DE102007044147A1 - Thermal engine comprises low pressure steam jet, turbine and rotor, which is connected to component in uniform manner rotating around axis - Google Patents
Thermal engine comprises low pressure steam jet, turbine and rotor, which is connected to component in uniform manner rotating around axis Download PDFInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine thermodynamische Maschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.The The invention relates to a thermodynamic machine in the preamble of the patent claim 1 specified genus.
Stand der Technik von Wärmekraftmaschinen, welche aus einer Kombination von Dampfstrahler und Turbinen bestehen, ist die Anordnung der Turbinen vor dem Dampfstrahler (siehe Anmeldung vom 19. 7. 2007, Az 10 2007 033 555.7).was standing the technology of heat engines, which consist of a combination of steam jet and turbines, is the arrangement of the turbines in front of the steam jet (see application from 19. 7. 2007, Az 10 2007 033 555.7).
Im Gegensatz zum Stand der Technik beschreibt die vorliegende Erfindung eine Wärmekraftmaschine, welche a) statt zwei Turbinen nur eine Turbine aufweist und welche b) die Anordnung dieser Turbine hinter dem Dampfstrahler erfordert, statt vor diesem.in the Contrary to the prior art, the present invention describes a heat engine, which a) instead of two turbines has only one turbine and which b) requires the arrangement of this turbine behind the steam jet, instead of this.
In einer Wärmekraftmaschine dieser Bauart löst die vorliegende Erfindung folgende Probleme mittels der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale:
- a) Die Abmessungen der Wärmekraftmaschine werden etwa halbiert, weil nicht mehr zwei Turbinen erforderlich sind, sondern nur noch eine Turbine erforderlich ist.
- b) Die Strömungsführung in der Wärmekraftmaschine wird vereinfacht, weil sich die Wege von kaltem und warmem Arbeitsfluid in der Wärmekraftmaschine nicht mehr kreuzen vor der Mischdüse.
- c) Als Turbine kann eine einfach geformte Heron-Turbine eingesetzt werden, statt einer kompliziert geformten Axial – oder Radialturbine, was vorteilhaft ist bei Verwendung von Flüssigkeiten als Arbeitsfluid und damit einhergehenden hohen Drücken.
- d) Die Treibdüse des Dampfstrahlers kann feststehend sein, statt Teil des Rotors zu sein, was direkte Anbindung der Wärmekraftmaschine an eine feststehende Wärmequelle erlaubt, z. B. Anbindung an ein PKW-Auspuffrohr, welches als Treibdüse dienen kann.
- a) The dimensions of the heat engine are about halved because no longer two turbines are required, but only a turbine is required.
- b) The flow guidance in the heat engine is simplified because the paths of cold and warm working fluid in the heat engine no longer cross in front of the mixing nozzle.
- c) As a turbine, a simple-shaped Heron turbine can be used instead of a complicated-shaped axial or radial turbine, which is advantageous when using liquids as working fluid and high pressures associated therewith.
- d) The motive nozzle of the steam jet can be fixed, instead of being part of the rotor, which allows direct connection of the heat engine to a fixed heat source, eg. B. Connection to a car exhaust pipe, which can serve as a motive nozzle.
Weitere wesentliche vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further significant advantageous features of the invention will become apparent the dependent claims.
Neu und nützlich an dieser Erfindung ist, dass erfindungsgemäße Wärmekraftmaschinen gegenüber herkömmlichen Wärmekraftmaschinen
- a) kompakt und einfach sind: – kompakt, weil nur eine Turbine erforderlich ist statt zwei Turbinen, – einfach, weil die Treibdüse feststehend sein kann, statt Teil des Rotors zu sein.
- b) Flüssigkeiten statt Luft als Arbeitsfluid verwenden können wegen der geringen Empfindlichkeit einer Heron-Turbine gegenüber hohen Drücken, was nochmalige beträchtliche Verringerung des Bauvolumens auf ca. ein Tausendstel ermöglicht durch Verringerung der Abmessungen von Länge, Breite und Höhe auf jeweils ca. 10% unter Nutzung der ca. tausendfachen Wärmekapazität von Flüssigkeiten pro Volumeneinheit im Vergleich zu Luft und der damit einhergehenden hohen Leistungsdichte.
- a) compact and simple are: - compact, because only one turbine is required instead of two turbines, - simply because the motive nozzle can be fixed instead of being part of the rotor.
- b) can use liquids instead of air as working fluid because of the low sensitivity of a Heron turbine to high pressures, which allows another considerable reduction in volume to about one-thousandth by reducing the dimensions of length, width and height to about 10% below Use of the approximately thousand times the heat capacity of liquids per unit volume compared to air and the associated high power density.
