DE102006049944A1

DE102006049944A1 - Wärmekraftmaschine mit drei Flüssigkeitsring-Verdichtern

Info

Publication number: DE102006049944A1
Application number: DE102006049944A
Authority: DE
Inventors: Richard Gerhold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2008-03-06

Abstract

Herkömmliche Wärmekraftmaschinen ohne innere Verbrennung benötigen an ihrer Außenseite ein Temperaturgefälle, statt dieses in ihrem Inneren zu erzeugen und die Energie feuchter Luft zu nutzen, wie mit der vorliegenden Erfindung beabsichtigt. Fig. 2 zeigt die Kraftmaschine (1), die ein Temperaturgefälle erzeugt, indem feuchte Luft komprimiert und entspannt wird, dabei Kondensat abgibt, aber wegen Kondensationswärme nur wenig abkühlt. Wiedererwärmung der Luft mittels der Kompressionswärme führt zu Wärmeüberschuss als Energiegewinn. Feuchte Luft wird vom Verdichter (3) komprimiert, an der Drossel (7) entspannt, im Verdichter (4) erwärmt von der Kompressionswärme, welche dorthin gelangt über die Leitung (9), und im als Expansionsmaschine fungierenden Verdichter (4) expandiert. Der Verdichter (2) fungiert ebenfalls als Expansionsmaschine und wird angetrieben vom durch Kondensation verursachten Druckverlust in der Kraftmaschine (1). Die Rohre (5) und (6) übertragen Drücke und Drehkräfte zwischen den Verdichtern, so dass die Verdichter (2) und (4) den Verdichter (3) antreiben und einen als Nutzenergie entnehmbaren Überschuss mechanischer Energie erzeugen. Einsetzbar ist diese Kraftmaschine (1) überall, besonders an Orten mit feuchtwarmer Luft, vorzugsweise zur Stromerzeugung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Bekannte Wärmekraftmaschinen, soweit sie ohne innere Verbrennung arbeiten, bedürfen für ihren Betrieb eines Temperaturgefälles zwischen Warm- und Kaltseite.
Bei Einsatz einer solchen Wärmekraftmaschine tritt folgendes Problem auf, welches zu seiner Lösung der Erfindung bedarf, die im Patentanspruch 1 angegeben ist:
Außerhalb der Wärmekraftmaschine muss ein Temperaturgefälle hergestellt werden durch Heizung oder Kühlung oder beides.
Innerhalb einer Wärmekraftmaschine kann ebenfalls ein Temperaturgefälle ohne Verbrennung erzeugt werden, doch machen herkömmliche Wärmekraftmaschinen keinen Gebrauch von dieser Möglichkeit, die sich bietet bei ausschließlicher Verwendung von Luftfeuchtigkeit und deren Kondensationswärme als Wärmequelle.
Das Problem, auf diese Weise innerhalb einer Wärmekraftmaschine ein Temperatur-Gefälle zu erzeugen, wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale der vorliegenden Erfindung gelöst.
Weitere wesentliche vorteilhafte Merkmale dieser Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Neuheit und Nützlichkeit der Erfindung besteht darin, dass die Solarenergie, welche in der Feuchtigkeit atmosphärischer Luft als Verdampfungswärme gespeichert und überall vorhanden ist, genutzt wird per Kondensation der Luftfeuchtigkeit in der Wärmekraftmaschine zu deren Antrieb.
Ein solcher Antrieb einer Wärmekraftmaschine setzt einen sehr effizienten Verdichter voraus, der mindestens annähernd so effizient ist wie der in der Anmeldung vom 27. 6. 2006 unter der Überschrift „Exzenter-Flüssigkeitsring-Verichter mit rotierendem Gehäuse ohne Spalt-Verluste und ohne Reibungs-Verluste des Flüssigkeitsrings an der Gehäusewand" beschriebene Flüssigkeitsring-Verdichter.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Überlegung, dass

1. Luftfeuchtigkeit unter natürlichen Bedingungen meist einen Anteil von 1 % bis 5 % am Volumen atmosphärischer Luft hat, mit einem Energiegehalt der Luftfeuchtigkeit von ca. 22,56 kJ bis 112,82 kJ pro m³ Luft,
2. durch isotherme Kompression und anschließende Teil-Entspannung feuchter Luft in einer Wärmekraftmaschine Kondensat ausfällt a) unter Entstehung eines Temperaturgefälles im Inneren der Wärmekraftmaschine zwischen Kompressionswärme und Expansionskälte, b) unter Verringerung des Volumens der Luft um ca. 1 % bis 5 % mit Entstehung eines Druckgefälles zwischen der Außenseite und der Innenseite der Wärmekraftmaschine,
3. das Temperaturgefälle im Inneren der Wärmekraftmaschine verwendet werden kann durch Nutzung der Kompressionswärme zur Erwärmung und Ausdehnung der in der Wärmekraftmaschine durch Teil-Entspannung abgekühlten Druckluft, welche a) während ihrer Teil-Entspannung und Abkühlung Kondensat und Kondensationswärme abgibt und dabei wegen der von außen mitgebrachten Enthalpie der Luftfeuchtigkeit bei deren Kondensation nicht in gleichem Maß abkühlt wie expandiert, was den Energiegewinn innerhalb der Wärmekraftmaschine darstellt, der diese antreibt, b) beim Verlassen der Wärmekraftmaschine Arbeit leistet in einem Verdichter, welcher als Expansionsmaschine fungiert,
4. das Druckgefälle verwendet werden kann, um Luft auch bei Eintritt in die Wärmekraftmaschine arbeiten zu lassen in einem Verdichter, welcher als Expansionsmaschine fungiert,
5. durch die Arbeit der beiden Expansionsmaschinen am Eingang und am Ausgang der Wärmekraftmaschine mehr mechanische Energie gewonnen wird als während der Kompression verloren geht,
6. die Wärmekraftmaschine sowohl Nutzenergie in Form überschüssiger mechanischer Energie als auch Abwärme in Form warmer trockener Luft abgibt.

Eine erfindungsgemäße Ausführung einer Wärmekraftmaschine wird nachfolgend anhand eines Ausführungs-Beispiels erläutert, von dem die Zeichnungen 1 und 2 Prinzip-Darstellungen sind.
In 1 ist grob schematisch die erfindungsgemäße Kraftmaschine 1 dargestellt, mit den drei Verdichtern 2, 3 und 4, welche vorzugsweise als Flüssigkeitsring-Verdichter mit rotierendem Gehäuse auszuführen sind, von denen die Verdichter 2 und 4 als Expansionsmaschine arbeiten und der Verdichter 3 feuchte Luft komprimiert.
Die im Verdichter 3 entstehende Kompressionswärme geht nur zu einem sehr geringen Teil auf die Luft über, weil der Verdichter 3 als Flüssigkeitsring-Verdichter isotherm verdichtet und die Kompressionswärme auf seinen Flüssigkeitsring übergeht. Falls der Verdichter 3 nicht als Flüssigkeitsring-Verdichter ausgeführt ist, wird Kühlflüssigkeit in ihn eingespritzt, welche die Kompressionswärme aufnimmt.
Die Verdichter 2, 3, und 4 sind durch die Rohre 5 und 6 zu einem gasdichten Aggregat verbunden, in welches feuchte Luft eintritt durch den Verdichter 2 und aus welchem trockene und gegenüber ihrer Eintrittstemperatur erwärmte Luft austritt aus dem Verdichter 4.
Wenn die Verdichter 2, 3 und 4 Flüssigkeitsring-Verdichter mit rotierendem Gehäuse sind, dann rotieren ihre Gehäuse um eine gemeinsame Achse auch die Rohre 5 und 6.
Wenn die Verdichter 2, 3 und 4 keine Flüssigkeitsring-Verdichter mit rotierendem Gehäuse sind, dann werden zwischen den Verdichtern nur Luftdrücke übertragen von den in dem Fall feststehenden Rohren 5 und 6, während die von den Rotoren der Verdichter erzeugten Drehkräfte im Inneren der Rohre 5 und 6 von dort zusätzlich angebrachten rotierenden Wellen übertragen werden.
Zwischen dem Verdichter 3 und dem Verdichter 4 befindet sich eine Drossel 7, mit der die im Verdichter 3 komprimierte feuchte Luft entspannt, durch Expansion abgekühlt und veranlasst wird, hinter der Drossel 7 ihre Feuchtigkeit als Kondensat abzugeben.
Das hinter der Drossel 7 entstehende kalte Kondensat verlässt die Kraftmaschine 1 durch den Kondensat-Ablauf 8 am Rohr 6 zwischen der Drossel 7 und dem Verdichter 4.
Die durch Kondensation und Ausschleusen des Kondensats verursachte Verringerung des Volumens der Luft in der Kraftmaschine 1 wird genutzt, um den Verdichter 2, welcher als Expansionsmaschine fungiert, anzutreiben.
Die im Verdichter 3 während der Kompression entstehende Abwärme wird zum größten Teil von der Flüssigkeit seines Flüssigkeitsrings aufgenommen und mit dieser über die Leitung 9 in den Flüssigkeitsring des Verdichter 4 eingeleitet, welcher wie der Verdichter 2 ebenfalls als Expansionsmaschine fungiert und mit dieser Abwärme die hinter der Drossel 7 erkaltete Druckluft erwärmt, diese erwärmte Druckluft expandiert und als Antriebsenergie nutzt.
Ist der Verdichter 3 nicht als Flüssigkeitsring-Verdichter ausgeführt, dann überträgt die in ihn eingespritzte Kühlflüssigkeit die Kompressionswärme durch die Leitung 9 auf den Verdichter 4, in den sie eingespritzt wird.
Weil der Verdichter 4 als isotherm arbeitende Expansionsmaschine fungiert, kühlt die in ihn eingeleitete oder eingespritzte Flüssigkeit ab. Überschüssige Flüssigkeit verlässt den Verdichter 4 durch den Ablauf 10 und fließt entweder direkt in den Verdichter 3 durch den Zulauf 11 zur erneuten Aufnahme von Kompressionswärme im Verdichter 3 oder wird vor dem Einfließen in den Verdichter 3 außerhalb der Kraftmaschine 1 abgekühlt etwa auf das Temperaturniveau der Umgebung, falls im Verdichter 3 mehr Abwärme entsteht, als vom Verdichter 4 auf die ihn verlassende Luft übertragen wird.
Das Temperatur-Niveau in den Verdichtern 3 und 4 wird eingestellt durch die Temperatur und Zulaufmenge der Flüssigkeit, welche durch den Zulauf 11 in den Verdichter 3 gelangt.
Auf diese Weise wirkt die Kraftmaschine 1 bei Bedarf als Heizung, weil die Verdichter 3 und 4 mit beliebiger Temperatur betrieben werden können und der aus dem Ablauf 10 fließenden Flüssigkeit von einem Wärmeverbraucher 12 Wärme entzogen werden kann.
Gleichzeitig kann die Kraftmaschine 1 als Kühlung dienen, wenn das kalte Kondensat außerhalb der Kraftmaschine 1 einem Kälteverbraucher zugeführt wird.
Das kalte Kondensat kann aber auch der Kühlung des Verdichters (3) dienen, wenn es diesem über den Zulauf 11 zugeführt wird.
