DE102004008093B4 - Verfahren zum Betreiben eines Druckgasmotors - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Druckgasmotors unter Nutzung von komprimierten Druckgasen als Energiespeicher und einer aus der Umgebung des Druckgasmotors gewonnenen Energiezufuhr, dadurch gekennzeichnet, daß
– ein Druckgasmotor (5) in Verbindung mit mindestens einer Wärmepumpenanlage (10) betrieben wird, bei der mindestens in einem geschlossenen Kreislauf ein Arbeitsmedium zirkuliert, das in einem ersten Wärmeübertrager (8) durch Umgebungswärme erwärmt wird und anschließend in einen angetriebenen Verdichter (7) durch einen Wärmekompressionsprozeß auf ein höheres Temperaturniveau erwärmt wird und das danach und über einen zweiten Wärmeübertrager (4) zur Übertragung der Wärme auf das Druckgas geführt und nach der Wärmeübertragung entspannt wird,
– das komprimierte Druckgas aus einem Energiespeicher (1; 1') in einem Expansionsventil/Mengenregelung (2, 3; 2', 3') geregelt und auf ein geringeres Druckniveau entspannt wird,
– das geregelte und entspannte Druckgas vor der Zuführung zum Druckgasmotor (5) über den Wärmeübertrager (4) der Wärmepumpenanlage (10) geführt wird,
– im Wärmeaustauscher (4) die...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Druckgasmotors unter Nutzung von komprimierten Druckgasen als Energiespeicher und einer aus der Umgebung des Druckgasmotors gewonnenen Energiezufuhr.
  • Die Entwicklung von Antriebsaggregaten, die wirtschaftlich, umweltfreundlich und emissionsfrei durch Umwandlung von potentieller Druckenergie in mechanische Energie betrieben werden, gewinnt in jüngster Zeit immer mehr an Bedeutung.
  • Aus der WO 98/32963 und der WO 98/15440 sind Verfahren bekanntgeworden, mit denen u.a. in einem Motor potentielle Druckenergie in mechanische Energie umgewandelt wird, wobei die potentielle Druckenergie aus einem Energiespeicher bezogen wird, der hochkomprimierte Luft enthält. Die aus dem Energiespeicher dem Motor zugeführte hochkomprimierte Luft wird nach diesen Verfahren durch Kompression von angesaugter Luft erwärmt, um den Arbeitsprozeß bei der Entspannung der hochkomprimierten Luft im Arbeitszylinder auf ein höheres Energieniveau zu heben.
  • Für diesen Kompressionsvorgang muß aber nach diesem Verfahrensablauf das System zunächst Energie aufbringen, um die Verdichtung und damit die Verdrängungswärme überhaupt zu ermöglichen. Da diese Energie aus dem Gesamtsystem selbst entnommen wird, wird nach diesem Verfahren die Energiebilanz im Bezug auf die abzugebende mechanische Leistung des Motors verschlechtert. Darüber hinaus treten infolge des hohen Anteils an bewegten Teilen Verlustleistungen in Folge von Reibung in den Lagern und Zylinderlaufbahnen sowie auch eine erhöhte Lagerlast auf, die ebenfalls die Energiebilanz negativ in Bezug auf die abzugebende Leistung beeinflussen.
  • Aus der DE 195 24 171 A1 ist eine Niedertemperatur-Wärmekraftmaschine bekannt, bei der ausschließlich im geschlossenen Kreislauf mit Hilfe des Wärmepumpenprinzips aus der Umgebung Energie in Form von Umgebungswärme dazu genutzt wird, die Energiedichte eines Mediums zu erhöhen, um daraus in einer Entspannungsmaschine mechanische Energie aus der potentionellen Druckenergie zu gewinnen. Dabei beschränkt sich diese Lösung ausschließlich auf die Nutzung von externer Wärme zur Umwandlung in mechanische Energie und läßt völlig offen, in welchem Verhältnis zugeführte Arbeit (Pumpe, Verdichter) und gewonnene mechanische Energie stehen werden, um eine sinnvolle Funktion zu gewährleisten. Der Einsatz dieser Niedertemperatur-Wärmekraftmaschine erscheint zum Einsatz als Antriebsmaschine zumindestens in Land- und Luftfahrzeugen nicht geeignet.