Die kompakte Bauweise macht erfindungsgemäße Wärmekraftmaschinen besonders geeignet für massenhaften, dezentralen Einsatz, v. a. zur Stromerzeugung, beispielsweise
- – im Fahrzeugbau zur Nutzung der Abgaswärme und Kühlwasserwärme,
- – in der oberflächennahen Geothermie und in Gewässern zur Nutzung auch geringer Temperaturunterschiede zwischen Wasser in der Tiefe und an der Oberfläche,
- – in allen industriellen Prozessen, in welchen Kühltürme verwendet werden,
- – in der Lüftungs- und Klimatechnik zur Nutzung warmer Abluft und Fortluft.
- In vehicle construction for the use of exhaust heat and cooling water heat,
- - in near-surface geothermal energy and in waters for the use of even low temperature differences between water at depth and at the surface,
- - in all industrial processes where cooling towers are used,
- - In the ventilation and air conditioning technology for the use of warm exhaust air and exhaust air.
Eine
erfindungsgemäße Ausführung einer Wärmekraftmaschine,
welche kaltes und warmes Arbeitsfluid, z. B. Luft oder Wasser, von
geringem Temperatur-Unterschied nutzt, wird nachfolgend anhand eines
Ausführungs-Beispiels
erläutert,
von dem die Zeichnungen
In
- – aus
der feststehenden Treibdüse
2 - – aus
einem Rotor, welcher aus Mischdüse
3 , Diffusor4 und Turbine5 besteht und welcher ein einheitliches, zusammenhängendes Bauteil bildet, - – aus
der nicht zum Rotor gehörenden
Abtriebswelle
6 .
- - from the fixed motive nozzle
2 - - From a rotor, which from mixing nozzle
3 , Diffuser4 and turbine5 exists and which forms a unitary, coherent component, - - From the non-rotor output shaft
6 ,
Die Wärmekraftmaschine ist an beiden Enden offen
- – mit axialer Zufuhr des warmen
Arbeitsfluids durch die feststehende Treibdüse
2 , - – mit
radialer Zufuhr des kalten Arbeitsfluids durch den Ringspalt zwischen
der feststehenden Treibdüse
2 und der rotierenden Mischdüse3 , - – mit
Abfuhr des axial aus der Mischdüse
3 austretenden Gemischs aus warmer und kaltem Arbeitsfluid durch den Diffusor4 und durch die Turbine5 , welche als Axialturbine, als von außen nach innen durchströmte Radialturbine oder als von innen nach außen durchströmte Heron-Turbine gestaltet sein kann.
- - With axial supply of the warm working fluid through the fixed motive nozzle
2 . - - With radial supply of cold working fluid through the annular gap between the fixed motive nozzle
2 and the rotating mixing nozzle3 . - - With discharge of the axially from the mixing nozzle
3 exiting mixture of hot and cold working fluid through the diffuser4 and through the turbine5 which can be designed as an axial turbine, as a radially inwardly flowed through radial turbine or as from inside to outside flowed Heron turbine.
Das
in der Treibdüse
Infolge
des Druckgefälles
zwischen Treibdüse
Der
Querschnitt am Austritt der Treibdüse
Infolge
dieser Querschnittsverringerung wird die Strömung des warmen Arbeitsfluids
vom Eintritt in die Treibdüse
Die
Beschleunigung des warmen Arbeitsfluids in der Treibdüse
Das
nach seiner Beschleunigung aus der Treibdüse
Aus
diesem Vorgang abgeleitet ist die nachfolgend verwendete Bezeichnung „Treibstrahl" für das aus
der Treibdüse
Radial
wird das kalte Arbeitsfluid durch den Ringspalt zwischen Treibdüse
Das
radial zuströmende
kalte Arbeitsfluid wird in die Mischdüse
Darum wird die anfängliche Bezeichnung „kaltes Arbeitsfluid" nachfolgend ersetzt durch die Bezeichnung „Schleppstrahl".Therefore will be the initial one Term "cold Working fluid "below replaced by the term "tow jet".
Analog
zur Treibdüse
Im
Verlauf der Mischung von Treibstrahl und Schleppstrahl in der Mischdüse
Weil
der Querschnitt der Mischdüse
Dieser Druckanstieg bewirkt, dass die Temperatur von Treib- und Schleppstrahl zunimmt während der Gemisch-Bildung und folglich die Temperatur des Gemischs über der Temperatur von Treib- und Schleppstrahl liegt.This Pressure increase causes the temperature of motive and drag jet increases while the mixture formation and consequently the temperature of the mixture over the Temperature of propulsion and drag jet is.
