DE102005025255B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie - Google Patents

Abstract

Die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine (1) anzugeben bzw. zu schaffen, welche im Hinblick auf den Stand der Technik geringere Mengen an thermischer Energie zur Gewährleistung eines thermodynamischen Kreisprozesses zur Verrichtung von verwertbarer mechanischer Arbeit benötigen, wird im Wesentlichen durch die Verwendung von einem ersten flüssigen Arbeitsmedium (6) und zumindest einem weiteren flüssigen Arbeitsmedium (7) gelöst, wobei das zumindest eine weitere flüssige Arbeitsmedium (7) eine niedrigere Siedetemperatur aufweist als das erste und infolge der Vereinigung mit dem ersten, mit thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium (6) in einen gasförmigen Zustand übergeht, respektive expandiert sowie einen Überdruck erzeugt und Arbeit derart verrichtet, dass auf das drehende Teil (3) der Wärmekraftmaschine (1) ein Drehmoment aufgebracht wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 10.
• Wärmekraftmaschinen bzw. Wärmekraftanlagen, die ihrerseits thermodynamische Kreisprozesse zur Verrichtung von mechanischer Arbeit und nachfolgenden Erzeugung elektrischen Stroms realisieren, sind seit langem bekannt. Insoweit wird auf Dubbel "Taschenbuch für den Maschinenbau", 20. Auflage, Springer-Verlag, S. D18-D21 verwiesen. Danach kommen überwiegend Gasturbinen- und Dampfkraftanlagen zur Anwendung.
• Bei geschlossenen Gasturbinenanlagen wird ein Gas in einem Verdichter komprimiert, in einem Wärmeübertrager oder Gaserhitzer auf eine hohe Temperatur erwärmt, dann in einer Turbine unter Verrichtung von Arbeit entspannt und im Wärmeübertrager und dem sich anschließenden Kühler wieder auf die Anfangstemperatur gekühlt, worauf das Gas erneut vom Verdichter angesaugt wird. Als Arbeitsmedien können Luft, aber auch Helium und Stickstoff zur Anwendung kommen. Als nachteilig werden u. a. die relativ hohen Energiekosten zur Gewährleistung des Prozesses herausgestellt.
• Dampfkraftanlagen werden dagegen mit einem Arbeitsmedium, üblicherweise Wasser, betrieben, das während des Prozesses verdampft und wieder kondensiert wird. Der Arbeitsprozess wird in seiner einfachsten Form derart durchgeführt, dass in einem Kessel das Arbeitsmedium (Wasser) bei hohem Druck isobar bis zum Siedepunkt erwärmt, verdampft und anschließend in einem sogenannten Überhitzer noch überhitzt wird. Der Dampf wird dann in einer Turbine unter Verrichtung von Arbeit adiabat entspannt und in einem Kondensator unter Wärmeabgabe verflüssigt. Anschließend wird die Flüssigkeit von einer Wasserpumpe auf Kesseldruck gebracht und wieder in den Kessel zurückgeführt. Auch hier sind erheblich Energiemengen erforderlich, um besagten Kreisprozess aufrecht zu erhalten.
• Weiter ist aus der DE 196 51 645 A1 ein Verfahren zur Nutzung von Solarenergie in einem Gas- und Dampf-Kraftwerk bekannt. Im Wesentlichen wird hier vorgeschlagen, dem Wärmeträger respektive Arbeitsmedium im Gasturbinenkreis mittels Sonnenstrahlung thermische Energie zuzuführen.
• Schließlich ist aus der US 3 972 195 ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie mittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine, mit einem Gehäuseteil mit einem Einlass- und einem Auslasskanal und einem im Gehäuseteil angeordneten Rotorteil bekannt, wobei thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, indem zwei anfangs flüssige Arbeitsmedien derart einen Arbeitsprozess durchlaufen, dass ein erstes Arbeitsmedien mit thermischer Energie angereichert wird und das zweite Arbeitsmedium eine niedrigere Siedetemperatur aufweist als das erste, so dass das zweite verdampfungsfähige Arbeitsmedium bei Kontakt mit dem ersten, mit thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium in einen gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Die beiden Arbeitsmedien werden innerhalb einer Düse zusammengeführt, so dass im Ergebnis ein „Zwei-Phasen-Jet", d. h., eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit, bestehend aus einem flüssigen und einem gasförmigen Arbeitsmedium, erzeugt wird, welcher auf Rotorblätter des Rotors trifft und denselben infolge der erhöhten Strömungsenergie antreibt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine anzugeben, welches im Hinblick auf den Stand der Technik geringere Mengen an thermischer Energie zur Gewährleistung eines thermodynamischen Kreisprozesses zur Verrichtung von verwertbarer mechanischer Arbeit benötigt. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
• Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen entnehmbar sind.
• Danach wird die Aufgabe zunächst durch ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine, mit einem Gehäuseteil mit zumindest einem Einlass- und einem Auslasskanal und zumindest einem im Gehäuseteil drehenden Teil, wobei thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird und verwendete Arbeitsmedien einen Kreisprozess durchlaufen, derart gelöst, dass in einem geschlossenen, anfangs mit einem bestimmten Unterdruck ausgestatteten System folgende Verfahrensschritte nacheinander durchgeführt werden:
• a) einem ersten flüssigen Arbeitsmedium wird thermische Energie zugeführt,
• b) besagtes, mit thermischer Energie angereichertes erstes Arbeitsmedium wird im flüssigen Zustand zumindest einer durch das Gehäuseteil und dem im Gehäuseteil angeordneten drehenden Teil gebildeten Arbeitskammer zugeführt,
• c) unmittelbar vor und/oder innerhalb der zumindest einen Arbeitskammer wird dem ersten flüssigen Arbeitsmedium zumindest ein weiteres flüssiges Arbeitsmedium mit einer zum ersten flüssigen Arbeitsmedium niedrigeren Siedetemperatur zugeführt, wobei das zumindest eine weitere Arbeitsmedium infolge der Vereinigung mit dem ersten, mit thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium in einen gasförmigen Zustand übergeht respektive expandiert sowie einen Überdruck erzeugt und Arbeit derart verrichtet, dass auf das drehende Teil ein Drehmoment aufgebracht wird,
• d) nach einer definierten Umdrehung des drehenden Teils wird das aus dem ersten und dem zumindest einen weiteren Arbeitsmedium bestehende Arbeitsmedien-Gemisch infolge eines am Auslasskanal anliegenden Unterdruckes der zumindest einen Arbeitskammer durch besagten Auslasskanal im Gehäuseteil hindurch entnommen und nachfolgend abkühlt, wodurch ein ständiges Druckgefälle im System zur Entnahme eines nachfolgenden Arbeitsmedien-Gemisches und zur Gewährleistung eines kontinuierlichen Kreisprozesses aufrecht erhalten wird,
• e) die Arbeitsmedien werden voneinander räumlich getrennt und in den Kreisprozess respektive in getrennte Kreisläufe zurückgeführt.
• Die erfindungsgemäße Nutzung von zumindest zwei, unterschiedliche Siedetemperaturen aufweisenden Arbeitsmedien gestattet in besonders vorteilhafter Weise eine punktuelle Erzeugung von gasförmigem Arbeitsmedium im unmittelbaren Bereich der Wärmekraftmaschine, wobei im Vergleich mit herkömmlichen Wärmekraftmaschinen die erforderlicher thermischer Energie zur Gewährleistung des kontinuierlichen Kreisprozesses wesentlich minimiert ist.
• In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die thermischer Energie für besagtes erstes Arbeitsmedium von einer oder mehreren, thermische Energie bereitstellenden Einrichtungen in Form von Solarkollektoren, elektrische Energie erzeugenden Photovoltaikzellen in Verbindung mit elektrisch betriebenen Heizelementen, Wärmespeichern, elektrischen Heizelementen an sich, Wärmepumpen, Verbrennungsanlagen, Wärmetauschern und/oder dgl. bereitgestellt wird.
• Zweckmäßigerweise sind dabei Arbeitsmedien zu wählen, die sich im Temperaturbereich des Systems chemisch nicht verbinden.
• Ferner sind die Arbeitsmedien derart in Abhängigkeit vom Einsatzort zu wählen, dass für sämtliche zu erwartenden Temperaturbereiche am Einsatzort der verfahrensgemäß im System erforderliche Aggregatzustand beibehalten respektive erreicht wird.
• Wie die Erfindung noch vorsieht, werden das erste und/oder das zumindest eine weitere Arbeitsmedium über je ein Einspritzventil geregelt der Arbeitskammer zugeführt, wodurch zur Gewährleistung eines kontinuierlichen Kreisprozesses beispielsweise auch Temperatur- und/oder Druckschwankungen im System, aber auch in der Umgebung der Vorrichtung Berücksichtigung finden können.
• Demgemäß kann es angezeigt sein, das Volumen der der zumindest einen Arbeitskammer zugeführten Arbeitsmedien in Abhängigkeit von der sensierten aktuellen Ausgangstemperatur und/oder dem sensierten aktuellen Ausgangsdruck in der Arbeitskammer und/oder der aktuellen Ausgangstemperatur des ersten und/oder zumindest einen weiteren Arbeitsmediums rechnergesteuert zu ermitteln.
• In Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann überschüssige thermische Energie zu Heizzwecken verwendet und/oder gespeichert werden.
