DE10133153C1 - Anordnung von Gasausdehnungselementen und Verfahren zum Betreiben der Anordnung - Google Patents

Abstract

Eine Anordnung von Gasausdehnungselementen für eine Einrichtung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, umfasst zwei mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllte geschlossene Druckbehälter (9, 10), die mit der Einrichtung wirksam verbunden sind und eine obere Einspritzöffnung (7, 8) für Warm- und Kaltwasser aufweisen. Zwischen den beiden Druckbehältern (9, 10) ist eine Kurzschlussrohrleitung (11) mit mindestens einem steuerbaren Ventil (12, 13) zum Druckausgleich zwischen den Druckbehältern (9, 10) nach dem Verrichten der Arbeit des Gases bzw. Gasgemischs vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von Gasausdeh­ nungselementen für eine Einrichtung zum. Umwandeln von thermi­ scher in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwas­ sermotor, die zwei mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllte ge­ schlossene Druckbehälter umfasst, die mit der Einrichtung wirksam verbunden sind und eine obere Einspritzöffnung für Warm- und Kaltwässer aufweisen, und ein Verfahren zum Betrei­ ben der Anordnung.

Gase wandeln relativ viel Wärme bei Erhitzung und Ausdehnung in Arbeit um, wobei in schnellen Prozessen, wie etwa dem Stirlingprozess große Einbußen durch Dissipation, ungünstige Kolbensteuerung, Wärme- und Pendelverluste, Totraumeffekte, großen Regeneratorwiderstand und hohe Geschwindigkeiten ent­ stehen.

Aus der US-A-4 283 915 ist eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie bekannt, die jeweils eine Einspeisung für Warmwasser und eine für Kaltwasser umfasst, wobei eine bestimmte Temperaturdifferenz zwischen dem Warm- und dem Kaltwasser herrscht. Das Warm- und das Kaltwasser werden alternierend durch Rohre eines Wärmetauschers gelei­ tet, um eine Arbeitsflüssigkeit zu expandieren und zu kon­ traktieren. Der Arbeitszyklus wird oberhalb eines Siedepunk­ tes der Arbeitsflüssigkeit durchgeführt. Mittels Rückschlag­ ventilen wird ein relativ hoher Druck zur Betätigung der An­ ordnung sichergestellt. Hierbei erweist sich die Verwendung des Wärmetauschers als nachteilig, da ein solcher Rohr- Wärmetauscher bei einem großen technischen Aufwand lediglich einen stark begrenzten Wirkungsgrad aufweist und in Abhängig­ keit von der Beschaffenheit der ihn durch- und umströmenden Medien relativ störanfällig ist.

Darüber hinaus offenbart die DE 197 19 190 C2 eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in elektrische Energie, die aus einem Arbeitskreislauf mit einem Arbeitsfluid zum Antrieb ei­ ner Strömungsmaschine und aus einer Vielzahl von abwechselnd von einem kalten und warmen Medium durchströmten Wärmetau­ schern besteht. In den Wärmetauschern ist jeweils ein sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums ausdehnendes und zusammenziehendes Ausdehnungselement angeordnet, dessen tem­ peraturbedingten Ausdehnungen und Kontraktionen über einen Puffer-Speicher dem Arbeits-Kreislauf zugeführt werden. Zur Speicherung einer Kraft ist jedem Wärmetauscher ein als Feder ausgebildeter Puffer-Speicher zugeordnet, wobei jede Feder mit dem Kolben eines Druckzylinders verbunden ist, dessen Ar­ beitsraum jeweils über steuerbare Ventile über Saug- und Druckleitungen mit einem Arbeits-Ölkreislauf verbunden ist, der eine Turbine mit einem Generator antreibt. Diese Anord­ nung weist einen relativ komplexen Aufbau, insbesondere durch die als Federn ausgeführten Puffer-Speicher, auf und umfasst die zuvor erläuterten Nachteile eines Wärmetauschers.

