DE102011014464A1

DE102011014464A1 - Maschine, die einen Wärmefluss in mechanische Arbeit und dann in elektrischen Strom umwandelt

Info

Publication number: DE102011014464A1
Application number: DE201110014464
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-19
Filing date: 2011-03-19
Publication date: 2012-09-20

Abstract

In Heißgasmotoren wird durch Wärmezufuhr und Abkühlung des Arbeitsmediums eine Druck und Volumen-Änderung erzeugt, die in mechanische Arbeit gewandelt wird, als Stirling-Kreisprozess bezeichnet. Mittels eines Verdränger-Kolbens wird das Arbeitsmedium zur Warm und Kalt-Kontaktstelle bewegt. In der vorliegenden Erfindung teilen sich Warm -und Kalt einen Arbeitsraum und werden durch einen thermisch isolierenden Abdecker aktiv oder inaktiv, also thermisch aufgedeckt bzw. abgedeckt, auf erwärmen-abkühlen-erwärmen usw. umgeschaltet Zudem gibt es zwei Arbeitsräume, die den Arbeitskolben in beide Richtungen bewegen ohne äußere Einwirkung des Atmosphärendrucks. Des weiteren kann Gas/Gasgemisch oder Verdampfungs-Flüssigkeit als Arbeits-Medium verwendet werden. Der Arbeitskolben ist magnetisch und bewegt sich in einem Zylinder, der als Stator zur Stromerzeugung dient. Neben der Stromerzeugung kann der Wärmefluss auch als gesteuerter Wärmewiderstand Verwendung finden. Je nach Anforderung kann die warme oder kalte Seite Temperatur gesteuert/geregelt werden. Fließt viel Wärme, so kann noch zusätzlich Strom erzeugt werden. Durch gleichstellen der Abdecker kann der Wärmefluss stark reduziert werden, es stellt sich also ein hoher Wärmewiderstand ein. Für einfache mechanische Aufgaben wie z. Bsp. Pumpen kann die Kolbenbewegung auch direkt abgegriffen werden. Durch geeignete Gestaltung der warmen bzw. kalten Seiten kann die Wärme-Senke bzw. Wärme-Quelle den Erfordernissen weitgehend angepasst werden. Auch ist eine flächenmäßige Aneinander-Reihung gut möglich.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kraft-Wärme Maschine zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Leistung und im folgenden in elektrische Leistung.
Wärmefluss wird üblicherweise von Heißgasmotoren, auch Stirling-Motoren genannt, in mechanische Arbeit umgewandelt.
Eine Vielzahl von Patenten und Ausführungen gibt es dazu. Alle sind mehr oder weniger aufwändig in der Ausführung. Um das Arbeitsmedium aufzuwärmen und abzukühlen, ist viel Aufwand nötig um es an die notwendige thermische Kontaktstelle zu bringen.
Es besteht auch die Möglichkeit die Wärmedifferenz direkt in elektrische Leistung umzuwandeln. Das sind z. Bsp. umgedrehte Peltier-Elemente, die den Seebeck-Effekt ausnützen. Allerdings sind diese sehr teuer und haben einen schlechten Wirkungsgrad.
Im technischen Umfeld finden sich häufig Temperaturdifferenzen wie z. Bsp in der Heizung zur Brauchwassererwärmung, die nicht für die Erzeugung von elektrischer Leistung benutzt werden. Kleinkraftwerke mit Wärme-Kraft-Kopplung setzen sich nur zögernd durch.
Offenbarung der Erfindung