  • Aus der DE 30 10 389 A1 ist ein System zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Energie unter Nutzung der Umgebungsluft bekanntgeworden, nach dem mittels dem Prinzip einer Wärmepumpe eine Arbeitsmaschine in der Weise angetrieben wird, daß mindestens ein Kreislauf der aus einem Wärmeübertrager, einem Motor betätigten Kompressor sowie einer Arbeitsmaschine besteht, nacheinander von einem verflüssigbaren Gas als Kältemittel durchströmt wird, wobei das durchströmende Kältemittel im Wärmeübertrager Wärme aufnimmt, die im Kompressor unter Temperaturerhöhung komprimiert wird und sich anschliessend in der Arbeitsmaschine entspannt. Ein derartiger Verfahrensablauf ist an stationäre Standorte gebunden und für den Antrieb im mobilen Einsatz völlig ungeeignet.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren zum Betreiben eines Druckgasmotors zu schaffen, das auch für den mobilen Einsatz geeignet ist, sehr wirtschaftlich mit einer in Bezug auf die bekannten Verfahren verbesserten Energiebilanz betrieben werden kann und die Gesamtenergiebilanz verbessert.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, nach dem
    • – ein Druckgasmotor in Verbindung mit mindestens einer Wärmepumpenanlage betrieben wird, bei der mindestens in einem geschlossenen Kreislauf ein Arbeitsmedium zirkuliert, das in einem ersten Wärmeübertrager aus der Umgebung Wärme erwärmt aufnimmt und anschließend in einem angetriebenen Verdichter durch einen Wärmekompressionsprozeß auf ein höheres Temperaturniveau erwärmt wird und das danach und über einen zweiten Wärmeübertrager zur Übertragung der Wärme auf das Druckgas geführt und nach der Wärmeübertragung entspannt wird,
    • – das komprimierte Druckgas aus mindestens einem Energiespeicher durch ein Expansionsventil/Mengensteuerung geregelt und auf ein geringeres Druckniveau entspannt wird,
    • – das geregelte und entspannte Druckgas vor der Zuführung zum Druckgasmotor durch mindestens einen Wärmeübertrager der Wärmepumpenanlage geführt wird,
    • – im Wärmeübertrager die gewonnene Wärmeenergie aus der Wärmepumpenanlage zur Druckerhöhung bei konstantem Volumen im Druckgas auf das Druckgas übertragen wird und anschließend
    • – das Druckgas mit dem erhöhten Druck im Druckgasmotor zur Umwandlung von potentieller Druckenergie in mechanische Energie entspannt wird.
  • Es hat sich überraschend gezeigt, daß mit dem erfinderischen Verfahren mit einer gewonnenen Wärme aus der Umgebung des Druckgasmotors bereits schon bei einer Wärmepumpenanlage mit geschlossenem Kreislauf und der Übertragung dieser Wärme während der geregelten Zufuhr des Druckgases zum Druckgasmotor eine Drucksteigerung bei konstantem Volumen im Druckgas erreicht werden konnte, die das Niveau des Entspannungsprozesses, der im Druckgasmotor zur Umsetzung von potentieller Druckenergie in mechanische Energie genutzt wird, so erhöht werden konnte, daß bei Beibehaltung der verrichteten Arbeit des Druckgasmotors der Verbrauch von Druckgas verringert wird. Folglich kann auf diese Weise die Betriebszeit eines Druckgasmotors mit einer Füllung der installierten Energiespeicher verlängert werden.
  • Ein nach diesem Verfahren betriebener Druckgasmotor ist beispielsweise zum Antrieb von Maschinen, Pumpen und für stationärbetriebene Transportanlagen aber auch für den mobilen Transport geeignet, insbesondere für Betriebsumgebungen, die emissionssensibel oder explosionsgefährdet sind.
  • Durch die zusätzliche Energiezuführung zum Druckgas über die gewonnene Wärme aus dem Wärmepumpenprozeß, der bekanntlich als Energiequelle die nahezu immer in verwertbarer Menge zur Verfügung stehende Wärmeenergie der Umgebung des Systems nutzt, wird dem Nachteil der begrenzten Kapazität von Energiespeichern, die insbesondere bei der Verwendung von Druckgasmotoren in Fahrzeugen in ihrer Größe in Grenzen gehalten werden müssen und daher noch zur Skepzis der Nutzung von druckgasbetriebenen Antrieben im Fahrzeugbau führt, wesentlich entgegengewirkt.