Das
Gemisch aus Treibstrahl und Schleppstrahl nimmt in der Mischdüse
Außerdem nimmt
dieses Gemisch in der Mischdüse
Das
Gemisch nimmt im Diffuser
Der
Diffuser
Die
Strömung
des Gemischs aus Treibstrahl und Schleppstrahl in der Turbine
Die
Wärmekraftmaschine
Bei
Verwendung eines gasförmigen
Arbeitsfluids wird die Treibdüse
An
der Außenseite
der Treibdüse
Ein
weiterer Vorteil der Kondensat-Bildung an der Außenseite der Treibdüse
Um
die Kondensat-Bildung an der Außenseite
der Treibdüse
Sinnvoll
ist auch, alternativ oder zusätzlich zur
Kondensat-Gewinnung an der Außenseite
der Treibdüse
Durch
diese Maßnahme
steigt die Enthalpie des Treibstrahls und die Leistung der Wärmekraftmaschine
Abwärme in Form
warmer Raumluft, z. B. von Bürogebäuden oder
Fabrikhallen, kann als Treibstrahl verwendet werden und bietet so
die Möglichkeit,
die thermische Energie dieser Abwärme nicht nur thermisch zu
nutzen durch Wärmerückgewinnung
wie bisher, sondern in mechanische Energie umzuwandeln, unter gleichzeitiger
Gewinnung von Klimakälte
an der Außenseite
der Treibdüse
Als
Treibstrahl kommt auch die warme feuchte Abluft von Nasskühltürmen in
Betracht. Weil diese Luft mit Wasserdampf gesättigt oder nahezu gesättigt ist,
kondensiert der in ihr enthaltene Wasserdampf teilweise in der Mischdüse
- a) Durch das nahezu vollständige Verschwinden eines großen Teils
seines Volumens in der Mischdüse
2 erhöht er das Druckgefälle zwischen dem atmosphärischen Druck am Einlass der Treibdüse2 einerseits und dem Druck in der Mischdüse3 andererseits. - b) Durch seine Kondensationswärme erhöht er die Temperatur des Gemischs über die mittlere Temperatur von Treib- und Schleppstrahl hinaus und bewirkt damit zusätzliche Volumenausdehnung des Gemischs.
- a) By the almost complete disappearance of a large part of its volume in the mixing nozzle
2 it increases the pressure gradient between the atmospheric pressure at the inlet of the motive nozzle2 on the one hand and the pressure in the mixing nozzle3 on the other hand. - b) By its heat of condensation it raises the temperature of the mixture beyond the mean temperature of propellant and drag jet and thus causes additional volume expansion of the mixture.
Wenn
am Auslass der Turbine
Wie
Durch
diese Ringdüse
kann der Treibstrahl radial in die Wärmekraftmaschine
Bei
solcher Bauweise kann die Wärmekraftmaschine
Durch ein feststehendes senkrechtes Rohr,
z. B. aus Kunststoff wird kaltes Wasser aus der Tiefe zur Wasseroberfläche geleitet
und durch die zentrale Schleppdüse
By a fixed vertical tube, z. B. plastic cold water from the depth to the water surface is passed and through the central tug nozzle
Die
ringförmige
Treibdüse
umgibt die Schleppdüse
und leitet warmes Oberflächen-Wasser unter Beschleunigung
mit hoher Geschwindigkeit in die Mischdüse
In
der Mischdüse
Bei
Betrieb mit Umgebungsluft kann in der Wärmekraftmaschine
Gegenüber herkömmlichen
Wärmekraftmaschinen
weist die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine
- a) Es
wird keine Temperaturerhöhung
in der Wärmekraftmaschine
1 erzeugt, sondern es wird durch Mischung zweier Fluide eine Mischtemperatur erzeugt durch Nutzung eines bereits außerhalb der Wärmekraftmaschine1 vorhandenen Temperaturgefälles. - b) Es wird auch keine Volumenausdehnung erzeugt, wie z. B. in
einer Gasturbine, sondern es wird das Volumen warmen Arbeitsfluids
verringert durch Kühlung
infolge Mischung mit kaltem Arbeitsfluid. Die Reduzierung des Volumens
des warmen Arbeitsfluids bewirkt, dass das warme Arbeitsfluid strömt und kinetische
Energie erzeugt, welche in Druck umgesetzt wird. Anschließend wird
dieser Druck mittels Turbine in Rotationsenergie umgesetzt.