Gasförmige Medien dehnen sich bei Wärmezufuhr aus und erhöhen den Druck im Arbeitsraum. Abkühlung bewirkt eine Volumen-Abnahme und Druckabnahme. Es braucht also eine warme und eine kalte Seite, also eine Temperatur-Differenz, dass ein Wärmefluss zustande kommt. Das Arbeits-Medium wird also abwechselnd erwärmt und abgekühlt und die dabei entstehende Druck und Volumen-Änderung mittels Arbeits-Kolben in mechanische Arbeit umgewandelt.
(Stirling-Kreisprozess).
Um nun die Temperatur des Arbeitsmediums zu ändern, muss nun bei den üblichen Heißluftmotoren das Arbeitsmedium auf die Seite bewegt werden, an der die erforderliche Temperatur anliegt. Dies geschieht üblicherweise mit einem Verdränger-Kolben.
In der vorliegenden Erfindung liegen sich die warme und kalte Seite jedoch gegenüber in einem Arbeitsraum und sind gegeneinander thermisch isoliert.
Die Umschaltung von Erwärmung (Wärme-Quelle) auf Abkühlung (Wärme-Senke) bzw. von Abkühlung auf Erwärmung des Mediums im Arbeitsraum übernimmt ein Abdecker. Das Arbeits-Medium muss also nicht zur warmen bzw. kalten Kontaktstelle gebracht werden.
Die jeweils aktive Seite wird durch aufdecken freigegeben, das heißt, das Arbeitsmedium hat direkten thermischen Kontakt und die inaktive Seite wird abgedeckt, also thermisch (nahezu) unwirksam gemacht. So muss zum Umschalten nur ein kleiner und leichter Abdecker gedreht werden, der sich im kleinen Abstand zur Halbschale sich drehen kann.
Der Arbeitsraum ist doppelt ausgeführt und arbeitet gegensinnig, ist also im Arbeits-Ablauf symmetrisch gespiegelt (Siehe 1). Die Abkühlen-Phase und Aufheiz-Phase sind gleich lang. Der Arbeitskolben arbeitet immer mit einer inneren Druck-Differenz und ist vom Atmosphären-Luftdruck unabhängig.
Eine bevorzugte Ausgestaltung ist die Gestaltung der thermischen Kontaktfläche mit einem hohen Emissionsfaktor.
In der klassischen Stirling Lösung benötigt die Oberfläche des Verdrängerkolbens wegen Metallkontakt eine Schmierung, diese wird hier nicht benötigt.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Erfindung als gesteuerter (geregelter) Wärmewiderstand arbeiten. Von der warmen Seite kann Wärmeenergie dosiert auf die kalte Seite geleitet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Vorrichtung als Ergänzung zum ohnehin notwendigen Wärmetransport z. Bsp bei der Erwärmung von Brauchwasser in einer Hochtemperatur-Heizung verwendet werden. Ist ein Wärmetransport vorhanden, weil z. Bsp das Brauchwasser kalt ist und erwärmt werden muss, kann der dann damit notwendige Wärmetransport zusätzlich in mechanische und im folgenden in elektrische Leistung umgewandelt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Arbeitskolben mit einem Permanent-Magnet versehen, stellt also den beweglichen Teil, eines Linear-Strom-Generators dar. Der Zylinder hat dann zusätzliche magnetische Leitelemente und Spulen, um die mechanische Bewegung in Strom umwandeln. Er ist also der Stator-Teil des Generators. Damit kann in einem kompakten System direkt die mechanische Leistung in elektrische umgewandelt werden.
In der Ausgestaltung werden zwei Varianten bevorzugt:

a) Betrieb mit Gas/Gasgemisch als Arbeitsmedium
b) Betrieb durch Verdampfungs-Flüssigkeit als Arbeitsmedium

Durch verdampfen, bzw. kondensieren ergeben sich wesentlich größere Volumenänderungen als im Betrieb mit Variante a).
Zudem wird durch die deutlich größere Aufnahme an Wärmeenergie der Wärmetransport gesteigert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer in mechanischer Arbeit ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in:
1: Längsquerschnitt
2: aufgeschnittene Seitenansicht
Eine Halbschale (1), in der Zeichnung unten liegend, als Wärme-Quelle mit äußerer Wärmezufuhr in das System.
Eine Halbschale (2) als Wärme-Senke mit Abgabe der Wärmeenergie in die Umgebung, bzw. in der Ausgestaltung zum Wärmetransport als Wärmequelle für das angeschlossene weitere System.
Beide aus gut Wärme leitendem Material und hohem Emissionsfaktor im Bereich des Arbeitsmediums (10) und (11).
Einen thermischen Isolator (3), der einen hohen thermischen Widerstand darstellt, um möglichst geringen Wärmefluss zwischen (1) und (2) sicherzustellen.
Ein Arbeitskolben (4), der sich in einem Zylinder (5) bewegen kann und somit die Ausdehnung des gasförmigen Mediums in mechanische Arbeit umwandelt.
Der Kolben (4) hat in einer besonderen Ausgestaltung eine Doppelfunktion und ist mit einem Permanent-Magnet versehen, stellt also den beweglichen Teil, der „lineare Rotor⇀, des Linear-Strom-Generators dar.
Der Zylinder (5) hat ebenfalls eine Doppelfunktion und hat magnetische Leitelemente und Spulen, um die mechanische Bewegung in Strom umwandeln. Er ist also der Stator-Teil des Generators.
In der bevorzugten Ausgestaltung haben Kolben (4) und Zylinder (5) eine geringe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit. Das verhindert den thermischen Nebenschluss zwischen den beiden Kammern (10) und (11).
Beidseitig in jedem Arbeitsraum (10) und (11) befinden sich zwei Abdecker (6) und (7), die von einem Stellorgan (8) und (9) bei Stromerzeugung in die jeweils gegenüberliegende Lage gebracht werden. Die Stellorgane (8) und (9) bilden zudem den Abschluss der beiden Arbeitsräume.
Bevorzugte Ausgestaltung ist ein elektrisch/elektronisch gesteuerter Betrieb der Stellung der Abdecker. Genauso möglich ist die mechanische Kopplung der Abdecker an die Bewegung des Arbeitskolbens, ähnlich zu den bekannten Stirling-Motoren.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung ist der temperaturgesteuerte Betrieb der Vorrichtung. Hierbei kann sowohl die warme als auch die kalte Seite temperaturgesteuert (bzw. geregelt) werden.
Wird ein geringer Wärmefluss vom System gefordert, so gehen beide Abdecker (6) und (7) in die gleiche Position, es stehen also beide auf der warmen bzw. kalte Seite, je nachdem, ob die kalte oder warme Seite geregelt wird. Das heißt, es fließt die geringst-mögliche Wärme von der Warmseite zur Kaltseite.
Ist im geregelten, bzw. ungeregelten Betrieb der erforderliche Wärmefluss groß genug, kann Strom erzeugt werden.
Eine weitere Ausgestaltung ergibt sich durch direkter Verwendung der mechanischen Arbeit des Arbeitskolbens für z. Bsp Pumpenbetrieb oder ähnliches.
Wirkungs-Ablauf zur Verdeutlichung des Arbeitsprinzips:
In der in 1 gezeichneten Stellung ist der linksseitige Abdecker (7) unten und der rechtsseitige Abdecker (6) oben.
Also wird das rechte Arbeitsvolumen (11) warm und dehnt sich aus, das linke Arbeitsvolumen (10) dagegen wird abgekühlt.
Der Kolben (4) bewegt sich durch die Ausdehnung des Gases nach links bis in die linke Endstellung, diese wird steuerungstechnisch erfasst.
Um dann die Bewegung umzukehren, werden beide Abdecker jeweils um 180 Grad gedreht, also ist links die obere kalte Seite abgedeckt und das vorher abgekühlte Arbeitsmedium wird durch die aufgedeckte warme Seite nun wieder erwärmt.
Dagegen wird rechts die untere warme Seite abgedeckt und das Arbeitsmedium wird durch die obere kalte Seite abgekühlt.
Der Kolben (4) bewegt sich deshalb nach rechts bis in die rechte Endstellung, die ebenfalls steuerungstechnisch erfasst wird.
Nun beginnt der Zyklus wieder von neuem.

Claims

Dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz eines Abdeckers innerhalb eines Arbeitsraumes der Wärmefluss von Wärmequelle zur gegenüberliegenden Wärmesenke gesteuert werden kann, um im gesteuerten Betrieb einen Wärmefluss zur Erzeugung von Strom auszunutzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Steuerung der beiden Abdecker zwischen bevorzugter Stromerzeugung und bevorzugtem Wärmefluss gesteuert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium gasförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium der Zyklus Kondensat/Verdampfung eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass Systemdruck und Betriebstemperatur geeignet gewählt werden können um Optimierung bezüglich Wärmetransport oder Effizienz zu realisieren.
Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Anpassung des Systemdruckes eine Verschiebung des Kondensationspunktes (Arbeitspunkt) möglich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Arbeitsräume entgegengesetzt wirken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Arbeit direkt genutzt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Seite bezüglich Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme besonders optimiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einheiten zusammen betrieben werden können.