraulic motor (Working cylinder).
Wichtig ist es, an geeigneter Stelle einen Volumen-Ausgleichsbehälter (z. B. Federspeicher oder druckloses Ausgleichs-Gefäss) anzuschliessen, da sich das Gesamtvolumen des flüssigen Mediums mit der Durchschnittstemperatur des Gesamtsystems ändert.It is important to place a volume expansion tank (e.g. Spring accumulator or unpressurized expansion tank) to connect, since that Total volume of the liquid medium with the average temperature of the Overall system changes.
V1 = Umgepumptes Volumen pro Sekunde
V2 = Volumenausdehnung/Sekunde
DT = Differenztemperatur
P = Druck im Warmbereich (Annahme: Kaltbereich Drucklos)
F1 = Ausdehnugsfaktor des Mediums pro °C
Pout = abgegebene Leistung
Ppump = benötigte Pumpleistung (Reibung, Undichtigkeit) (Annahme: 50 Watt)
Peff = effektive Abgabeleistung des Systems
V1 = pumped volume per second
V2 = volume expansion / second
DT = differential temperature
P = pressure in the warm area (assumption: cold area without pressure)
F1 = expansion factor of the medium per ° C
Pout = output power
Ppump = required pumping power (friction, leakage) (assumption: 50 watts)
Peff = effective system output
(a) V2 = V1 . DT . F1
(a) V2 = V1. DT. F1
(b) Pout(Watt) = 9,8 N . P(Bar) . V2
(b) Pout (watts) = 9.8 N. P (bar). V2
(c) Pout(Watt) = 9,8 N . P(Bar) . V1(ccm/sec) . DT(°C) . F1
(c) Pout (watts) = 9.8 N. P (bar). V1 (ccm / sec). DT (° C). F1
(d) Peff(Watt) = Pout(Watt) - Ppump
(d) Peff (Watt) = Pout (Watt) - Ppump
12 Liter Medium werden pro Minute umgepumt, (200 ccm/sec) ergibt bei ca. 40°C
Temperaturunterschied zwischen Warm- und Kaltbereich eine Volumenausdehnung
von (a) 8 ccm/sec (200 ccm/sec . 40 . 0,001). Wird mit einem Druck von ca. 300 Bar
(ideal wäre viel mehr) gerechnet entsteht mechanische Leistung von (man stelle sich
einen Hydraulikzylinder mit A = 1 cm2, Hub = 8 cm/sec vor):
12 liters of medium are pumped per minute, (200 ccm / sec) results in a volume expansion of (a) 8 ccm / sec (200 ccm / sec. 40. 0.001) at a temperature difference of approx. 40 ° C between warm and cold areas. If a pressure of approx. 300 bar (ideally much more would be expected), mechanical power of (imagine a hydraulic cylinder with A = 1 cm 2 , stroke = 8 cm / sec):
(b) Pout = 9,8 N . 300(Bar) . 0,08 m/sec = 240 Nm/sec(Watt)
(b) Pout = 9.8 N. 300 (bar). 0.08 m / sec = 240 Nm / sec (watt)
(d) Peff = 240 Watt - 50 Watt = 190 Watt(d) Peff = 240 watts - 50 watts = 190 watts
Wird ein zweiter Hydaulikmotor/Arbeitszylinder (9) in die Saugleitung geschaltet, erhöht sich die Abgabeleistung entsprechend der Belastung (Unterdruck) im Kaltbereich. Zu beachten ist dann, dass die Pumpen (3 + 4) für die gesamte Druckdifferenz zwischen Warm- und Kaltbereich ausgelegt sein müssen.If a second hydraulic motor / working cylinder ( 9 ) is switched into the suction line, the output increases according to the load (negative pressure) in the cold area. It should then be noted that the pumps ( 3 + 4 ) must be designed for the entire pressure difference between the hot and cold areas.
Patentanspruch 4 ist weitgehend identisch mit Patentanspruch 3 bei folgenden Unterschieden: Die Hydraulikmotoren/Arbeitszylinder (5 + 9) entfallen, ein (verstellbares 1 : 1,04 +/-) mech. Getriebe/ Übersetzung (6) wird zwischen den beiden Pumpen (3 + 4) angebracht.Claim 4 is largely identical to claim 3 with the following differences: The hydraulic motors / working cylinders ( 5 + 9 ) are omitted, a (adjustable 1: 1.04 +/-) mech. Gearbox / transmission ( 6 ) is placed between the two pumps ( 3 + 4 ).
Bei richtiger Einstellung der Übersetzung wird das im Warmbereich vergrösserte Medium- Volumen über die rückwärtslaufende Pumpe/Hydraulikmotor abgegeben, welche dann die andere Pumpe antreibt. Die Abgabeleistung kann dabei an einer der Pumpenwellen abgenommen werden. Mindestens ein Volumenausgleichbehälter (7) ist erforderlich. If the ratio is set correctly, the medium volume increased in the warm area is delivered via the reverse running pump / hydraulic motor, which then drives the other pump. The output power can be taken from one of the pump shafts. At least one volume expansion tank ( 7 ) is required.