Das
kalte Arbeitsfluid dehnt sich während
der Mischung aus, so dass die Volumina der beiden Arbeitsfluide,
welche in die Wärmekraftmaschine
1 eintreten, gleich sind oder nahezu gleich sind dem Volumen des Gemischs der beiden Arbeitsfluide, welches die Wärmekraftmaschine1 verlässt. Die Volumina von Treibstrahl und Schleppstrahl verhalten sich etwa wie 1:1, ebenso deren Massen. - c) Die von der Wärmekraftmaschine
1 nutzbaren Temperaturgefälle kommen häufig in der Natur oder als kostenlose Abwärme industrieller Prozesse vor, ohne dass sie künstlich erzeugt werden müssen. In solchen Fällen sind Wirkungsgrad-Berechnungen für die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine1 irrelevant. Wird das Temperaturgefälle außerhalb der Wärmekraftmaschine1 in einem künstlichen Prozess erzeugt, ist dessen Wirkungsgrad zwar für die Bestimmung der Kosten des Prozesses wichtig, zur Beurteilung der Effizienz der Wärmekraftmaschine1 eignet sich dieser Wirkungsgrad allerdings nicht. - d) Als technisches Maß für die Leistung
der Wärmekraftmaschine
1 dient ausschließlich das Verhältnis von erzeugter Rotationsenergie zum thermischem Potenzial in Gestalt unterschiedlicher Wärmekapazitäten infolge unterschiedlicher Temperaturen der beteiligten Fluide. Weil bei Durchsatz großer Massen von Fluiden mit geringem Temperaturunterschied große thermische Potenziale darstellbar sind, kann die Leistung einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine groß sein bei kleinem Temperaturgefälle. - e) Der entscheidende Maßstab
für die
Wettbewerbsfähigkeit
der Wärmekraftmaschine
1 besteht im Verhältnis von erzeugter Energie zu den Anschaffungs- und Betriebskosten. Dieses Verhältnis liegt weit unter 1.000,- Euro pro kW installierter Leistung.
- a) There is no increase in temperature in the heat engine
1 but it is created by mixing two fluids, a mixing temperature by using an already outside of the heat engine1 existing temperature gradient. - b) It is also generated no volume expansion, such. As in a gas turbine, but it is the volume of warm working fluid reduced by cooling due to mixing with cold working fluid. Reducing the volume of the warm working fluid causes the warm working fluid to flow and generate kinetic energy which is translated into pressure. Subsequently, this pressure is converted by means of turbine into rotational energy. The cold working fluid expands during the mixing so that the volumes of the two working fluids entering the heat engine
1 occur, are equal or nearly equal to the volume of the mixture of the two working fluids, which is the heat engine1 leaves. The volumes of propulsion jet and trailing jet behave approximately like 1: 1, as do their masses. - c) The heat engine
1 Usable temperature gradients are often found in nature or as free waste heat from industrial processes without having to be artificially produced. In such cases, efficiency calculations for the heat engine according to the invention1 irrelevant. If the temperature gradient outside the heat engine1 produced in an artificial process, its efficiency is indeed important for determining the cost of the process, to assess the efficiency of the heat engine1 However, this efficiency is not suitable. - d) As a technical measure of the performance of the heat engine
1 is used exclusively the ratio of generated rotational energy to the thermal potential in the form of different heat capacities due to different temperatures of the fluids involved. Because large thermal masses can be produced in the case of throughputs of large masses of fluids with a low temperature difference, the output of a heat engine according to the invention can be great with a small temperature gradient. - e) The decisive benchmark for the competitiveness of the heat engine
1 consists in the ratio of generated energy to the acquisition and operating costs. This ratio is well below € 1,000 per kW of installed capacity.
- 11
- WärmekraftmaschineHeat engine
- 22
- Treibdüsepropelling nozzle
- 33
- Mischdüsemixing nozzle
- 44
- Diffusordiffuser
- 55
- Turbineturbine
- 66
- Abtriebswelleoutput shaft
- AA
-
Querschnitt
durch Treibdüse
2 und Mischdüse3 Cross section through motive nozzle2 and mixing nozzle3 - BB
-
Querschnitt
durch den Diffusor
4 Cross section through the diffuser4 - CC
-
Querschnitt
durch die Turbine
5 Cross section through the turbine5
- 77
- zentrale Schleppdüsecentral trailer-type
- 88th
- Wasserdüse water nozzle
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200710044147 DE102007044147A1 (en) | 2007-09-15 | 2007-09-15 | Thermal engine comprises low pressure steam jet, turbine and rotor, which is connected to component in uniform manner rotating around axis |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200710044147 DE102007044147A1 (en) | 2007-09-15 | 2007-09-15 | Thermal engine comprises low pressure steam jet, turbine and rotor, which is connected to component in uniform manner rotating around axis |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102007044147A1 true DE102007044147A1 (en) | 2009-03-26 |
Family
ID=40365490
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE200710044147 Withdrawn DE102007044147A1 (en) | 2007-09-15 | 2007-09-15 | Thermal engine comprises low pressure steam jet, turbine and rotor, which is connected to component in uniform manner rotating around axis |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102007044147A1 (en) |
-
2007
- 2007-09-15 DE DE200710044147 patent/DE102007044147A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8122 | Nonbinding interest in granting licenses declared | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |