DE102011107802B4

DE102011107802B4 - Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung oder der Nutzung von Solarenergie

Info

Publication number: DE102011107802B4
Application number: DE201110107802
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: RHP GmbH
Current assignee: RHP GmbH
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: DE102011107802A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung oder von außen zugeführter Wärmeenergie, bei der die Wärmeenergie von außen nach innen durch eine für Infrarotstrahlung im wesentlichen durchlässige Wand in das Arbeitsgas eingestrahlt wird. Die Dauer der Einstrahlung wird dabei durch eine steuerbare Schicht geregelt. Bei der zugeführten Wärmeenergie kann es sich auch um solar erzeugte Energie handeln.

Description

Die vorliegende Anmeldung ist eine Zusatzanmeldung zur Patentanmeldung 10 2010 004 409.1.
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei heutigen Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung gelangt ein großer Teil der eingesetzten Energie ins Abgas und wird nicht in mechanische Energie umgesetzt.
Für die Umwandlung von Solarenergie in elektrischen Strom werden vermehrt Stirlingmotoren eingesetzt. Der Wirkungsgrad solcher Motoren ist aber noch sehr gering.
Aus DE 600 21 863 T2 ist ein Verfahren oder eine Vorrichtung zum Übertragen mechanischer Energie zwischen einem Übertragungskolben einer Stirlingmaschine und dem beweglichen Induktionsteil eines Elektrogenerators oder eines Elektromotors bekannt. Es wird dort ein Absorber beschrieben, der in der Lage ist solare Strahlungsenergie als heisse Quelle zu nutzen.
Aus DE 10 2008 004 075 A1 ist ein Stirlingmotor bekannt, der mit einem rotatorisch reversierendem Verdrängerkolben arbeitet, um alternierend Heiz- und Kühlflächen abzudecken. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad eines Stirlingmotors erheblich steigern. Allerdings ist damit auch ein erheblicher konstruktiver Aufwand verbunden, der die Massenenfertigung einer solchen Maschine fraglich erscheinen lässt.
Aus DE 10 2008 008 768 B3 ist eine Verbrennungskraftmaschine mit innerer Verbrennung bekannt, bei der die Brennraumwände für Infrarotstrahlung im Wesentlichen durchlässig sind und mit einer Schicht versehen sind, die von infrarotstrahlungsdurchlässig auf infrarotstrahlungsundurchlässig geschaltet werden kann und umgekehrt. Die Brennraumwände sind von einem Wärmespeicher umgeben und es ist möglich, Wärmestrahlung durch die Brennraumwände hindurch zu lassen oder eine Wärmeübertragung durch Strahlung zu unterbinden. Problematisch sind die für eine nennenswerte Wärmeübertragung erforderlichen hohen Temperaturen, diese sind bei Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung nur schwer zu realisieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Wärmeverluste von Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung oder von außen zugeführter Wärmeenergie durch verschiedene technische Maßnahmen zu minimieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmekraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Es wird hier eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung oder mit von außen zugeführter Wärmeenergie und wenigstens einem Kolben 1 vorgeschlagen, bei der die das Arbeitsgas 2 einschließenden Wände 3 wenigstens teilweise für Wärmestrahlung im Wesentlichen durchlässig sind und mit einer steuerbaren Schicht 4 umgeben sind, die es ermöglicht, dass die von außen ins im Arbeitsraum befindliche Arbeitsgas 2 einwirkende Strahlungsenergie durchgelassen oder an dieser Schicht reflektiert wird. 1 zeigt exemplarisch an einem Hubkolbenmotor den möglichen Aufbau einer solchen Maschine, die Erfindung ist aber auch für Rotationskolbenmaschinen, Gegenkolbenmaschinen, Kugelkolbenmotoren oder andere Wärmekraftmaschinen anwendbar.
Der Auslass und der Einlass des Wärmetauschers 6 sind mit einem Kollektorrohr 11 verbunden. Ein Fluid 19 gelangt nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 6 in ein Kollektorrohr 11. Im Kollektorrohr 11 erwärmt sich das Fluid 19 durch solare Einstrahlung und gelangt wieder zurück in den Wärmetauscher 6. Im Wärmetauscher 6 gibt das Fluid 19 einen Teil der in ihm gespeicherten Wärmeenergie ans Arbeitsgas 2 ab.