  • Vielmehr, kann durch die Nutzung des vorgeschlagenen Verfahrens bei druckgasbetriebenen Antriebsmaschinen im Fahrzeugbau in den Ballungszentren, die als besonders emissionssensibel gelten und deren Klima durch den Ausstoß von Treibhausgasen durch eine deutliche Erwärmung gekennzeichnet ist, mit dem vorgeschlagenen Antriebskonzept nicht nur ein zusätzlicher umweltschädlicher Emissionsausstoß ausgeschlossen werden sondern auch bei einem Einsatz eines solchen Antriebskonzepts in Größen- Ordnungen durch die Nutzung der vorherrschenden und möglicherweise unerwünschten höheren Umgebungstemperatur das Städteklima günstig beeinflußt werden.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dem Druckgasmotor ein zweiter gasbetriebener Antrieb nachgeschaltet, der mit einem Anteil der zur Verfügung stehenden Entspannungsarbeit im Druckgasmotor angetrieben wird und mit dem mindestens ein Verdichter in der oder den Wärmepumpenanlagen betrieben wird. Auf diese Weise wird der Antrieb von einem oder mehreren Verdichtern der oder auch den Wärmepumpenanlagen auf eine sehr einfache Weise auch emissionsfrei angetrieben ohne das zusätzliche Antriebsorgane im Gesamtsystem des Antriebskonzepts eines druckgasbetriebenen Antriebs vorgesehen werden müssen.
  • Um durch den Antrieb des zusätzlichen druckgasbetriebenen Antriebs für den oder die Verdichter die Gesamtenergiebilanz nicht zu beeinträchtigen, ist es besonders vorteilhaft, wenn als zweiter gasbetriebener Antrieb ein geringer dimensionierter Antrieb als der Druckgasmotor genutzt wird, der mit dem verbleibenden Restdruck des komprimierten Gases betrieben werden kann, der bei der Entspannung des komprimierten Gases im Druckgasmotor auf Umgebungsdruck nicht entspannt wurde. Auf diese Weise wird der verbleibende Restdruck, der bei der Entspannung des stark komprimierten Druckgases im Druckgasmotor auf nahezu Umgebungsdruck im Druckgasmotor nicht wirtschaftlich in Verdrängungsarbeit umsetzbar ist, aber zum Antrieb eines geringer dimensionierten zweiten druckgasbetriebenen Antriebs noch ausreichend ist, wirtschaftlich für das Betreiben der Wärmepumpenanlage genutzt. Damit wird die zur Verfügung stehende potentielle Druckenergie des Gesamtsystems annähernd vollständig genutzt und damit die Gesamtenergiebilanz des Druckgasmotors und damit des Antriebskonzepts weiter verbessert.
  • Als vorteilhafter zweiter druckgasbetriebener Antrieb, mit dem eine ausreichende Antriebsleistung für den oder die Verdichter der Wärmepumpenanlage(n) mit dem verbleibenden Restdruck aus dem Entspannungsprozeß des stark komprimierten Druckgases im Gasmotor erreicht wird, hat sich ein Hubkolbentriebwerk erwiesen.
  • In Abhängigkeit des ausgelegten Antriebskonzepts, insbesondere bei stationären Anlagen, kann es nach dem vorgeschlagenen Verfahren aber auch vorteilhaft sein, wenn ein Teil der im Druckgasmotor umgesetzten potentiellen Druckenergie in mechanische Energie zum mechanischen Antrieb des zugeordneten Hubkolbentriebwerks genutzt wird, mit dem der oder die Verdichter der Wärmepumpenanlage(n) betrieben werden.
  • Aber auch ein Antrieb des oder der Verdichter der Wärmepumpenanlage(n) von einer Energiequelle ist möglich, die vom Motorkonzept des Druckgasmotors unabhängig ist. Diese Energiequelle kann mechanischen oder elektrischen Ursprungs sein. Auf diese Weise sind auch Wärmeenergien für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens aus großen Wärmepumpenanlagen nutzbar, die nicht direkt in das Antriebssystem des Druckgasmotors integrierbar sind oder auch allgemein zur Erzeugung von mechanischer oder elektrischer Energie unter Nutzung von Umgebungswärme, Erdwärme usw. betrieben werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Antriebskonzept so ausgelegt, daß der Druckgasmotor nur bei Lastabforderung mit komprimiertem Druckgas versorgt wird. Damit wird der Druckgasmotor nicht in einem Leerlauf betrieben, wodurch nur im Lastzustand Druck energie benötigt und in mechanische Energie umgewandelt wird.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird insbesondere ein Druckgasmotor im Fahrzeugeinsatz im Schubbetrieb, also bei einer Verzögerung des Fahrzeugs durch den geschleppten Druckgasmotor als Kompressor genutzt, der aus der Umgebung Luft ansaugt und die vorhandene kinetische Energie durch Verdichtung der angesaugten Luft in eine potentielle Druckenergie wandelt, die mit einem geringeren Druckniveau einem zusätzlichen Energiespeicher zugeführt wird. Damit kann die umzuwandelnde mechanische Energie im Schubbetrieb sinnvoll zur Verbesserung der Gesamtenergiebilanz des Antriebskonzepts genutzt und die Kapazität der installierten Energiespeicher im Fahrzeug anteilig ergänzt werden.
