DE10123078C1

DE10123078C1 - Hot gas motor with screw rotor has compression and expansion of working medium taking place in only one rotor

Info

Publication number: DE10123078C1
Application number: DE2001123078
Authority: DE
Inventors: Ulrich Zuberbuehler; Ralf Konz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2021-05-12

Abstract

The motor has the compression and expansion of the working medium (6) taking place inside one of the components, namely the screw rotor which carries the main and auxiliary drives (1.1, 1.2). Several isolated volume elements form between the tooth flanks of the rotor and the casing wall., of which some are compressing and others expanding as the rotor rotates.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, die es ermöglicht, aus einem heißen Gas me chanische Arbeit zu gewinnen.The invention relates to a heat engine that allows me from a hot gas winning chan work.

Technisch realisierte Wärmekraftmaschinen basieren auf thermodynamischen Kreisprozessen, die sich sowohl im PV-, als auch im TS-Diagramm darstellen lasen. Die Funktionsweise von Wär mekraftmaschinen ist in der einschlägigen Literatur ausführlich beschrieben. Bei der Realisierung technischer Wärmekraftmaschinen dominieren zwei Bauarten: die Kolbenmaschinen und die Strömungsmaschinen. Kolbenmaschinen werden wegen des begrenzten Volumens bevorzugt bei hohen Drücken eingesetzt, z. B. als Stirlingmotor. Als Kolbenmaschinen ausgeführt, sind zahlrei che Bauformen bekannt, die alle ähnliche Probleme, wie z. B. begrenzte Bauvolumen, Dichtung bei hohen Drücken, stake mechanische Beanspruchung und Unwuchten aufweisen.Technically implemented heat engines are based on thermodynamic cycle processes can be shown in both the PV and TS diagrams. How does Wär Mekraft machines is described in detail in the relevant literature. When realizing Technical heat engines dominate two types: the piston machines and the Turbomachinery. Piston engines are preferred because of the limited volume high pressures used, for. B. as a Stirling engine. There are numerous piston machines che designs known that all similar problems, such as. B. limited volume, seal exhibit high mechanical stress and unbalance at high pressures.

Im Bereich der Strömungsmaschinen, z. B. bei der Realisierung eines Joule-Prozesses, wird ein Arbeitmittel verdichtet, erhitzt, expandiert und wieder abgekühlt. Beim geschlossenen Gasturbi nenprozess, werden in der Regel zwei getrennte Strömungsmaschinen (Verdichter und Turbine) eingesetzt. Zwischen Verdichter und Turbine wird auf der Hochdruckseite in einem Wärmetau cher Wärme zugeführt. Auf der Niederdruckseite erfolgt mittels Kühler die Wärmeabfuhr. Der Nachteil von Strömungsmaschinen besteht im hohen technischen Aufwand bei der Herstellung und beim Betrieb dieser Anlagen, weshalb sich diese im Leistungsbereich kleiner 1 MW nicht durchgesetzt haben. Im größeren Leistungsbereichen ab ca. 10 MW haben die Strömungsmaschi nen gegenüber den Kolbenmaschinen deutliche Vorteile (z. B. Baugröße).In the field of turbomachines, e.g. B. in the implementation of a Joule process, a Working fluid compresses, heats, expands and cools down again. With the closed gas turbine process, two separate turbo machines (compressor and turbine) are usually used. Between the compressor and the turbine there is a heat rope on the high pressure side cher supplied heat. The heat is dissipated on the low pressure side by means of a cooler. The The disadvantage of turbomachines is the high technical effort involved in their manufacture and when operating these systems, which is why they do not differ in the power range below 1 MW have prevailed. The flow machines have larger power ranges from approx. 10 MW Native advantages over piston machines (e.g. size).

Um die Vorteile der Strömungsmaschinen gegenüber den Kolbenmaschinen auch im kleinen Leistungsbereich zu nutzen, stehen diverse Rotationsmaschinen, wie z. B. Flügelzellenrotor, Roots-Gebläse, Wankelmotor und Schraubenrotor zur Verfügung. Die Rotationsmaschinen kön nen sowohl als Verdichter als auch als Expansionsmaschine eingesetzt werden. Der Vorteil ge genüber den Kolbenmaschinen besteht im quasikontinuierlichen Fördervolumenstrom der damit erzielt werden kann. Das technische Problem bei fast allen Rotationsmaschinen besteht in der Abdichtung der volumenbegrenzenden Elemente.To the advantages of turbomachines over piston machines even on a small scale To use performance range, there are various rotary machines, such as. B. vane rotor, Roots blower, Wankel motor and screw rotor available. The rotary machines can NEN can be used both as a compressor and as an expansion machine. The advantage ge Compared to the piston machines, the quasi-continuous flow rate is the same can be achieved. The technical problem with almost all rotary machines is that Sealing the volume-limiting elements.

In den Patentschriften EP 0803639 und US 6109040 sowie US 5605124 werden verschiedene Heißgasmaschinen beschrieben. In allen drei Patenschriften werden dazu Rotationsmaschinen wie Wankel- oder Schraubenrotoren eingesetzt, wobei die Verdichtung und Expansion in getrennten Maschinenteilen erfolgt. Beim Patent EP 0803639 wird eine Trennung von Verdichtungs- und Expansionsteil durch eine Anordnung von mindestens drei oder mehr ineinandergreifenden Roto ren realisiert. Abweichend davon, wurde in der Patentschrift DE 199 33 575 A1 eine Heißluftma schine beschrieben, die lediglich mit einem Flügelzellenrotor auskommt, der getrennte Volumen für Verdichtung und Expansion bereit stellt.In the patents EP 0803639 and US 6109040 and US 5605124 various Hot gas machines described. Rotation machines such as Wankel or screw rotors used, the compression and expansion in separate Machine parts done. In the patent EP 0803639 a separation of compression and Expansion part by an arrangement of at least three or more interlocking roto ren realized. Deviating from this, a hot air machine was described in the patent DE 199 33 575 A1 machine described, which only needs one vane rotor, the separate volume for compression and expansion.

Der hier beschriebene Heißgasmotor besteht aus einem Schraubenrotor mit einen Hauptläufer (1.1) und einem Nebenläufer (1.2), wie sie in Fig. 1 und Fig. 2 skizziert sind und üblicherweise bei Schraubenverdichtern eingesetzt werden. Geeignet sind asymetrische Profile mit einer Profil zähnekombination von 5 + 7, einem Verwindungswinkel zwischen 280° bis 330° und einem Längen/Durchmesserverhältnis von 1 bis 2,5. Am Läuferpaar des Schraubenrotors besteht die Möglichkeit, durch geeignete Wahl der Steuerkanten (5) an den Ein- (3) und Auslassöffnungen (4), zwischen den Zahnflanken und dem Gehäuse (2), abgegrenzte Volumenbereiche zu erzeugen, in denen bei stetiger Drehung (im gleichen Läuferpaar) verdichtet und entspannt werden kann. Im Betrieb verlässt das verdichtete Arbeitsmittel den Schraubenrotor über den Auslass (4) und wird im Wärmetauscher erhitzt, wodurch eine Temperaturerhöhung erfolgt. Thermodynamisch gibt es zwei Grenzfälle, wie sich die Wärmezufuhr in diesem Fall auswirkt. Falls sich das Volu men nicht vergrößern kann, erfolgt die Wärmezufuhr isochor, was eine Drucksteigerung bewirkt. Im anderen Grenzfall, wenn eine Volumenänderung zugelassen wird, erfolgt die Wärmezufuhr isobar, was eine Volumenvergrößerung zur Folge hätte. Die reale Zustandsänderung am beschrie benen Heißgasmotor liegt zwischen diesen beiden Grenzfällen, da nach der Wärmezufuhr sofort die Expansion des Gases folgt und somit eine begrenzte Volumenvergrößerung zugelassen wird. Nach der Wärmezufuhr, die außerhalb der Schraubenmaschine in einem Wärmetauscher (7) erfolgt, wird das Arbeitsmittel wieder der Schraubenmaschine über die Einlassöffnung (3) zuge führt und dort entspannt, wobei das Arbeitsmittel seine Energie in Form von Arbeit abgibt. Nach der Expansion verbleibt das Arbeitsmittel kurze Zeit im nun beidseitig abgeschlossen Zahnlü ckenvolumen, wo es abkühlen kann, bis es bei weiterer Drehung des Rotors wieder verdichtet wird. Die Abkühlung des Arbeitsmittels erfolgt durch die kalten Wände des Rotorgehäuses (2). Die Kühlung des Rotorgehäuses (2) kann z. B. mittels Kühlrippen oder aber durch Kühlmittel durchströmte Kanäle im Rotorgehäuse (2) erfolgen. Eine Kühlung der Läuferwellen ist ebenfalls möglich.The hot gas engine described here consists of a screw rotor with a main rotor ( 1.1 ) and a secondary rotor ( 1.2 ), as they are outlined in Fig. 1 and Fig. 2 and are usually used in screw compressors. Asymmetrical profiles with a profile tooth combination of 5 + 7, a torsion angle between 280 ° to 330 ° and a length / diameter ratio of 1 to 2.5 are suitable. On the pair of rotors of the screw rotor, there is the possibility of creating delimited volume ranges in which, with constant rotation, () with a suitable choice of the control edges ( 5 ) at the inlet ( 3 ) and outlet openings ( 4 ), between the tooth flanks and the housing ( 2 ) in the same pair of runners) can be compressed and relaxed. During operation, the compressed working fluid leaves the screw rotor via the outlet ( 4 ) and is heated in the heat exchanger, causing the temperature to rise. Thermodynamically, there are two limit cases as to how the heat supply affects this case. If the volume cannot increase, the heat is supplied isochorically, which increases the pressure. In the other limit, when a change in volume is permitted, the heat is supplied isobarically, which would result in an increase in volume. The real change in the state of the hot gas engine described lies between these two borderline cases, since the expansion of the gas follows immediately after the supply of heat and thus a limited increase in volume is permitted. After the supply of heat, which takes place outside the screw machine in a heat exchanger ( 7 ), the working medium is fed back to the screw machine via the inlet opening ( 3 ) and is relaxed there, the working medium releasing its energy in the form of work. After expansion, the working medium remains in the tooth space, which is now closed on both sides, for a short time, where it can cool down until it is compressed again when the rotor is turned again. The working fluid is cooled by the cold walls of the rotor housing ( 2 ). The cooling of the rotor housing ( 2 ) can, for. B. by means of cooling fins or through which coolant flows channels in the rotor housing ( 2 ). Cooling of the rotor shafts is also possible.