• Fernerhin bietet es sich an, derart erzeugte mechanische Energie vermittels zumindest eines am drehenden Teil der Wärmekraftmaschine angeschlossenen Generators in elektrische Energie umzuwandeln.
• Als Wärmekraftmaschine können insbesondere eine Turbine mit Turbinengehäuse und darin umlaufendem Turbinenrad, ein Motor mit Motorgehäuse und in Anlehnung an einen Kreiskolbenmotor darin drehenden Kolben, o. ä verwendet werden.
• Die Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine, mit einem Gehäuseteil mit zumindest einem Einlass- und einem Auslasskanal und zumindest einem im Gehäuseteil drehenden Teil, wobei thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird und verwendete Arbeitsmedien einen Kreisprozess durchlaufen, zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass die Vorrichtung ein geschlossenes, anfangs mit einem bestimmten Unterdruck ausgestattetes System bildet, ein erstes und zumindest ein weiteres Arbeitsmedium wenigstens zu Beginn des Kreisprozesses respektive unmittelbar vor Eintritt in die Wärmekraftmaschine einen flüssigen Aggregatzustand aufweisen und in verschiedenen Kreisläufen geführt sind, die Kreisläufe und demgemäß die Arbeitsmedien unmittelbar vor und/oder innerhalb zumindest einer durch das Gehäuseteil und das darin angeordnete drehende Teil gebildeten Arbeitskammer der Wärmekraftmaschine vorübergehend direkt zusammengeführt sind und das zumindest eine weitere Arbeitsmedium eine niedrigere Siedetemperatur aufweist als das erste Arbeitsmedium.
• Hierbei sind das erste flüssige Arbeitsmedium zur Aufnahme von thermischer Energie und das zumindest eine weitere flüssige Arbeitsmedium zur Verrichtung von Arbeit vorgesehen, wobei das zumindest eine weitere flüssige Arbeitsmedium durch ein niedrigsiedendes Arbeitsmedium gebildet ist, welches bei Kontakt mit dem ersten flüssigen und mit thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium in einen gasförmigen Zustand übergeht.
• Dem Kreislauf des ersten Arbeitsmediums sind eine oder mehrere, thermische Energie bereitstellende Einrichtungen in Form von Solarkollektoren, elektrische Energie erzeugenden Photovoltaikzellen in Verbindung mit elektrisch betriebenen Heizelementen, Wärmespeichern, elektrischen Heizelementen an sich, Wärmepumpen, Verbrennungsanlagen, Wärmetauschern und/oder dgl. zugeordnet.
• Als zweckmäßig haben sich des Weiteren in die Kreisläufe der Arbeitsmedien integrierte Förderpumpen erwiesen, welche sicherlich leicht nachvollziehbar einen kontinuierlichen Kreisprozess vorteilhaft unterstützen und elektrisch und/oder mechanisch betrieben sein können.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Maßnahme ist in Strömungsrichtung der Arbeitsmedien respektive des Arbeitsmedien-Gemisches gesehen unmittelbar hinter der Wärmekraftmaschine ein Mittel zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien und Zuordnung derselben auf den jeweiligen Kreislauf angeordnet.
• Das Mittel zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien ist durch ein Kondensationsteil gebildet, wobei am Boden desselben das erste flüssige Arbeitsmedium abführbar und im oberen Bereich des Kondensationsteils das zumindest eine weitere, sich im gasförmigen Zustand befindliche Arbeitsmedium absaugbar und einer Kondensation durch Kühlung zuführbar ist.
• Weiter wird vorgeschlagen, in den Kreislauf des ersten Arbeitsmediums eine Wärmepumpe einzubinden, deren Verdampfer zur Kühlung des im oberen Bereich des Kondensationsteils abgesaugten und sich im gasförmigen Zustand befindlichen Arbeitsmediums mit besagtem Kondensationsteil zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien verbunden ist.
• Wie die Erfindung noch vorsieht, kann der Wärmekraftmaschine zumindest ein Sensor zur Ermittlung der aktuellen Ausgangstemperatur und/oder des aktuellen Ausgangsdruckes in der zumindest einen Arbeitskammer und/oder zur Ermittlung der Ausgangstemperatur des ersten und/oder zumindest einen weiteren Arbeitsmediums zugeordnet sein.
• Schließlich ist vorgesehen, dass der zumindest eine Sensor elektrisch oder berührungslos mit einer Rechnereinheit verbunden ist, die ihrerseits Steuersignale generierend, wenigstens mit einem im Kreislauf des ersten Arbeitsmediums angeordneten und dem Einlasskanal desselben zugeordneten Einspritzventil, vorzugsweise mit einem im Kreislauf des ersten und zumindest einen weiteren Arbeitsmediums angeordneten und dem Einlasskanal desselben zugeordneten Einspritzventil verbunden ist.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