  • Vorteilhafterweise wird empfohlen, als Druckgasmotor einen gasgetriebenen Kurbel- oder gasgetriebenen Verdrängungskolben- oder gasgetriebenen Flügelzellenantrieb zu nutzen. Diese Antriebe sind durch ihre technische Konzeption für die Umsetzung von potentieller Druckenergie in mechanische Energie am besten beherrschbar und haben auch bei der zu verrichtenden Verdrängungsarbeit den besten Wirkungsgrad.
  • Vorteilhaft für das Betreiben des Druckgasmotors ist auch, wenn als Arbeitsmedium im geschlossenen Kreislauf der Wärmepumpenanlage(n) ein verflüssigbares Gas eingesetzt wird, das im ersten Wärmeübertrager Wärme aus der Umgebung aufnimmt, im Verdichter unter Temperaturerhöhung komprimiert und verflüssigt wird und in einem zweiten Wärmeübertrager durch die Wärmeübertragung an das Druckgas gekühlt und anschließend mittels eines Expan sionsventils in den gasförmigen Zustand entspannt wird. Dieser Verfahrensablauf der Wärmepumpenanlage, der auch durch weitere geschlossene Kreisläufe, die in das Antriebskonzept eines Druckgasmotors integriert werden, ergänzt werden kann oder in dieser Reihenfolge durch zusätzliche Wärmeübertrager, Verdichter und Expansionsventile stufenweise erweiterbar ist, kann auch in einer Größe auszulegt werden, die unter den Bedingungen des an sich geringen Platzangebots in Fahrzeugen wirtschaftlich und mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
  • Der Wärmeübertrager zur Übertragung der Wärme aus der Wärmepumpenanlage(n) an das geregelte Druckgas kann als externer Wärmeübertrager oder als ein am Druckgasmotor interner Wärmeübertrager eingebunden werden. Die Einbindung als interner Wärmeübertrager am Druckgasmotor, beispielsweise in den an der Expansion des Druckgasmotors direkt beteiligten Baugruppen des Druckgasmotors ist für eine kompakte Bauweise des Druckgasmotors vorteilhaft.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, in der ein Verfahrensablauf für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schematisch veranschaulicht wird.
  • Die nachfolgende Beschreibung erläutert den Verfahrensablaufs zum Betreiben einer Antriebskonzeption mit einem Druckgasmotor 5 in der Verbindung mit nur einer Wärmepumpenanlage 10, in der nur ein Verdichter 7 integriert ist.
  • Wie in der schematischen Zeichnung beispielsweise dargestellt, besteht das Antriebskonzept im wesentlichen aus zwei Energiespeichern 1, 1', denen jeweils eine kombinierte Expansionsventil/Mengenregulierung 2, 3; 2', 3' zugeordnet ist, einem Druckgasmotor 5, einem gasgetriebenen Antrieb 6, der bevorzugt ein Hubkolbentriebwerk ist, und aus einer Wärmepumpenanlage 10.
  • Die Wärmepumpenanlage 10 besteht aus einem geschlossenen Kreislauf, der einen ersten Wärmeübertrager 8, einen durch den gasgetriebenen Antrieb 6 getriebenen Verdichter 7, einen zweiten Wärmeübertrager 4, der in der Zuführungsleitung 11 zum Druckgasmotor 5 zwischen dem Druckgasmotor 5 und den Expansionsventilen/Mengenregelungen 2, 3; 2', 3' liegt und auf der Kaltseite mit geregeltem und druckreduziertem Druckgas beaufschlagt ist, und ein Expansionsventil 9 einschließt.