Im Weiteren ist aus der WO 00/53898 ein Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motori­ sche Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, beste­ hend aus einem mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllten ge­ schlossenen Druckbehälter, der über einen verschiebbaren Kol­ ben mit der Anordnung wirksam verbunden ist, bekannt. Der Druckbehälter weist eine obere Einspritzöffnung für Heiß- und Kaltwasser und eine untere Wasserablauföffnung auf. Ein Warm­ wassermotor umfasst jeweils Zweiergruppen von Druckbehältern mit zugeordneten Flüssigkolbenpumpen, die einen Arbeitskreis­ lauf einer Wasserturbine beaufschlagen. Während eines ersten Kreisprozesses ist in dem ersten Druckbehälter ein warmes, expandierendes Gas oder Gasgemisch vorhanden und der zweite Druckbehälter enthält ein kaltes, kontraktierendes Gas oder Gasgemisch. Bei einem folgenden zweiten Kreisprozess wird das Gas oder Gasgemisch des ersten Druckbehälters durch Einsprit­ zen von kaltem Wasser abgekühlt und das Gas oder Gasgemisch des zweiten Druckbehälters durch Einspritzen von Heißwasser erwärmt, damit sich die Gasvolumina entsprechend ändern. So­ mit wird beispielsweise das gesamte noch Heißwasser enthal­ tende Gasgemisch in dem ersten Druckbehälter mit kaltem Was­ ser ausgespült, bis die Temperatur in diesem Druckbehälter auf eine Ausgangshöhe zurückgeführt ist. Hierbei geht die noch vorhandene Wärmeenergie verloren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung von Gasausdeh­ nungselementen der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben der Anordnung zu schaffen, mit dem sich bei ge­ ringem technischen Aufwand eine relativ große Leistung erzielen lässt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe vorrichtungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen den beiden Druckbehältern eine Kurz­ schlussrohrleitung mit mindestens einem steuerbaren Ventil zum Druckausgleich zwischen den Druckbehältern nach dem Ver­ richten der Arbeit des Gases bzw. Gasgemischs vorgesehen ist.

Am Ende der Arbeitsphase herrscht zwischen den beiden Druck­ behältern eine Druckdifferenz. Aufgrund der vorhandenen Druckdifferenz zwischen dem warmen Gasgemisch des einen Druckbehälters und dem kalten Gasgemisch des anderen Druckbe­ hälters findet nach dem Öffnen des gesteuerten Ventils ein Druckausgleich zwischen den beiden Druckbehältern statt, bei dem aufgrund der Wärmeströmung die in dem einen Druckbehälter noch vorhandene Wärmeenergie zur Erwärmung des Gasgemisches des anderen Druckbehälters bis zur Ausgleichstemperatur aus­ genutzt wird. Gleichzeitig steigt die Gasmenge in dem Druck­ behälter mit dem expandierenden Gas bzw. Gasgemisch, womit eine Steigerung der Druckdifferenz zwischen den beiden Druck­ behältern und damit eine Leistungserhöhung einhergeht. Das Ventil wird nach dem Verrichten der Arbeit des Gasgemischs durch entsprechendes Expandieren bzw. Kontraktieren und dem damit verbundenen Antreiben eines verschiebbaren Kolbens des Warmwassermotors geöffnet, wobei der Kolben als Flüssigkol­ benpumpe ausgebildet sein kann. Da das in einem ersten Kreis­ prozess erwärmte Gasgemisch in einem darauffolgenden zweiten Kreisprozess abgekühlt wird, ist es erforderlich die Tempera­ tur des Gasgemischs dieses Behälters unterhalb der Aus­ gleichstemperatur abzusenken, wobei die vorhandene Restwärme des Gasgemischs zur Erwärmung des abgekühlten und nunmehr zu erwärmenden Gasgemischs verwendet wird. Die Restwärme geht somit nicht ungenutzt verloren, weshalb mit einem relativ ge­ ringen technischen Aufwand eine relativ große Leistung er­ zielt wird. Die Restwärme gelangt auch nicht in den Arbeits­ kreislauf des Warmwassermotors, dem sie wieder entzogen wer­ den müsste. Darüber hinaus befindet sich in dem jeweils zu erwärmenden Druckbehälter eine größere Menge des Gasgemischs, das letztendlich die Arbeit zum Antrieb des Warmwassermotors durch seine Expansion verrichtet, und gleichzeitig ist die Menge des abzukühlenden Gasgemischs in dem anderen Druckbe­ hälter geringer und die Absenkung des Ausgangsdruckes gegen­ über einer konventionellen Anordnung größer, was zu einer Verschiebung eines entsprechenden p-V Diagramms in die ge­ wünschte Richtung führt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kurzschlussrohrleitung im oberen Bereich der Druckbehälter angeordnet. In diesem Bereich der Druckbehälter, in dem sich ein Flansch oder ein Deckel befindet, ist weder Warm- noch Kaltwasser vorhanden, weshalb das Gasgemisch ungestört durch das geöffnete Ventil in die Kurzschlussrohrleitung gelangen kann. Im Weiteren befindet sich das Gasgemisch mit der höchs­ ten Temperatur annähernd in diesem Bereich.