Weil bei ausreichend hoher Effizienz der Verdichter 2, 3 und 4 vom Verdichter 3 weniger Antriebsleistung aufgenommen wird als von den Verdichtern 2 und 4, welche als Expansionsmaschinen fungieren, abgegeben wird, entsteht ein Überschuss an Antriebsleistung in der Kraftmaschine 1.
Dieser Überschuss an Antriebsleistung wird der Kraftmaschine 1 entnommen als mechanische Nutzenergie mittels der Abtriebswelle 13.
Die Leistung der Kraftmaschine 1 kann gesteigert werden durch künstliche Erhöhung der Luftfeuchtigkeit mittels künstlicher Erwärmung der Luft unter Befeuchtung.
Die künstliche Erwärmung der Luft kann mittels Wärme aus regenerativen Quellen in Form von Niedertemperatur-Wärme unter 100 °C vorgenommen werden oder mit industrieller Abwärme oder mit Wärme aus konventionellen, nicht erneuerbaren Quellen.
Die zusätzlichen Zeichnungen 3, 4 und 5 sind Prinzip-Darstellungen nützlicher Vereinfachungen oder Erweiterungen der Kraftmaschine 1.
Wie 3 zeigt, kann bei Einsatz der Kraftmaschine 1 auf den Verdichter 2 verzichtet werden, wenn die Leistung des Verdichters 4 ausreichend ist zum Antrieb des Verdichters 3 und zur Abgabe mechanischer Nutzenergie.
Wie 3 zeigt, kann die Leistung der Kraftmaschine 1 gesteigert werden mittels Wärme-Rückgewinnung aus der Abwärme der den Verdichter 4 verlassenden Abluft durch einen Wärmetauscher 14, welcher die aufgenommene Abwärme abgibt über eine Leitung 15 an einen Wärmetauscher 16, welcher an der Außenseite der Kraftmaschine 1 als äußerer Luftvorwärmer arbeitet und die Abwärme abgibt an in die Kraftmaschine 1 hineinströmende Luft.
Wie 3 zeigt, kann die Leistung der Kraftmaschine 1 gesteigert werden, wenn im Rohr 6 hinter der Drossel 7 Umgebungswärme genutzt wird, die nach Verlassen der Drossel 7 abgekühlte und durch Kondensat-Ausfällung entfeuchtete Luft vorzuwärmen. Dies geschieht mittels eines Wärmetauschers 17, welcher Umgebungswärme aufnimmt und über eine Leitung 18 abgibt an einen Wärmetauscher 19, welcher als innerer Luftvorwärmer arbeitet und die Umgebungswärme abgibt an die im Rohr 6 strömende Luft.
Wie 3 zeigt, kann die Leistung der Kraftmaschine 1 gesteigert werden mittels der in einem Wärmetauscher 20 aufgenommenen Abwärme, indem diese über eine Leitung 21 an einem Wärmetauscher 22 abgegeben wird, welcher ebenfalls als innerer Luftvorwärmer arbeitet und die Abwärme im Rohr 6 entweder an Stelle des Wärmetauschers 19 oder zwischen dem Wärmetauscher 19 und dem Verdichter 4 abgibt an die im Rohr 6 strömende Luft, um diese vorzuwärmen.
Auf diese Weise wird durch Abwärme entweder die gesamte Temperatur-Differenz zwischen der hinter der Drossel 7 abgekühlten Luft und dem Verdichter 4 ausgeglichen oder nur die Temperatur-Differenz zwischen Umgebungswärme und Verdichter 4.
Um zu vermeiden, dass im Rohr 6 zwischen der Drossel 7 und dem Verdichter 4 durch Eintrag von Abwärme und/oder Umweltwärme ein Druckanstieg erfolgt, der die Kondensat-Entstehung hinter der Drossel 7 verhindert, kann ein weiterer Verdichter 23 zwischen der Drossel 7 und dem Verdichter 4 eingesetzt werden, wie der obere Teil von 4 zeigt.
Der Verdichter 23 ist gasdicht mit dem Rohr 6 verbunden und hat die Aufgabe, den Luftdruck hinter der Drossel 7 genügend niedrig zu halten, damit die Kondensation der Luftfeuchtigkeit dort ungestört stattfindet.
Um zu vermeiden, dass an der Drossel 7 Luft entspannt und abgekühlt wird, ohne dass sie dabei Arbeitet leistet, kann die Drossel 7 durch einen weiteren Verdichter 24 ersetzt werden, welcher als Expansionsmaschine arbeitet und während der Entspannung und Abkühlung der Luft von dieser angetrieben wird und gasdicht mit dem Rohr 6 verbunden ist, wie der untere Teil von 4 zeigt.
Die Nützlichkeit des Verdichters 24 besteht darin, dass die mechanische Energie, welche zur Kompression feuchter atmosphärischer Luft aufgewendet wird, bei deren Expansion zurückgewonnen wird, soweit sie nicht zuvor in Kompressionswärme umgewandelt wurde.
Wie der untere Teil von 4 zeigt, weist die Kraftmaschine 1 bei Verzicht auf den Verdichter 2 und unter Einsatz der Verdichter 23 und 24 insgesamt vier hintereinander angeordnete Verdichter auf, deren Funktion während der Passage der Luft durch die Kraftmaschine 1 wechselt wie folgt:

1. Verdichter 3: Kompressor 2. Verdichter 24: Expansionsmaschine

3. Verdichter 23: Kompressor 4. Verdichter 4: Expansionsmaschine
Mit der Kraftmaschine 1 als ein Aggregat aus den vier hintereinander angeordneten Flüssigkeitsring-Verdichtern 3, 24, 23 und 4 ist beabsichtigt, feuchte Umgebungsluft zu zwingen, einen Prozess zu durchlaufen, während dem nacheinander

1. feuchte vorgewärmte Umgebungs-Luft erst komprimiert wird im Verdichter 3 unter Abfuhr und späterer Verwendung eines Teils der Kompressionswärme,
2. die komprimierte Luft den als Expansionsmaschine fungierenden Verdichter 24 antreibt unter Teil-Entspannung, Abkühlung und Kondensation der Luftfeuchtigkeit,
3. die bei der Kondensat-Entstehung anfallende Kondensationswärme bewirkt, dass die feuchte Luft während ihrer Abkühlung durch Entspannung erwärmt wird und deshalb wenig abkühlt, aber stark ausgedehnt wird,
4. die während der Kompression abgeführte Kompressionswärme dazu verwendet wird, die entspannte, abgekühlte Luft im Verdichter 4 zu erwärmen, nachdem sie erneut verdichtet wurde im Verdichter 23 und nachdem sie erneut vorgewärmt wurde durch Abwärme und Umgebungswärme, um den als Expansionsmaschine fungierenden Verdichter 4 anzutreiben durch Entspannung auf Umgebungsdruck.