  • Das aus den Energiespeichern 1, 1' mit einer Temperatur T1, T1' und einem Druck p1, p1' entnommene Druckgas wird jeweils in den zugeordneten Expansionsventilen/Mengenregulierungen 2, 3; 2', 3' mengengeregelt und auf einen geringeren Druck p2 und damit einhergehend auf eine geringere Temperatur T2 entspannt. Durch die Regelung des Druckgases erfolgt eine Lastregelung des Druckgasmotors 5. Das so geregelte Druckgas wird über die gemeinsame Zuführungsleitung 11 auf die Kaltseite des Wärmeübertragers 4 der Wärmepumpenanlage 10 eingeleitet und dem Druckgasmotor 5 unmittelbar zugeführt.
  • Der Wärmeaustauscher 4 ist auf der Warmseite mit dem erwärmten Arbeitsmedium aus der Wärmepumpenanlage 10 beaufschlagt und überträgt die gewonnene Wärme aus der Wärmepumpenanlage 10 auf das geregelte und druckreduzierte Druckgas, das bei konstantem Volumen des Druckgases zyklisch den Wärmeübertrager 4 auf der Kaltseite durchströmt.
  • Durch die Übertragung der Wärme aus dem Arbeitsmedium der Wärmepumpenanlage 10 auf das Druckgas wird die Temperatur T3 und damit einhergehend der Druck p3 bei konstantem Volumen des Druckgases erhöht und bewirkt damit, daß das Niveau des Arbeitsprozesses im unmittelbar nachgeordneten Druckgasmotor 5 wesentlich angehoben wird.
  • Folglich wird die Volumenarbeit im Druckgasmotor 5 bei der Umwandlung von potentieller Druckenergie in mechanische Energie des Druckgases erhöht und damit die Energiebilanz des Antriebskonzepts wesentlich verbessert. Damit wird bei Beibehaltung der Größe der verrichteten Arbeit der Verbrauch von Druckgas verringert oder bei gleicher Kapazität des Energiespeichers 1, 1' die Betriebszeit des Druckgasmotors 5 verlängert, was insbesondere im Fahrzeugbau sehr vorteilhaft ist.
  • Mit dem verbleibenden Restdruck p4, der technisch nicht sinnvoll auf die Umgebungstemperatur entspannt werden kann, wird der dem Druckgasmotor 5 nachgeschaltete druckgasbetriebene Antrieb 6 angetrieben. Dieser Antrieb 6 ist ein geringerer dimensionierter Antrieb 6 als der Druckgasmotor 5 und bevorzugt ein Hubkolbentriebwerk. Mit diesem Antrieb 6 wird der Verdichter 7 der Wärmepumpenanlage 10 angetrieben.
  • Die dem Druckgas zugeführte zusätzliche Wärme über den Wärmeübertrager 4 der Wärmepumpenanlage 10 wird aus der Umgebungswärme des Antriebskonzepts bezogen.
  • Die Umgebungsluft, die über die Warmseite Tzu – Tab des Wärmeübertragers 8 geführt wird, gibt einen Teil seiner Wärmeenergie auf das zirkulierende Arbeitsmedium im Kreislauf der Wärmepumpenanlage 10 ab und erhöht die Temperatur des Arbeitsmediums auf die Temperatur T5.
  • Mit der Temperatur T5 wird das Arbeitsmedium von dem vom Antrieb 6 getriebenen Verdichter 7 angesaugt und einem Wärmekompressionsprozeß unterzogen, wobei das Arbeitsmedium auf einen höheren Druck p6 verdichtet wird, was mit einer Temperaturerhöhung auf die Temperatur T6 einhergeht.
  • Mit der Temperatur T6 und dem Druck p6 durchströmt das Arbeitsmedium warmseitig den Wärmeübertrager 4 und gibt Wärme an das auf der Kaltseite im Wärmeübertrager 4 strömende geregelte und druckreduzierte Druckgas ab und tritt aus dem Wärmeübertrager mit einer niedrigeren Temperatur T7 aus. Nach dem Austritt aus dem Wärmeübertrager 4 wird das Arbeitsgas über das Expansionsventil 7 geführt und auf den Druck p7 bei einer niedrigeren Temperatur T7 entspannt und wieder dem Wärmeübertrager 8 zugeführt.
  • Der Druckgasmotor 5 ist mit einer nicht weiter gezeigten Regeleinrichtung ausgebildet, die im Schubbetrieb es möglich macht, daß der Druckgasmotor 5 Umgebungsluft ansaugt, so daß der Arbeitsprozeß des Druckgasmotors 5 im Schleppbetrieb es möglich macht, daß der Druckgasmotor 5 im Schleppbetrieb umkehrbar ist und der Druckgasmotor 5 in diesem Fall als Kompressor arbeitet und die kinetische Energie aus der Fortbewegung im Schubbetrieb durch Verdichtung der angesaugten Umgebungsluft in potentielle Druckenergie umwandelt. Die auf diese Weise erzeugte potentielle Druckenergie wird über die Leitung 12 auf einem geringeren Niveau als im Energiespeicher 1 in den Energiespeicher 1' eingeleitet.
  • Durch eine kaskadenartige Anordnung mehrerer Wärmepumpenanlagen 10, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann eine sehr deutliche Temperaturerhöhung des Arbeitsmediums der Wärmepumpenanlage(n) 10 erreicht werden, die dann mittels des Wärmeaustauschers 4 dem geregelten und druckreduzierten Druckgas übertragen wird.
  • Diese Druck- und Temperaturerhöhung im Druckgas kann auch durch einen Kreislauf einer Wärmepumpenanlage 10 mit mehrfach nacheinander geschalteten Verdichtern 7 erfolgen und sorgt dann jeweils für eine Druck- bzw. Temperaturerhöhung um Δp bzw. ΔT. Das auf diese Weise komprimierte und erwärmte Arbeitsmedium der Wärmepumpenanlage 10 wird nach dem letzten Verdichter 7 dem Wärmeübertrager 4 zur Übertragung der Wärme auf das geregelte und druckreduzierte Druckgas zugeführt und anschließend wiederum über ein Expansionsventil 9 entspannt und wieder dem Wärmeübertrager 8 zugeführt.
  • Wird bei dieser Antriebskonzeption eine installierte Leistung von ca. 30 kW für einen Druckgasmotor 5 zugrundegelegt, werden für den Antrieb der Wärmepumpenanlage 10 nach der beschriebenen Ausführungsform ca. 10 kW aufgewendet. Nach der in Abhängigkeit der Größe der Wärmepumpenanlage 10 gemittelten Leistungskennzahl von 2,3 kann mit der beschriebenen Wärmepumpenanlage 10 eine Wärmeleistung von 23 kW zur Verfügung gestellt, so daß dem Druckgasversorgungssystem für den Druckgasmotor 5 eine zusätzliche Wärmeleistung von 13 kW zugeführt werden kann. Wärmeverluste wurden durch geeignete und bekannte Maßnahmen weitgehend vermieden und konnten in dieser Betrachtung vernachlässigt werden. Da die Verlustleistung der Wärmepumpenanlage 10 in der Leistungszahl bereits berücksichtigt wurde, ist eine Leistungssteigerung des Druckgasmotors 5 bis zu 10 kW in Abhängigkeit des mechanischen Wirkungsgrades des Druckgasmotors 5 und der Wärmeübertragungskennzahl des Wärmeübertragers 4 möglich.
  • Bei Umgebungstemperaturen, die einen sinnvollen Wirkungsgrad der Wärmepumpenanlage nicht erwarten lassen, wird die Wärmepumpenanlage 10 vom Energieumwandlungsprozeß im Gesamtantriebskonzept abgesperrt.
  • Wenn der Wärmepumpenantrieb durch eine Ausführung mit einer weiteren externen Energiequelle, z.B. von Sonnenlicht durch Speisung von Photovoltaik-Anlagen als elektrischer Antrieb realisiert ist, wird der Gesamthaushalt und damit die Betriebsdauer des Druckgasmotors 5 durch weitere Energieaufnahme außerhalb des Antriebskonzepts weiter erhöht.
  • 1
    Energiespeicher
    1'
    Energiespeicher
    2
    Druckreduzierung
    2'
    Druckreduzierung
    3
    Mengenregelung
    3'
    Mengenregelung
    4
    Wärmeaustauscher
    5
    Druckgasmotor
    6
    Antrieb
    7
    Verdichter
    8
    Wärmeübertrager
    9
    Expansionsventil
    10
    Wärmepumpenanlage
    11
    Druckgas
    12
    Leitung
    p1 – p7
    Druck
    T1 – T1
    Temperatur
    Tzn
    Temperatur Umgebungsluft
    Tab
    Temperatur Umgebung Wärmeübertrager

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Druckgasmotors unter Nutzung von komprimierten Druckgasen als Energiespeicher und einer aus der Umgebung des Druckgasmotors gewonnenen Energiezufuhr, dadurch gekennzeichnet, daß – ein Druckgasmotor (5) in Verbindung mit mindestens einer Wärmepumpenanlage (10) betrieben wird, bei der mindestens in einem geschlossenen Kreislauf ein Arbeitsmedium zirkuliert, das in einem ersten Wärmeübertrager (8) durch Umgebungswärme erwärmt wird und anschließend in einen angetriebenen Verdichter (7) durch einen Wärmekompressionsprozeß auf ein höheres Temperaturniveau erwärmt wird und das danach und über einen zweiten Wärmeübertrager (4) zur Übertragung der Wärme auf das Druckgas geführt und nach der Wärmeübertragung entspannt wird, – das komprimierte Druckgas aus einem Energiespeicher (1; 1') in einem Expansionsventil/Mengenregelung (2, 3; 2', 3') geregelt und auf ein geringeres Druckniveau entspannt wird, – das geregelte und entspannte Druckgas vor der Zuführung zum Druckgasmotor (5) über den Wärmeübertrager (4) der Wärmepumpenanlage (10) geführt wird, – im Wärmeaustauscher (4) die gewonnene Wärmeenergie aus der Wärmepumpenanlage (10) auf das Druckgas zur Druckerhöhung im Druckgas bei konstantem Volumen übertragen wird und anschließend – das Druckgas mit dem erhöhten Druck im Druckgasmotor (5) zur Umwandlung von potentieller Druckenergie in mechanische Energie entspannt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Druckgasmotor (5) ein zweiter gasbetriebener Antrieb (6) nachgeschaltet ist, der mit einem Anteil der zur Verfügung stehenden Entspannungsarbeit im Druckgasmotor (5) angetrieben wird und mit dem mindestens ein Verdichter (7) in der oder den Wärmepumpenanlagen (10) betrieben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als zweiter gasbetriebener Antrieb (6) ein geringer dimensionierter Antrieb (6) als der Druckgasmotor (5) genutzt wird, der mit dem verbleibenden Restdruck des komprimierten Gases betrieben wird, der bei der Entspannung des komprimierten Gases im Druckgasmotor (5) auf nahezu Umgebungsdruck nicht entspannt wurde.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als gasbetriebener Antrieb (6) ein Hubkolbentriebwerk eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der im Druckgasmotor (5) umgesetzten potentiellen Druckenergie in mechanische Energie zum mechanischen Antrieb eines zugeordneten Hubkolbentriebwerks genutzt wird, mit dem mindestens ein Verdichter (7) von der oder den Wärmepumpenanlagen (10) betrieben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (6) des oder der Verdichter (7) von mindestens einer Wärmepumpenanlage (10) von einer vom Motorkonzept des Druckgasmotors (5) unabhängigen mechanischen Energiequelle oder einer elektrischen Energiequelle angetrieben wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgasmotor (5) nur dann mit komprimiertem Druckgas versorgt wird, wenn vom Druckgasmotor (5) effektive Leistung gefordert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (6) für den Verdichter (7) der Wärmepumpenanlage(n) (10) zu- oder abgeschaltet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgasmotor (5) im Schleppbetrieb als Kompressor genutzt wird, der aus der Umgebung Luft ansaugt und dabei infolge der vorhandenen kinetischen Energie durch Verdichtung der angesaugten Luft diese in eine potentielle Druckenergie wandelt, die mit einem geringeren Druckniveau dem Energiespeicher (1') zugeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckgasmotor (5) ein gasgetriebener Kurbel- oder gasgetriebener Verdrängungskolben- oder gasgetriebener Flügelzellenantrieb genutzt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium im geschlossenen Kreislauf der Wärmepumpenanlage(n) (10) ein verflüssigbares Gas eingesetzt wird, das im Wärmeübertrager (8) Wärme aus der Umgebung aufnimmt, im Verdichter (7) unter Temperaturerhöhung komprimiert wird, im Wärmeübertrager (4) durch die Wärmeübertragung an das kältere Druckgas gekühlt und anschließend mittels eines Expansionsventils (9) entspannt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (4) der Wärmepumpenanlage(n) (10) als externer Wärmeübertrager (4) oder als ein am Druckgasmotor (5) interner Wärmeübertrager (4) eingebunden wird.
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