• 1 äußerst schematisch die Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine, und
• 2 äußerst schematisch eine geeignete Wärmekraftmaschine in einer separaten Darstellung.
• Die 1 und 2 zeigen eine rotierende Wärmekraftmaschine 1, mit einem Gehäuseteil 2 und einem in demselben drehenden Teil 3, welches vorliegend durch eine Mehrzahl auf einer Welle 4 fest angeordnete Rotorblätter 5 gebildet ist. Die gezeigte Wärmekraftmaschine 1 entspricht sozusagen in ihrer Grundstruktur einer an sich bekannten Turbine mit Turbinengehäuse und einem darin umlaufenden Turbinenrad.
• Erfindungsgemäß wird die Wärmekraftmaschine 1 mit einem ersten und zumindest einem weiteren Arbeitsmedium 6, 7 betrieben. Die Arbeitsmedien 6, 7 sind in verschiedenen Kreisläufen 8, 9 geführt und weisen zu Beginn des jeweiligen Kreisprozesses respektive unmittelbar vor Eintritt in die Wärmekraftmaschine 1 einen flüssigen Aggregatzustand auf.
• Die gesamte Vorrichtung, bestehend insbesondere aus der Wärmekraftmaschine 1, den angeschlossenen Kreisläufen 8, 9 und Nebenaggregaten, bildet dabei ein weitestgehend geschlossenes System aus, welches durch an sich bekannte umfassende Abdichtungsmaßnahmen gewährleistet ist.
• Vorliegend sind der Wärmekraftmaschine 1 für den Eintritt der Arbeitsmedien 6, 7 in dieselbe zwei Einlasskanäle 10, 11 und ein Auslasskanal 12 zur Führung des Arbeitsmedien-Gemisches 13 aus der Wärmekraftmaschine 1 heraus zugeordnet.
• Durch diese Maßnahme sind die beiden Arbeitsmedien 6, 7 bzw. deren Kreisläufe 8, 9 somit zumindest innerhalb der Wärmekraftmaschine 1, sozusagen vorübergehend direkt zusammengeführt.
• Selbstverständlich kann es auch angezeigt sein und wird durch die Erfindung mit erfasst, lediglich einen Einlasskanal vorzusehen, wobei dann die Arbeitsmedien 6, 7 unmittelbar vor der Wärmekraftmaschine 1 und/oder innerhalb derselben zusammengeführt werden können (nicht näher gezeigt).
• Um nunmehr einen kontinuierlichen Kreisprozess der Wärmekraftmaschine 1 zu realisieren, sind im Ausgangszustand flüssige Arbeitsmedien 6, 7 mit unterschiedlichen Siedetemperaturen vorgesehen, wobei das zumindest eine weitere Arbeitsmedium 7 eine niedrigere Siedetemperatur aufweist als das erste Arbeitsmedium 6 und seinerseits geeignet ist, bei Kontakt mit dem ersten, mit entsprechend hoher thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium 6 in einen gasförmigen bzw. dampfförmigen Zustand überzugehen.
• Im Wesentlichen sind somit das erste flüssige Arbeitsmedium 6 zur Aufnahme von thermischer Energie und das zumindest eine weitere flüssige Arbeitsmedium 7 zur Verrichtung von Arbeit vorgesehen.
• Die thermische Energie kann dabei dem ersten Arbeitsmedium 6 vermittels einer oder mehrerer geeigneter Einrichtungen 14, beispielsweise in Form von Solarkollektoren, elektrische Energie erzeugenden Photovoltaikzellen in Verbindung mit elektrisch betriebenen Heizelementen, Wärmespeichern, elektrischen Heizelementen an sich, die beispielsweise netzbetrieben sind, Wärmepumpen, Verbrennungsanlagen, Wärmetauschern und/oder dgl. mehr, über einen in den Kreislauf 8 des ersten Arbeitsmediums 6 eingebundenen Wärmetauscher 14a bereitgestellt werden.
• Zur Unterstützung besagter Kreisläufe 8, 9 ist in denselben jeweils eine an sich bekannte Förderpumpe 15 angeordnet. Diese kann elektrisch, aber auch mechanisch betrieben, beispielsweise über ein an sich bekanntes Riemen- oder Zahnradgetriebe mit der Welle 4 der Wärmekraftmaschine 1 wirkverbunden sein (nicht näher dargestellt).
• Nachfolgend wird die Erfindung weiter anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
• Wie bereits oben ausgeführt, wird das gesamte System zunächst mit einem bestimmten Unterdruck ausgestattet, um, wie unten näher beschrieben, ein Anfahren desselben bewerkstelligen zu können.
• Im Anschluss daran wird dem ersten flüssigen Arbeitsmedium 6 vermittels der oben genannten Einrichtungen 14 thermische Energie zugeführt.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das mit thermischer Energie angereicherte Arbeitsmedium 6 durch eine viskose, wasserlösliche, nicht- oder schwerentflammbare, korrosionshemmende sowie hohe thermische Energie respektive Wärmemengen aufnehmende Substanz gebildet. Insofern bietet sich hierfür beispielsweise ein 1,2- oder 1,3 Propandiol-Wasser-Gemisch, im Handel als "Solarfluid L" oder "Tyfocor^® LS" bekannt, an.
• Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf vorgenannte Substanz, sondern erfasst sämtliche an sich bekannten und geeigneten Substanzen, die vorstehenden Merkmalen weitestgehend Rechnung tragen sowie einen Schmelzpunkt unter -30°C und einen Siedepunkt über 180°C aufweisen und sich in der Wärme nicht mit dem weiteren Arbeitsmedium 7 chemisch verbinden.
• Als zweckmäßig wird es ferner erachtet, wenn besagtes Arbeitsmedium 6 auf eine Arbeitstemperatur von etwa 140°C bis etwa 150°C erwärmt wird.
• Das mit thermischer Energie angereicherte erste Arbeitsmedium 6 wird nunmehr aufgrund des durch die Förderpumpe 15 des betreffenden Kreislaufes 8 aufgebauten Leitungsdruckes zu einem Zeitpunkt "t₁" vermittels eines Einspritzventils 17 über einen ersten Einlasskanal 10 des Gehäuseteils 2 der Wärmekraftmaschine 1 in eine durch das drehende Teil 3 (Turbinenrad) bzw. deren Rotorblätter 5 und das Gehäuseteil 2 ausgebildete Arbeitskammer 16₁ eingespritzt.
• Beim Anfahren des Systems wird dabei die Drehbewegung des drehenden Teils 3 zunächst mittels eines nicht näher dargestellten externen Antriebs, beispielsweise eines nicht näher gezeigten elektrischen Antriebs, bewerkstelligt. Ebenso kann der erste Einlasskanal 10 des Gehäuseteils 2 auch derart angeordnet sein, dass bereits die auf das in die Arbeitskammer 16₁ eingespritzt Arbeitsmedium 6 einwirkende Schwerkraft eine bestimmte gewünschte Drehbewegung des drehenden Teils 3 bewirkt (2).
• Hat besagte Arbeitskammer 16₁ zu einem Zeitpunkt "t₂" den zweiten Einlasskanal 11 erreicht, wird der Arbeitskammer 16₁ (16₁') und demgemäß dem mit thermischer Energie angereicherten ersten Arbeitsmedium 6 ebenfalls über ein Einspritzventil 18 vorzugsweise unter hohem Druck zumindest ein weiteres, zunächst flüssiges Arbeitsmedium 7 zugeführt, welches seinerseits über eine niedrigere Siedetemperatur verfügt als das erste Arbeitsmedium 6.
• Hier bieten sich flüssige Alkane, wie beispielsweise Hexan, mit einem Siedepunkt von etwa 68,7°C, oder Heptan, mit einem Siedepunkt von 98,4°C an. Gleichfalls können 1-wertige Alkohole, wie z. B. 2-Propanol, mit einem Siedepunkt von 82,3°C, Propanol, mit einem Siedepunkt von 97°C, oder Ethanol, mit einem Siedepunkt von 78,3°C Verwendung finden. Denkbar sind ferner alizyklische Verbindungen der Zykloalkane, wie z. B. Zyklopentan, -hexan, -heptan, mit einem Siedepunkt von etwa 70°C bis etwa 100°C. Schließlich sind auch andere an sich bekannte reaktionsträge, leicht siedende Flüssigkeiten, wie azeotrope Gemische, Alkene oder Metylalkane denkbar.
• Für den Fachmann sicherlich leicht nachvollziehbar, sind vorstehende bevorzugte Substanzen nur beispielgebend aufgeführt. Sicherlich sind statt dessen noch eine Vielzahl anderer an sich bekannter und geeigneter Substanzen denkbar, die jedoch den Rahmen dieser Erfindung sprengen würden.
• Hinsichtlich der denkbaren Kombinationen von geeigneten Arbeitsmedien 6, 7 ist in jedem Fall darauf zu achten, dass die Arbeitsmedien 6, 7, wie bereits oben dargetan, keine chemische Verbindung eingehen und das weitere Arbeitsmedium 7 eine niedrige Verdampfungswärme benötigt.
• Infolge der Vereinigung der beiden Arbeitsmedien 6, 7 geht das niedrigsiedende Arbeitsmedium 7 unter Verrichtung von Arbeit in einen gasförmigen bzw. dampfförmigen Zustand über. Es expandiert und erzeugt somit einen Überdruck "p₁", der seinerseits auf das drehende Teil 3 der Wärmekraftmaschine 1 ein Drehmoment aufbringt, welches die Arbeitskammer 16₁ (16₁') in Richtung des Auslasskanals 12 der Wärmekraftmaschine 1 bewegt. Es versteht sich von selbst, dass zur Realisierung einer gleichförmigen Drehbewegung des drehenden Teils 3 der Wärmekraftmaschine auch die nachfolgenden Arbeitskammern 16_2-n wie vorbeschrieben mit Arbeitsmedien 6, 7 beschickt werden.
• Hat die Arbeitskammer 16₁ (16₁'') zu einem Zeitpunkt "t₃" den Auslasskanal 12 erreicht, wird das erzeugte Arbeitsmedien-Gemisch 13, bestehenden aus noch flüssigem ersten Arbeitsmedium 6 und gasförmigem Arbeitsmedium 7 aufgrund des anfangs auf das System aufgebrachten und demgemäß am Auslasskanal 12 anliegenden Unterdruckes "p₂" der Arbeitskammer 16₁ (16₁'') der Wärmekraftmaschine 1 entnommen, sozusagen aus derselben herausgesaugt, und schließlich abgekühlt.
• Ein geeignetes Mittel zur Abkühlung des Arbeitsmedien-Gemisches 13 und zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien 6, 7 ist vorliegend durch ein Kondensationsteil 19 gebildet, in welchem das zumindest eine niedrigsiedende Arbeitsmedium 7 durch Kondensation desselben wieder in den flüssigen Ausgangszustand überführt wird.
• Durch die Abkühlung des Arbeitsmedien-Gemisches 13, insbesondere des niedrigsiedenden Arbeitsmedium 7 und dessen Kondensation wird der anfangs eingestellte Unterdruck "p₂" bzw. das Druckgefälle "p₁ > p₂" im System zur Entnahme nachfolgender Arbeitsmedien-Gemische 13 und Gewährleistung des kontinuierlichen Kreisprozesses aufrecht erhalten.
• 1 zeigt äußerst schematisch ein solches Kondensationsteil 19, wobei am Boden 19a desselben das erste flüssige Arbeitsmedium 6 abführbar und in einem oberen glockenartigen Bereich 19b des Kondensationsteils 19 das zumindest eine weitere, sich im gasförmigen Zustand befindliche Arbeitsmedium 7 absaugbar und besagter Kondensation durch Kühlung zuführbar ist.
• Zur Kühlung sind vorliegend Kühlschlangen 20 eines Verdampfers einer an sich bekannten, hier nicht näher gezeigten Wärmepumpe vorgesehen, die ihrerseits in den Kreislauf 8 des ersten Arbeitsmediums 6 eingebunden ist. Sicherlich sind auch andere an sich bekannte Kühlmaßnahmen denkbar, wie beispielsweise Luftkühlung u. a. Die abgeführte Wärmeenergie kann dabei zur neuerlichen Erwärmung des ersten Arbeitsmediums 6 verwendet werden.
• Beide Arbeitsmedien 6, 7 werden schließlich im flüssigen Zustand vermittels der Förderpumpen 15 wieder in den Kreisprozess respektive in den jeweils zugeordneten separaten Kreislauf 8, 9 zurückgeführt.
• Der Fachmann wird des Weiteren sicherlich leicht erkennen, dass die Arbeitsmedien 6, 7 auch in Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzort zu wählen sind, so dass für sämtliche zu erwartende Temperaturbereiche am besagten Einsatzort auch der verfahrensgemäß im System erforderliche Aggregatzustand beibehalten respektive erreicht wird.
• Ferner ist es angezeigt, das Volumen der der zumindest einen Arbeitskammer 16_1-n zugeführten Arbeitsmedien 6, 7 in Abhängigkeit von der sensierten aktuellen Ausgangstemperatur und/oder dem sensierten aktuellen Ausgangsdruck in der Arbeitskammer 16_1-n und/oder der aktuellen Ausgangstemperatur des ersten Arbeitsmediums 6 und/oder des zumindest einen weiteren Arbeitsmediums 7 rechnergesteuert zu ermitteln.
• Insofern ist zumindest ein geeigneter, an sich bekannter Druck- und/oder Temperatur-Sensor 21 vorgesehen, der seinerseits elektrisch oder berührungslos mit einer Rechnereinheit 22 verbunden ist (1).
• Diese Rechnereinheit 22 generiert ihrerseits in Abhängigkeit von den vom zumindest einen Sensor 21 bereitgestellten Signalen 21a und unter Verwendung von vorermittelten Vergleichswerten Steuersignale 22a für wenigstens eines der beiden Einspritzventile 17, 18 der Kreisläufe 8, 9, vorzugsweise für beide Einspritzventile 17, 18 der Kreisläufe 8, 9, wodurch das Einspritzvolumen der Arbeitsmedien 6, 7 bzw. die optimale Menge der verdampfenden Flüssigkeit (Arbeitsmedium 7) zur Gewährleistung eines kontinuierlichen Kreisprozesses und eines hohen Wirkungsgrades der Wärmekraftmaschine 1 vorteilhaft geregelt werden kann.
• Wird vermittels der zumindest einen thermische Energie bereitstellenden Einrichtung 14, beispielsweise eines Sonnekollektors, mehr thermische Energie bereitgestellt als benötigt, so kann diese zu Heizzwecken verwendet und/oder gespeichert werden. Als Speicher bieten sich beispielsweise sogenannte Langzeit-Latentwärmespeicher mit einem geeigneten Speichermedium, wie einer Salzlösung oder einem im Schmelzpunkt beeinflussten Paraffin, an.
• Denkbar ist es jedoch auch und wird durch die Erfindung mit erfasst, einen Motor mit Motorgehäuse und in Anlehnung an einen Kreiskolbenmotor mit einem darin drehenden Kolben zu verwenden.
• Aufgrund der Tatsache, dass die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 1 im Hinblick auf den Stand der Technik und in Abhängigkeit von den gewählten Arbeitsmedien 6, 7 relativ geringe Arbeitstemperaturen aufweist, müssen keine hochfesten Werkstoffe Verwendung finden. So ist es denkbar, dass geeignete Leichtmetalle oder Kunststoffe zur Anwendung kommen können, welches im Ergebnis mit einem verringerten Gewicht und demgemäß mit einer weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades einhergeht. Es sind somit erhebliche Kosteneinsparungen zu herkömmlichen Wärmekraftmaschinen zu verzeichnen.