Statt Expansion der Luft im Verdichter 4 kann eine nochmalige Zwischen-Expansion wie im Verdichter 24 erfolgen, mit nachfolgender nochmaliger Zwischen-Verdichtung wie im Verdichter 23 und mit nachfolgender nochmaliger Vorwärmung durch Abwärme und Umweltwärme und mit dann erst anschließender Expansion im Verdichter 4.
Die zweite Zwischen-Expansion, zweite Zwischen-Verdichtung und zweite Vorwärmung geschieht zu dem Zweck, den Druck des Verdichters 3 in zwei Stufen abzubauen und dabei sowohl durch zweimalige Aufnahme von Abwärme und Umgebungswärme die Gesamtmenge der aufgenommenen Wärme zu erhöhen, als auch möglichst hohen Druck und möglichst hohe Temperatur im Verdichter 3 – und damit auch hohe Temperatur im Verdichter 4 – zu ermöglichen, ohne dass bei der Zwischen-Expansion der Luft in der Kraftmaschine 1 Vereisung auftritt.
Auch eine dritte und vierte, usw. Zwischen-Expansion, Zwischen-Verdichtung und Vorwärmung ist möglich.
Mit der Kraftmaschine 1 ist beabsichtigt, bei einem Durchsatz von 1 m³ Luft pro Sekunde die in der Luftfeuchtigkeit enthaltene Energie zu nutzen, um die Kraftmaschine 1 anzutreiben und/oder

1. mechanische Energie abzugeben mit einer Leistung von mehreren kW a) unter Abwärme-Rückgewinnung und deren Abgabe – an einen äußeren Luftvorwärmer, – an einen inneren Luftvorwärmer an der inneren Wärmesenke der Kraftmaschine 1, b) unter Aufnahme zusätzlicher Wärme-Energie in Form von Umgebungswärme und deren Abgabe – an einen inneren Luftvorwärmer an der inneren Wärmesenke der Kraftmaschine 1,
2. Kälte abzugeben zur externen Nutzung,
3. Wärme abzugeben zur externen Nutzung,
4. Kondensat abzugeben zur externen Nutzung.

Die Kraftmaschine 1 ist nicht selbst-startend, sondern benötigt einen Anlasser-Motor zur Inbetriebnahme.
Im einzelnen ist für ihre Inbetriebnahme beabsichtigt, dass

1. feuchte atmosphärische Luft mit einem Feuchtigkeitsgehalt von ca. 10 g Wasser pro m³ Luft mittels des Verdichters 3 komprimiert wird auf einen Gesamtdruck von ca. 1,25 bar a) unter Druckerhöhung um 0,25 bar und b) unter Erwärmung durch die dabei entstehende Kompressionswärme um ca. 30 °C von ca. 20 °C Anfangs-Temperatur auf ca. 50 °C Endtemperatur, – wenn der Flüssigkeitsring des Verdichters Kompressionswärme aufnimmt und gleichzeitig die Temperatur des Flüssigkeitsrings des Verdichters bei ca. 50 °C konstant gehalten wird – mittels Zulauf kalter Flüssigkeit in den Flüssigkeitsring und – mittels Ablauf ca. 50 °C warmer Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsring, – zwecks Abfuhr überschüssiger Kompressionswärme,
2. die feuchte Druckluft im Verdichter 24, welcher als Expansionsmaschine fungiert, Arbeit leistet in Form von Antrieb dieser Expansionsmaschine und dabei a) die Druckluft teilweise entspannt wird um ca. 0,15 bar von ca. 1,25 bar auf ca. 1,1 bar, bis der Taupunkt unterschritten, der Gefrierpunkt annähernd erreicht und die in der Druckluft enthaltende Luftfeuchtigkeit als Kondensat ausgefällt wird, b) das Kondensat aus dem Verdichter 24 entnommen wird, c) die Druckluft einerseits abkühlt durch Expansionskälte, d) die Druckluft andererseits gleichzeitig erwärmt wird durch den Wärme-Energiegewinn in Gestalt von Kondensationswärme infolge der Entstehung von Kondensat aus der Luftfeuchtigkeit während der Entspannung der Druckluft, und so eine Mischtemperatur annimmt von lediglich ca. +5 °C, statt abzukühlen auf eine Temperatur von ca. -10 °C, welche trockene Luft bei Entspannung um ca. 0,15 bar von 1,25 bar auf 1,1 bar ohne den wärmenden Effekt der Kondensat-Bildung annehmen würde, e) die Druckluft durch die Wirkung der Kondensation eine durch Kondensationswärme verursachte Volumenausdehnung zusätzlich zu der durch die Entspannung bewirkten Volumenausdehnung erfährt und folglich mehr Arbeit in dem als Expansionsmaschine fungierenden Verdichter 24 leistet als trockene Luft, welche proportional zur Druckminderung auf Temperaturen unter 0 °C abkühlen würde und durch Frost-Temperaturen verursacht ein nur vergleichsweise kleines Volumen einnehmen würde,
3. die teilentspannte, entfeuchtete, abgekühlte Druckluft im Verdichter 23 erneut verdichtet wird bis zu dem Druck, den die Luft annimmt durch Erwärmung im Verdichter 4, welcher mit Kompressionswärme des Verdichters 3 auf ca. 50 °C erwärmt wird,
4. der Verdichter 4, welcher als Expansionsmaschine fungiert, beheizt wird mittels der aus dem Flüssigkeitsring des Verdichters 3 ablaufenden ca. 50 °C warmen Flüssigkeit, welche über die Rohrleitung 9 vom Verdichter 3 in den Verdichter 4 gelangt und im Gegenstrom die dort einströmende und den Verdichter 4 antreibende Druckluft erwärmt, die sich durch diese Erwärmung ausdehnt und durch diese Ausdehnung den Verdichter 4 zusätzlich antreibt, – unter Nutzung des vorangegangenen, bereits im Verdichter 24 erfolgten Wärme-Energiegewinns in Gestalt der Kondensationswärme, welcher eine Temperaturerhöhung der Druckluft im Verdichter 4 um ca. 45 °C von ca. +5 °C auf ca. +50 °C ermöglicht, statt einer ca. gleich großen Temperaturerhöhung, ausgehend von einer Anfangs-Temperatur von nur ca. -10 °C bis zu einer Endtemperatur von nur Ca. +35 °C, ohne den wärmenden Effekt der Kondensationswärme,
5. die expandierte warne Luft in die Umgebung entlassen wird unter Mitnahme von Abwärme aus dem Verdichter 4,
6. die Flüssigkeit im Flüssigkeitsring des Verdichters 4 abkühlt durch die Kaltluft, welche in den Verdichter 4 einströmt aus dem Rohr 6, und nach ihrer Abkühlung bei einer Temperatur von weniger als 50 °C zurück in den Flüssigkeitsring des Verdichters 3 geleitet wird, um dort erneut Kompressionswärme aufzunehmen.

In der Kraftmaschine 1 wird durch die Arbeit der beiden Expansionsmaschinen (Verdichter 24 und Verdichter 4) mehr mechanische Energie gewonnen als zur Kompression von Luft (Verdichter 3 und Verdichter 23) aufgewendet wird:

– Im Verdichter 24 wird Wärme aus Feuchtigkeit gewonnen und in zusätzliche Volumenausdehnung der Luft umgesetzt.
– Im Verdichter 4 wird mittels der im Verdichter 24 gewonnenen Kondensationswärme zusammen mit der im Verdichter 3 gewonnenen Kompressionswärme nochmals zusätzliche Volumenausdehnung der Luft bewirkt, welche erheblich größer ist als die Volumenausdehnung im Verdichter 24.

Die Kraftmaschine 1 nutzt insgesamt vier Wärmequellen:

1. äußere Wärmequellen: a) latente Wärme der Luftfeuchtigkeit (fällt zwar im Inneren der Kraftmaschine 1 als Kondensationswärme an, kommt aber von außen mit der Luft) b) Umgebungswärme c) Abwärme
2. innere Wärmequelle: a) Kompressionswärme

Auf diese Weise gelangt durch die äußeren Wärmequellen bei der oben beschriebenen Betriebsweise eine Wärmemenge von ca. 60 kJ oder mehr pro Sekunde in die Kraftmaschine 1.
Wegen des Temperaturgefälles von ca. 45 °C, das zwischen den als Expansionsmaschinen fungierenden Verdichtern 24 und 4 besteht, arbeitetet der Verdichter 4 mit einem Wirkungsgrad von ca. 14 %.
Durch Umsetzung der o.g. Wärmemenge von ca. 60 kJ pro Sekunde mit dem Wirkungsgrad von 14 % im Verdichter 4 gibt die Kraftmaschine 1 mechanische Energie ab bei einer Leistung von ca. 8 kW, zu der noch die Leistung des Verdichters 24 addiert werden muss.
Die Leistung der Kraftmaschine 1 lässt sich steigern durch ihren Einsatz in Gebieten mit besonders warmer und feuchter Luft und einer absoluten Luftfeuchtigkeit, welche mehr als das Doppelte der im obigen Ausführungsbeispiel berechneten beträgt.
Für den Eintrag von Umgebungswärme in die Kraftmaschine 1 eignet sich besonders die Wärme von Gebäuden, die zur Klimatisierung Wärme abführen müssen, aber auch die Wärme natürlicher Wärmevorkommen, z.B. Solarwärme oder Erdwärme. Außerdem kann die Kraftmaschine 1 industrielle Abwärme nutzen.
Wie die Schema-Zeichnung 5 zeigt, ist für den Betrieb der Kraftmaschine 1 die Gewinnung thermischer Energie aus der Luftfeuchtigkeit entbehrlich, wenn die Luft in einem durch eine Ringleitung 25 geschlossenen System zirkuliert. Weil in diesem Fall weder Luft in die Kraftmaschine 1 hineinströmt noch aus ihr herausströmt, entsteht weder innerhalb der Kraftmaschine 1 Kondensationswärme noch entsteht außerhalb der Kraftmaschine 1 Abwärme.
Die einzige äußere Energiequelle der Kraftmaschine 1 ist in diesem Fall die Umgebungswärme, welche zwischen dem Verdichter 23 und dem als Expansionsmaschine fungierenden Verdichter 4 vom Wärmetauscher 17 durch die Leitung 18 über den Wärmetauscher 19 in die Kraftmaschine 1 gelangt und dort zum größten Teil in mechanische Energie umgewandelt wird, soweit sie nicht durch unvollkommene Wärme-Isolierung der Kraftmaschine 1 von dieser an die Umgebung verloren wird.
Die einzige innere Energiequelle der Kraftmaschine 1 ist die Kompressionswärme. Sie entsteht in den Verdichtern 3 und 23.
Die Kompressionswärme des Verdichters 3 wird von der Flüssigkeit des Flüssigkeitsrings des Verdichters 3 aufgenommen, mittels der Leitung 9 in den Flüssigkeitsring des als Expansionsmaschine fungierenden Verdichters 4 geleitet und erwärmt die Luft, welche den Verdichter 4 durchströmt.
Die Kompressionswärme des Verdichters 23 wird nicht mittels Flüssigkeit abgeführt, sondern auf die ihn durchströmende Luft übertragen und auf diese Weise an den Verdichter 4 weitergegeben.
Mittels einer Leitung 26 kann Flüssigkeit aus dem Verdichter 4 direkt oder über den Wärmeverbraucher 12 zurück in den Verdichter 3 geleitet werden, um einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf zwischen den Verdichtern 3 und 4 zu schaffen.
Wie der untere Teil von 5 zeigt, braucht ein funktionierendes geschlossenes System der Kraftmaschine 1 nur aus der Ringleitung 25, dem Verdichter 3, dem als Expansionsmaschine fungierenden Verdichter 4, den Wärmetauschern 17 und 19, der Leitung 18, dem Rohr 6 mit der Drossel 7 und den Leitungen 9 und 26 zu bestehen.
Statt Luft kann in einem geschlossenen System ein anderes Gas zirkulieren, welches günstigere thermodynamische Eigenschaften hat als Luft, z.B. hinsichtlich Wärmekapazität oder Ausdehnungsverhalten bei Temperatur-Erhöhung.

1

1: Kraftmaschine
2: Verdichter (Expansionsmaschine)
3: Verdichter (Kompressor)
4: Verdichter (Expansionsmaschine)
5: Rohr
6: Rohr
7: Drossel
8: Kondensat-Ablauf
9: Leitung
10: Ablauf
11: Zulauf
12: Wärmeverbraucher
13: Abtriebswelle

Zusatz

3

14: Wärmetauscher
15: Leitung
16: Wärmetauscher
17: Wärmetauscher
18: Leitung
19: Wärmetauscher
20: Wärmetauscher
21: Leitung
22: Wärmetauscher

4

23: Verdichter (Kompressor)
24: Verdichter (Expansionsmaschine)

5

25: Ringleitung
26: Leitung

Claims

Wärmekraftmaschine mit drei Flüssigkeitsring-Verdichtern, dadurch gekennzeichnet, dass 1 diese Kraftmaschine (1) drei effiziente Verdichter (2), (3) und (4) aufweist, 1.1 welche entweder als Flüssigkeitsring-Verdichter ohne Spaltverluste und ohne Reibungsverluste des Flüssigkeitsrings an der Gehäusewand ausgestaltet sind oder bei anderer Bauweise mindestens annähernd so effizient sind wie solche Flüssigkeitsring-Verdichter, 1.2 von denen die Verdichter (2) und (4) als Expansionsmaschine arbeiten, 1.3 von denen der Verdichter (3) feuchte Luft komprimiert, 1.4 die durch die Rohre (5) und (6) zu einem gasdichten Aggregat verbunden sind, 1.4.1 in welches feuchte Luft eintritt durch den Verdichter (2), 1.4.2 aus welchem trockene warme Luft austritt durch den Verdichter (4), 2 diese Kraftmaschine (1) zwischen den Verdichtern (3) und (4) eine Drossel (7) aufweist, 2.1 mit welcher die im Verdichter (3) komprimierte Luft entspannt, durch Expansion abgekühlt und veranlasst wird, hinter der Drossel (7) ihre Feuchtigkeit als Kondensat abzugeben, 3 diese Kraftmaschine (1) zwischen der Drossel (7) und dem Verdichter (4) am Rohr (6) einen Kondensat-Ablauf (8) aufweist, 3.1 durch welchen kaltes Kondensat die Kraftmaschine (1) verlässt, 4 die in der Kraftmaschine (1) durch Kondensation und Ausschleusen von Kondensat verursachte Verringerung des Volumens der Luft genutzt wird, um den Verdichter (2), welcher als Expansionsmaschine fungiert, anzutreiben, 5 die im Verdichter (3) während der Kompression entstehende Abwärme von der Flüssigkeit seines Flüssigkeitsrings aufgenommen und über die Leitung (9) abgegeben wird an den Verdichter (4), 5.1 welcher als Expansionsmaschine fungiert und mit dieser Abwärme die hinter der Drossel (7) erkaltete Druckluft erwärmt, diese erwärmte Druckluft expandiert und als Antriebsenergie nutzt, 6 überschüssige Flüssigkeit den Verdichter (4) durch den Ablauf (10) verlässt und 6.1 entweder direkt in den Verdichter (3) fließt durch den Zulauf (11), 6.2 oder vor Einfließen in den Verdichter (3) durch den Zulauf (11) außerhalb der Kraftmaschine (1) abgekühlt wird, 6.2.1 bei Bedarf in einem als Heizung fungierenden Wärmeverbraucher (12), 7 das kalte Kondensat, welches den Kondensat-Ablauf (8) verlässt, entweder einem externen Kälteverbraucher zugeführt wird oder der Kühlung des Verdichters (3) dient, indem es diesem über den Zulauf (11) zugeführt wird, 8 mechanische Nutzenergie der Kraftmaschine (1) entnommen wird mittels der Abtriebswelle (13).
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 1 die Leistung der Kraftmaschine (1) gesteigert wird durch künstliche Erhöhung der Luftfeuchtigkeit mittels künstlicher Erwärmung der Luft unter Befeuchtung.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass 1 die künstliche Erwärmung der Luft mittels Wärme aus regenerativen Quellen in Form von Niedertemperatur-Wärme unter 100 °C vorgenommen wird oder mit industrieller Abwärme oder mit Wärme aus konventionellen, nicht erneuerbaren Quellen.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 1 der Verdichter (2) entfällt bei ausreichender Leistung des Verdichters (4).
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 1 der Wärmetauscher (14) Abwärme aufnimmt und abgibt über die Leitung (15) an den Wärmetauscher (16), welcher an der Außenseite der Kraftmaschine (1) als äußerer Luftvorwärmer arbeitet.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass 1 der Wärmetauscher (17) Umgebungswärme aufnimmt und abgibt über die Leitung (18) an den Wärmetauscher (19), welcher im Rohr (6) als innerer Luftvorwärmer arbeitet.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass 1 der Wärmetauscher (20) Abwärme aufnimmt und abgibt über die Leitung (20) an den Wärmetauscher (22), welcher im Rohr (6) als innerer Luftvorwärmer arbeitet.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass 1 zwischen Drossel (7) und Verdichter (4) der Verdichter (23) eingesetzt wird, welcher gasdicht mit dem Rohr (6) verbunden ist und den Druck hinter der Drossel (7) so weit herabsetzt, dass die Kondensation der Luftfeuchtigkeit dort nicht beeinträchtigt wird.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass 1 die Drossel (7) ersetzt wird durch den als Expansionsmaschine fungierenden Verdichter (24), welcher gasdicht mit dem Rohr (6) verbunden ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass 1 die Kraftmaschine (1) zu einem geschlossenen System gestaltet wird mittels der Ringleitung (25), welche den Einlass der Kraftmaschine (1) mit ihrem Auslass verbindet.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass 1 die Kraftmaschine (1) als geschlossenes System in der einfachsten Ausführung nur besteht aus der Ringleitung (25), dem Verdichter (3), dem als Expansionsmaschine fungierenden Verdichter (4), dem Rohr (6) mit der Drossel (7), den Wärmetauschern (17) und (19) sowie den Leitungen (9), (18) und (26).
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass 1 die Kraftmaschine (1) als geschlossenes System in einer erweiterten Ausführung besteht aus der Ringleitung (25), dem Verdichter (3), dem als Expansionsmaschine fungierenden Verdichter (4), dem Rohr (6) mit der Drossel (7) oder dem als Expansionsmaschine fungierenden Verdichter (24), dem Verdichter (23), den Wärmetauschern (17) und (19) und den Leitungen (9), (18) und (26), 2 bei Bedarf mit zusätzlichen Verdichtern (24) und (23), zusätzlichen Wärmetauschern (17) und (19) und zusätzlicher Leitung (18) für zusätzliche Zwischenexpansion, Zwischenerwärmung und Zwischenverdichtung.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass 1 statt Luft in der Kraftmaschine (1) ein anderes Arbeitsgas verwendet wird.