Um große Toträume in den Druckbehältern zu vermeiden, ist be­ vorzugt jeweils ein steuerbares Ventil im unmittelbar an den zugeordneten Druckbehälter anschließenden Bereich in der Kurzschlussrohrleitung angeordnet.

Zur Reduzierung der Wärmeverluste ist zweckmäßigerweise die Kurzschlussrohrleitung mit den Ventilen wärmeisoliert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Betreiben einer Anordnung nach Anspruch 1, bei der in die Druckbehälter abwechselnd Warm- und Kaltwasser eingespritzt wird, dadurch gelöst, dass nach der Übertragung der Arbeit des Gases oder Gasgemischs eines der Druckbehälter das Gas oder Gasgemisch durch Öffnen des steuerbaren Ventils über die Kurzschlussrohrleitung in den jeweils anderen Druckbehälter geleitet wird.

Nachdem das Gasgemisch aufgrund seiner durch Wärme- oder Käl­ tebeaufschlagung erfolgenden Expansion oder Kontraktion den verschiebbaren, als Flüssigkolbenpumpe ausgebildeten Kolben des Warmwassermotors in eine vorbestimmte Lage gebracht hat, wird das Ventil in der Kurzschlussrohrleitung zum Druckaus­ gleich zwischen den beiden Druckbehältern geöffnet und durch die herrschende Konvektion des warmen Gasgemischs stellt sich zwischen beiden Druckbehältern eine Ausgleichstemperatur ein. Damit ergibt sich eine wesentliche Steigerung der Leistung der nach dem der erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen An­ ordnung, da der vorhandene Restdruck und die vorhandene Rest­ wärmeenergie des Gasgemischs des einen Druckbehälters zur Druckerhöhung und zur Erwärmung des Gasgemischs des anderen Druckbehälters genutzt wird.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach der Übertragung der nutzbaren Expansionsarbeit des Gases oder Gasgemischs eines Druckbehälters ein Teil des Gases oder Gasgemischs in den anderen Druckbehälter geleitet. Da eine wirtschaftlich sinnvolle Arbeitsphase des Gasgemischs nicht der gesamten Expansionsdauer des Gasgemischs entspricht, wird durch das Öffnen des Ventils die Arbeitsphase, also die nutz­ bare Expansionsarbeit des Gasgemischs, beendet und dessen Restenergie zur Druckerhöhung und zur Erwärmung des Gasge­ mischs des anderen Druckbehälters verwendet.

Zweckmäßigerweise werden zwei steuerbare Ventile der Kurz­ schlussrohrleitung annähernd gleichzeitig geöffnet und ge­ schlossen. Somit kann der Druckausgleich, der eine Wärmeströ­ mung von dem einen zu dem anderen Druckbehälter zur Folge hat, gezielt gesteuert werden und der Totraum in der Kurz­ schlussrohrleitung ist minimiert.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachste­ hend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinatio­ nen verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfin­ dung zu verlassen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spieles unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen nä­ her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 eine Darstellung eines Diagramms zur Repräsentation eines Kreisprozesses der Anordnung und

Fig. 3 eine Darstellung eines Druck-Zeit-Diagramms zur Rep­ räsentation des Kreisprozesses der Anordnung.