1

Wärmekraftmaschine

2

Gehäuseteil

3

drehendes Teil

4

Welle

5

Rotorblätter

6

erstes Arbeitsmedium

7

weiteres Arbeitsmedium

8

Kreislauf (erstes Arbeitsmedium 6)

9

Kreislauf (weiteres Arbeitsmedium 7)

10

Einlasskanal (erstes Arbeitsmedium 6)

11

Einlasskanal (weiteres Arbeitsmedium 7)

12

Auslasskanal

13

Arbeitsmedien-Gemisch

14

thermische Energie bereitstellende Einrichtung

14a

Wärmetauscher

15

Förderpumpen

16_1-n

Arbeitskammern

17

Einspritzventil

18

Einspritzventil

19

Kondensationsteil

19a

Boden (Kondensationsteil 19)

19b

oberer Bereich (Kondensationsteil 19)

20

Kühlschlangen

21

Sensor

21a

Signale

22

Rechnereinheit

22a

Steuersignale

23

Generator

Claims (20)

1. Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine (1), mit einem Gehäuseteil (2) mit zumindest einem Einlass- und einem Auslasskanal (10, 11; 12) und zumindest einem im Gehäuseteil (2) drehenden Teil (3), wobei thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird und verwendete Arbeitsmedien (6, 7) einen Kreisprozess durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem geschlossenen, anfangs mit einem bestimmten Unterdruck ausgestatteten System folgende Verfahrensschritte nacheinander durchgeführt werden: a) einem ersten flüssigen Arbeitsmedium (6) wird thermische Energie zugeführt, b) besagtes, mit thermischer Energie angereichertes erstes Arbeitsmedium (6) wird im flüssigen Zustand zumindest einer durch das Gehäuseteil (2) und dem im Gehäuseteil (2) angeordneten drehenden Teil (3) gebildeten Arbeitskammer (16_1-n ) zugeführt, c) unmittelbar vor und/oder innerhalb der zumindest einen Arbeitskammer (16_1-n ) wird dem ersten flüssigen Arbeitsmedium (6) zumindest ein weiteres flüssiges Arbeitsmedium (7) mit einer zum ersten flüssigen Arbeitsmedium (6) niedrigeren Siedetemperatur zugeführt, wobei das zumindest eine weitere Arbeitsmedium (7) infolge der Vereinigung mit dem ersten, mit thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium (6) in einen gasförmigen Zustand übergeht respektive expandiert sowie einen Überdruck erzeugt und Arbeit derart verrichtet, dass auf das drehende Teil (3) ein Drehmoment aufgebracht wird, d) nach einer definierten Umdrehung des drehenden Teils (3) wird das aus dem ersten und dem zumindest einen weiteren Arbeitsmedium (6, 7) bestehende Arbeitsmedien-Gemisch (13) infolge eines am Auslasskanal (12) anliegenden Unterdruckes der zumindest einen Arbeitskammer (16_1-n ) durch besagten Auslasskanal (12) im Gehäuseteil (2) hindurch entnommen und nachfolgend abkühlt, wodurch ein ständiges Druckgefälle (p₁ > p₂) im System zur Entnahme eines nachfolgenden Arbeitsmedien-Gemisches (13) und zur Gewährleistung eines kontinuierlichen Kreisprozesses aufrecht erhalten wird, e) die Arbeitsmedien (6, 7) werden voneinander räumlich getrennt und in den Kreisprozess respektive in getrennte Kreisläufe (8, 9) zurückgeführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischer Energie für besagtes erstes Arbeitsmedium (6) von einer oder mehreren, thermische Energie bereitstellenden Einrichtungen (14) in Form von Solarkollektoren, elektrische Energie erzeugenden Photovoltaikzellen in Verbindung mit elektrisch betriebenen Heizelementen, Wärmespeichern, elektrischen Heizelementen an sich, Wärmepumpen, Verbrennungsanlagen, Wärmetauschern und/oder dgl. bereitgestellt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsmedien (6, 7) gewählt werden, die sich im Temperaturbereich des Systems chemisch nicht verbinden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmedien (6, 7) derart in Abhängigkeit vom Einsatzort gewählt werden, dass für sämtliche zu erwartenden Temperaturbereiche am Einsatzort der verfahrensgemäß im System erforderliche Aggregatzustand beibehalten respektive erreicht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zumindest eine weitere Arbeitsmedium (6, 7) über je ein Einspritzventil (17, 18) geregelt der zumindest einen Arbeitskammer (16_1-n ) zugeführt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der der zumindest einen Arbeitskammer (16_1-n ) zugeführten Arbeitsmedien (6, 7) in Abhängigkeit von der sensierten aktuellen Ausgangstemperatur und/oder dem sensierten aktuellen Ausgangsdruck in der Arbeitskammer (16_1-n ) und/oder der aktuellen Ausgangstemperatur des ersten und/oder zumindest einen weiteren Arbeitsmediums (6, 7) rechnergesteuert ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass überschüssige thermische Energie zu Heizzwecken verwendet und/oder gespeichert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte mechanische Energie vermittels zumindest eines am drehenden Teil (3) der Wärmekraftmaschine (1) angeschlossenen Generators (23) in elektrische Energie umgewandelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmekraftmaschine (1) eine Turbine mit Turbinengehäuse und darin umlaufendem Turbinenrad, ein Motor mit Motorgehäuse und in Anlehnung an einen Kreiskolbenmotor mit einem darin drehenden Kolben, o. ä. verwendet wird.
10. Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine (1), mit einem Gehäuseteil (2) mit zumindest einem Einlass- und einem Auslasskanal (10, 11; 12) und zumindest einem im Gehäuseteil (2) drehenden Teil (3), wobei thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird und verwendete Arbeitsmedien (6, 7) einen Kreisprozess durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein geschlossenes, anfangs mit einem bestimmten Unterdruck ausgestattetes System bildet, ein erstes und zumindest ein weiteres Arbeitsmedium (6, 7) wenigstens zu Beginn des Kreisprozesses respektive unmittelbar vor Eintritt in die Wärmekraftmaschine (1) einen flüssigen Aggregatzustand aufweisen und in verschiedenen Kreisläufen (8, 9) geführt sind, die Kreisläufe (8, 9) und demgemäß die Arbeitsmedien (6, 7) unmittelbar vor und/oder innerhalb zumindest einer durch das Gehäuseteil (2) und das darin angeordnete drehende Teil (3) gebildeten Arbeitskammer (16_1-n ) der Wärmekraftmaschine (1) vorübergehend direkt zusammengeführt sind und das zumindest eine weitere Arbeitsmedium (7) eine niedrigere Siedetemperatur aufweist als das erste Arbeitsmedium (6).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste flüssige Arbeitsmedium (6) zur Aufnahme von thermischer Energie vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine weitere flüssige Arbeitsmedium (7) zur Verrichtung von Arbeit vorgesehen und durch ein niedrigsiedendes Arbeitsmedium (7) gebildet ist, welches geeignet ist, bei Kontakt mit dem ersten flüssigen und mit thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium (6) in einen gasförmigen Zustand überzugehen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kreislauf (8) des ersten Arbeitsmediums (6) eine oder mehrere, thermische Energie bereitstellende Einrichtungen (14) in Form von Solarkollektoren, elektrische Energie erzeugenden Photovoltaikzellen in Verbindung mit elektrisch betriebenen Heizelementen, Wärmespeichern, elektrischen Heizelementen an sich, Wärmepumpen, Verbrennungsanlagen, Wärmetauschern und/oder dgl. zugeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreislauf (8, 9) eines jeden Arbeitsmediums (6, 7) zumindest eine Förderpumpe (15) angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Förderpumpe (15) elektrisch und/oder mechanisch betrieben ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der Arbeitsmedien (6, 7) respektive des Arbeitsmedien-Gemisches (13) gesehen unmittelbar hinter der Wärmekraftmaschine (1) ein Mittel zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien (6,7 ) und Zuordnung derselben auf den jeweiligen Kreislauf (8, 9) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien (6, 7) durch ein Kondensationsteil (19) gebildet ist, wobei am Boden (19a) desselben das erste flüssige Arbeitsmedium (6) abführbar und im oberen Bereich (19b) des Kondensationsteils (19) das zumindest eine weitere, sich im gasförmigen Zustand befindliche Arbeitsmedium (7) absaugbar und einer Kondensation durch Kühlung zuführbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kreislauf (8) des ersten Arbeitsmediums (6) eine Wärmepumpe eingebunden ist, deren Verdampfer zur Kühlung des im oberen Bereich (19b) des Kondensationsteils (19) abgesaugten und sich im gasförmigen Zustand befindlichen Arbeitsmediums (7) mit besagtem Kondensationsteil (19) zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien (6, 7) verbunden ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmekraftmaschine (1) zumindest ein Sensor (21) zur Ermittlung der aktuellen Ausgangstemperatur und/oder des aktuellen Ausgangsdruckes in der zumindest einen Arbeitskammer (16_1-n ) und/oder zur Ermittlung der Ausgangstemperatur des ersten und/oder zumindest einen weiteren Arbeitsmediums (6, 7) zugeordnet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor (21) elektrisch oder berührungslos mit einer Rechnereinheit (22) verbunden ist, die ihrerseits Steuersignale (22a) generierend, wenigstens mit einem im Kreislauf (8) des ersten Arbeitsmediums (6) angeordneten und dem Einlasskanal (10) desselben zugeordneten Einspritzventil (17), vorzugsweise mit einem im Kreislauf (8, 9) des ersten und zumindest einen weiteren Arbeitsmediums (7) angeordneten und dem Einlasskanal (10, 11) desselben zugeordneten Einspritzventil (17, 18) verbunden ist.