Bei der Umsetzung des beschriebenen Konzeptes kommt der Lösung der Dichtungsprobleme zwischen den ineinandergreifenden Zahnflanken des Läuferpaares (1.1 & 1.2) und den Gehäuse wänden (2) entscheidende Bedeutung zu. Real müssen hier minimale Spalte vorhanden sein, die aber groß genug sind, um thermische Ausdehnungen, Fertigungstolleranzen und Verformungen zuzulassen. Bei den bekannten Schraubenverdichten wird das Dichtungsproblem z. B. durch die Eindüsung von Wasser oder Öl in den zu komprimierenden Luftstrom minimiert. Die eingedüste Flüssigkeit bildet an den kalten Wandflächen einen Film und erfüllt dabei mehrere Funktionen, wie z. B. Dichtung, Kühlung und Schmierung. Beim beschrieben Heißgasmotor, wo das Arbeit mittel im geschlossenen Kreislauf geführt wird, besteht ebenfalls die Möglichkeit, dem gasförmi gen Arbeitsmittel eine Flüssigkeit zugegeben, die an den gekühlten Gehäusewänden kondensiert und dort einen Film bildet. Bei der Kompression, spätestens aber im externen Wärmetauscher verdampft diese Flüssigkeit und ist dann gasförmig im Arbeitsmittel enthalten, bis sie erneut an den kalten Gehäusewänden kondensiert.When implementing the concept described, the solution to the sealing problems between the interlocking tooth flanks of the rotor pair (1.1 & 1.2) and the housing walls ( 2 ) is of crucial importance. In reality, there must be minimal gaps here, but they are large enough to allow thermal expansion, manufacturing tolerances and deformations. In the known screw compression, the sealing problem is such. B. minimized by the injection of water or oil into the air stream to be compressed. The injected liquid forms a film on the cold wall surfaces and fulfills several functions, such as. B. sealing, cooling and lubrication. In the described hot gas engine, where the work is performed in a closed circuit, there is also the possibility of adding a liquid to the gaseous working medium, which condenses on the cooled housing walls and forms a film there. During compression, but at the latest in the external heat exchanger, this liquid evaporates and is then contained in gaseous form in the working fluid until it condenses again on the cold housing walls.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

1.11.1

Schraubenrotor (Hauptläufer)
Screw rotor (main rotor)

1.21.2

Schraubenrotor (Nebenläufer)
Screw rotor (secondary rotor)

22

Gehäuse
casing

33

Einlass (Expansionsseite)
Inlet (expansion side)

44

Auslass (Kompressionsseite)
Outlet (compression side)

55

Steuerkanten (Position und Länge bestimmen die Druck- und Volumenverhältnisse)
Control edges (position and length determine the pressure and volume ratios)

66

Arbeitsmittel
work equipment

77

Wärmetauscher
heat exchangers

Claims

1. Hot gas engine with screw rotor, characterized in that compression and expansion of the working medium takes place in only one screw rotor with a main ( 1.1 ) and a secondary rotor ( 1.2 ), the control edges ( 5 ) of the inlet and outlet opening being selected such that between the intermeshing runners and the housing ( 2 ), delimited volume elements are created which, when viewed in a constant direction of rotation, expand from the inlet opening ( 3 ) in succession, are briefly closed, then compressed and then reach the outlet opening ( 4 ), where the working fluid ( 6 ) leaves the screw rotor, is heated in a subsequent heat exchanger ( 7 ) and is returned to the screw rotor via the inlet opening ( 3 ), where it expands again, cools down on the cooled housing walls ( 2 ) and is compressed again.

2. Hot gas engine according to claim 1, characterized in that that a liquid is added to the working fluid on the cooled housing walls of the screw rotor condenses, during compression or at the latest in the heat exchanger evaporates and is therefore gaseous in the working fluid until it returns to the cooled Screw rotor housing occurs where condensate accumulates again.

3. Hot gas engine according to claim 1, characterized in that the coolant and lubricant are supplied through holes or channels in the housing and is removed from the work equipment at a suitable point using a cold trap.

4. Hot gas engine according to claim 1, characterized in that that there is an expansion tank in the working fluid circuit, which, depending on the temperature and pressure condition of the work equipment, absorb excess work equipment and at Be may give up again.

5. Hot gas engine according to claim 1, characterized in that the housing ( 2 ) of the screw rotor in addition to the inlet ( 3 ) and outlet opening ( 4 ) also has further openings through which a working fluid exchange can take place, which is then considered if z. B. reheating or cooling of the working fluid is to take place.