Die Anordnung umfasst einen Vorratsbehälter 1 für Wasser mit einer Füllstandsanzeige 2, der über Rohrleitungen 3 mit einer Kühl- 4 und einer Heizeinrichtung 5 verbunden ist. Von der Kühl- 4 und der Heizeinrichtung 5 führt jeweils ein Rohr 6 zu einer gesteuerten Einspritzöffnung 7, 8 eines Druckbehälters 9, 10. Die geschlossenen Druckbehälter 9, 10 sind mit einem Gasgemisch gefüllt. Zwischen den beiden Druckbehältern 9, 10 ist eine Kurzschlussrohrleitung 11 angeordnet, die im Bereich jedes Druckbehälters 9, 10 ein steuerbares Ventil 12, 13 auf­ weist. Am unteren Ende jedes Druckbehälters 9, 10 ist eine Auslauföffnung 14, 15 vorgesehen, die mit einem Arbeitskreis­ lauf 16, der zwei Flüssigkolbenpumpen 17, 18 eines Warmwas­ sermotors und eine Turbine 19 mit Generator umfasst, gekop­ pelt ist. Im Weiteren ist in den mit dem Vorratsbehälter 1 über eine Leitung 20 in Verbindung stehenden Arbeitskreislauf 16 eine Pumpe 21 eingesetzt.

Zum Betreiben der Anordnung wird in der Heizeinrichtung 5 Warmwasser aufbereitet, das über die erste Einspritzöffnung 7 in den ersten Druckbehälter 9 gelangt. Beim Einsprühen des Warmwassers in den ersten Druckbehälter 9 expandiert das Gas­ gemisch und verrichtet über einen verschiebbaren Kolben 22 der ersten Flüssigkolbenpumpe 17 Arbeit, die über den Ar­ beitskreislauf 16 der Turbine 19 zur Umwandlung thermischer Energie zugeführt wird. Nach dem Druckanstieg und dem nach der Kolbendisplazierung der ersten Flüssigkolbenpumpe 17 ent­ sprechenden Druckabfall im ersten Druckbehälter 9 fällt das Wasser aus, das über die zugeordneten Auslauföffnung 14 abge­ lassen wird. Gleichzeitig wird in der Kühleinrichtung 4 Kalt­ wasser aufbereitet, das über die zweite Einspritzöffnung 8 in den zweiten Druckbehälter 10 gelangt. Beim Einsprühen des Kaltwassers in den zweiten Druckbehälter 10 kontraktiert das Gasgemisch und verrichtet ebenfalls über den verschiebbaren Kolben 22 der zweiten Flüssigkolbenpumpe 18 Arbeit. Nach der Übertragung der nutzbaren Expansions- bzw. Kontraktionsarbeit des Gasgemischs werden die beiden Ventile 12, 13 der Kurz­ schlussrohrleitung 11 geöffnet und aufgrund des Druckaus­ gleichs wird ein Temperaturausgleich bis zu einer Ausgleichs­ temperatur zwischen dem ersten Druckbehälter 9 und dem zwei­ ten Druckbehälter 10 bewirkt. Anschließend wird in den zwei­ ten Druckbehälter 10 Warmwasser und in den ersten Druckbehäl­ ter 9 Kaltwasser eingesprüht. Dadurch, dass sich die Gasgemi­ sche beider Druckbehälter 9, 10 auf der Ausgleichstemperatur befinden, ist ein unnötiges Erwärmen bzw. Kühlen des jeweili­ gen Gasgemischs nicht erforderlich, wodurch die Anordnung ei­ ne relativ große Leistung aufweist.

Im p-V-Diagramm nach Fig. 2 ist der Kreisprozess einer kon­ ventionellen Anordnung dem einer erfindungsgemäßen Anordnung beispielhaft schematisch gegenübergestellt, wobei die Druck- Temperaturkurven einer konventionellen Anordnung mit durchge­ zogenen Linien und die der erfindungsgemäßen Anordnung mit gestrichelten Linien dargestellt sind. Demnach ist die durch eine konventionelle Anordnung geleistete Arbeit W' kleiner als die durch eine erfindungsgemäße Anordnung geleistete Ar­ beit W.

Das Druck-Zeit-Diagramm (p-t) gemäß Fig. 3 zeigt anfangs ei­ nen konventionellen Verlauf des Prozesses, bei dem der Druck p'_max des ersten Druckbehälters 8 bis auf den Druck P'_min ab­ fällt, wobei zum Zeitpunkt t_e kaltes Wasser eingespritzt wird und das Gasgemisch in der Zeitspanne Δt_a Arbeit verrichtet. Der Druck des zweiten Druckbehälters 10 steigt von dem Druck p'_min auf den Druck p'_max an, wobei zum Zeitpunkt t_e Heißwasser in den zweiten Druckbehälter 10 eingespritzt wird und das Gasgemisch in der Zeitspanne Δt_a ebenfalls Arbeit zum Antrei­ ben der Flüssigkolbenpumpe 14 verrichtet. Während der Zeit­ spanne Δt_l wird keine Arbeit verrichtet und der Restdruck in den Druckbehältern 9, 10 geht für das System verloren. Nach der Kopplung des ersten Druckbehälters 9 mit dem zweiten Druckbehälter 10 mittels der Kurzschlussrohrleitung 11 werden zum Zeitpunkt t_k die Ventile 12, 13 geöffnet und es findet ein Druckausgleich zwischen dem ersten Druckbehälter 9 und dem zweiten Druckbehälter 10 statt. Sonach befindet sich in dem ersten Druckbehälter 9 mit dem nunmehr expandierenden Gasgemisch eine relativ große Menge des Gasgemischs und in dem zweiten Druckbehälter 10 eine demgegenüber reduzierte Menge des Gasgemischs. Gleichzeitig stellt sich in den Druck­ behältern 9, 10 aufgrund der Wärmeströmung annähernd eine Ausgleichstemperatur ein. Nach dem Druckausgleich durch den Kurzschluss der beiden Druckbehälter 9, 10 wird zum Zeitpunkt t_e Heiß- bzw. Kaltwasser eingespritzt, worauf aufgrund der unterschiendlichen Mengenverteilung des Gasgemischs der Druck p_max bzw. p_min im entsprechenden Druckbehälter 9, 10 und somit die Druckdifferenz Δp gegenüber dem konventionellen Verlauf des Prozesses erzielt wird.

Claims (7)

1. Anordnung von Gasausdehnungselementen für eine Einrich­ tung zum Umwandeln von thermischer in motorische Ener­ gie, insbesondere für einen Warmwassermotor, die zwei mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllte geschlossene Druckbehälter (9, 10) umfasst, die mit der Einrichtung wirksam verbunden, sind und eine obere Einspritzöffnung (7, 8) für Warm- und Kaltwasser aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Druckbehältern (9, 10) eine Kurzschlussrohrleitung (11) mit mindestens einem steuerbaren Ventil (12, 13) zum Druckausgleich zwischen den Druckbehältern (9, 10) nach dem Verrichten der Arbeit des Gases bzw. Gasgemischs vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, da durch gekenn­ zeichnet, dass die Kurzschlussrohrleitung (11) im oberen Bereich der Druckbehälter (9, 10) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass jeweils ein steuerbares Ventil (12, 13) im unmittelbar an den zugeordneten Druckbehälter (9, 10) anschließenden Bereich in der Kurzschlussrohrleitung (11) angeordnet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussrohrlei­ tung (11) mit den Ventilen (12, 13) wärmeisoliert ist.

5. Verfahren zum Betreiben einer Anordnung nach Anspruch 1, bei der in die Druckbehälter (9, 10) abwechselnd Warm- und Kaltwasser eingespritzt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, dass nach der Übertragung der Ar­ beit des Gases oder Gasgemischs eines der Druckbehälter (9, 10) das Gas oder Gasgemisch durch Öffnen des steuer­ baren Ventils (12, 13) über die Kurzschlussrohrleitung (11) in den jeweils anderen Druckbehälter (9, 10) gelei­ tet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass nach der Übertragung der nutzbaren Expansionsarbeit des Gases oder Gasgemischs eines Druck­ behälters (9, 10) ein Teil des Gases oder Gasgemischs in den anderen Druckbehälter (9, 10) geleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zwei steuerbare Ventile (12, 13) der Kurzschlussrohrleitung (11) annähernd gleichzei­ tig geöffnet und geschlossen werden.