Zwischen einem beheizten und einem gekühlten Kolbenzylinder wird das flüssige Medium hin- und hergepumpt, wobei die Kolbenstangen mechanisch gekoppelt sind um durch die sich aufhebenden Kräfte die beiden Druckbereiche voneinander zu trennen. Das sich vergössernde Volumen im Heizzylinder wird zwangsweise durch das Ventilsystem zum Hydraulikmotor (M1) geleitet. Der im Kühlzylinder durch Volumenverkleinerung entstehende Unterdruck saugt durch den anderen Hydraulikmotor (M2) Medium an, wodurch auch hier mechanische Arbeit geleistet wird. Der Pumphebel wird durch mechanische Kopplung von einem der Motoren betätigt.The liquid medium is between a heated and a cooled piston cylinder pumped back and forth, the piston rods being mechanically coupled to pass through lifting forces to separate the two pressure areas from each other. The enlarging Volume in the heating cylinder is forced into a hydraulic motor by the valve system (M1) passed. The negative pressure created in the cooling cylinder by volume reduction sucks in medium through the other hydraulic motor (M2), which means that mechanical Work is done. The pump lever is mechanically coupled from one of the Motors operated.
Der Vorteil gegenüber bekannten Systemen (Verbrennungsmotoren, Solarzellen . . .) besteht darin, dass einerseits keine Verbrennung von Kraftstoffen erforderlich ist (keine Abgase), andererseits jede vorhandene Wärme (z. B.: Sonne, Restwärme aller Art, Wärme von Verbrennungsmotoren, Erdwärme, Verbrennungswärme(z. B. Gas)) in mechanische Energie umgesetzt werden kann. Die mechanische Energie kann dann entweder direkt eingesetzt werden (z. B. heben von Lasten, Antriebe, betreiben von Pumpen . . .) oder wiederum in andere Energieformen umgeformt werden (z. B. Elektrizität . .).The advantage over known systems (internal combustion engines, solar cells ...) is in that on the one hand no combustion of fuels is required (no exhaust gases), on the other hand, any existing heat (e.g. sun, residual heat of all kinds, heat from Internal combustion engines, geothermal energy, combustion heat (e.g. gas)) in mechanical energy can be implemented. The mechanical energy can then either be used directly be (e.g. lifting loads, drives, operating pumps ...) or again in other forms of energy are transformed (e.g. electricity.).
Der Vorteil gegenüber thermodynamisch arbeitender Systeme mit gasförmigem Medium besteht darin, dass mit flüssigem Medium zum einen eine wesentlich höhere Druckdifferenz erzeugt werden kann, zum anderen dass bereits bei relativ geringen Temperaturdifferenzen (z. B. 40°C) bereits effektiv gearbeitet werden kann.The advantage over thermodynamically working systems with gaseous medium consists in that, on the one hand, a significantly higher pressure difference with liquid medium can be generated, on the other hand, even with relatively small temperature differences (e.g. 40 ° C) can already be worked effectively.
Claims (12)
- a) Die beiden Pumpen haben konstruktionsbedingt unterschiedliche Fördermengen.
- b) die beiden Pumpen können gleiche Fördermengen haben, sind aber mechanisch nicht starr, sondern über ein (verstellbares) Getriebe/Übersetzung miteinander verbunden.
- c) Kombinationen aus (a) und (b).
- a) The two pumps have different delivery rates due to their design.
- b) the two pumps can have the same delivery rates, but are not mechanically rigid, but connected to one another via an (adjustable) gearbox / transmission.
- c) combinations of (a) and (b).
- a) durch die oszillierende Bewegung der Zylinder bzw. Kolbenstangen, relativ zueinander
- b) über je zwei Rückschlagventile pro Flüssigkeits-System wird ein Hydraulikmotor oder Arbeitszylinder betrieben.
- c) bei zwischengeschalteten, geeigneten Pumpen an deren Antriebswelle.
- a) by the oscillating movement of the cylinders or piston rods, relative to each other
- b) A hydraulic motor or working cylinder is operated via two check valves per fluid system.
- c) with intermediate, suitable pumps on their drive shaft.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000142546 DE10042546A1 (en) | 2000-08-30 | 2000-08-30 | Method to convert heat energy/differential into mechanical energy utilizes variations in volume of fluids in the Carnot cycle with hydraulic appliances for energy conversion |
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DE (1) | DE10042546A1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3939779A1 (en) * | 1989-12-01 | 1991-06-06 | Wilhelm Haeberle | Heat-energy conversion process - uses fluids with low boiling point as working medium |
-
2000
- 2000-08-30 DE DE2000142546 patent/DE10042546A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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