Der Wärmetauscher 6 besteht im Wesentlichen aus einem Kohlenstoff-Keramik-Verbundwerkstoff oder aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff oder aus einer Transparentkeramik, wobei der Kohlenstoff in Form von Graphit, Glaskohlenstoff, Kohlenstoff-Fasern, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanoschaum oder Graphen eingesetzt wird. Der Wärmetauscher 6 kann aber auch aus einer Mischung dieser Materialien bestehen.
Da Kohlenstoff bei hohen Temperaturen unter Sauerstoffatmosphäre eine starke Neigung zur Oxidation aufweist, wird der Wärmetauscher 6 von innen mit Keramik beschichtet, vorzugsweise mit Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Tantaloxid, Tantalcarbid, Aluminiumoxid, Zirconoxid, Hafniumoxid, Hafniumnitrid, Hafniumcarbid, Tantalhafniumcarbid, Tantalhafniumoxid, Siliziumnitrid, einer Mischung der eben genannten Keramiken oder mit einer anderen Hochtemperaturkeramik.
Die Keramik wird als dünne Schicht aufgesputtert oder durch ein Plasmabeschichtungsverfahren, beispielweise im CVD-Verfahren oder im CVI-Verfahren aufgebracht und dient als Diffusionsbarriere. Die keramischen Schichten können auch aus verschiedenen Keramiken bestehen, die als dünne Schichten nacheinander übereinander aufgebracht werden.
Der Wärmetauscher 6 wird von einem Fluid 19 durchströmt.
Als eine weitere Maßnahme gegen die oxidative Neigung des Kohlenstoffs kann dieses Fluid ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff oder Edelgas sein.
Außen ist der Wärmetauscher 6 von Vakuum 5 umgeben, um die Wärmeleitung in diese Richtung weitestgehend zu unterbinden.
Das Kollektorrohr 11 ist wenigstens teilweise als Vakuumröhrenkollektor aufgebaut, wobei das innere Rohr 12 vorzugsweise aus Graphit, Glaskohlenstoff, Kohlenstoff-Fasern, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanoschaum, Graphen, einem Kohlenstoff-Keramik-Verbundwerkstoff, einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, einer Keramik, einer Transparentkeramik oder aus einer Mischung dieser Materialien besteht. Das äußere Rohr 13 besteht aus einem für Sonnenlicht im Wesentlichen transparenten Material, vorzugsweise aus Glas, beispielsweise Quarzglas oder Borosilikatglas oder aus Glas- oder Transparentkeramik. Das innere Rohr 12 und das äußere Rohr 13 werden durch Abstandshalter aus Keramikschaum, Keramikfasergeflecht oder aus Kohlenstoffschaum auf Abstand gehalten, zwischen den beiden Rohren besteht ein Vakuum 5.
Das im Wesentlichen transparente äußere Rohr ist von innen mit selektiven Schichten versehen, welche Abstrahlungsverluste in die Umgebung minimieren. 2 zeigt, dass das Kollektorrohr 11 in einem Reflektor 14 angeordnet ist.
Es handelt sich beim Kollektorrohr 11 in Verbindung mit dem Reflektor 14 somit um einen Vakuumröhrenkollektor nach dem Stand der Technik, allerdings ist er durch die Materialauswahl auf sehr hohe Temperaturen ausgelegt.
Das Fluid wird durch den Wärmetauscher 6 und das Kollektorrohr 11 mittels einer Pumpe 15 gefördert. Wird ein Gas als Fluid 19 eingesetzt, so ist statt der Pumpe ein Gebläse verbaut. Die Fördermenge der Pumpe/des Gebläses kann geregelt werden. Die Pumpe/das Gebläse 15 kann auch entfallen und der Transport des Fluids mittels Schwerkraft über Dichteunterschiede erfolgen.
Nach dem Auslass des Kompressionsraums 16 ist eine Strömungsmaschine 17 angeordnet, in der die im Arbeitsgas 2 enthaltene Restenergie wenigstens teilweise genutzt wird. Sie ist mit einem Generator 18 verbunden, der die mechanische Energie in elektrischen Strom umsetzt.
Das Arbeitsgas 2 enthält einen Schmierstoff, vorzugsweise einen Trockenschmierstoff.
Die mit dem Arbeitsgas 2 in Kontakt befindlichen Lager sind für Trockenlauf ausgelegt.
Für die nahe Zukunft sind solare Kraftwerke in Planung, welche Kohlenmonoxid und Wasserstoff in einem Ceriumoxid-Monolithen erzeugen.
Die überschüssige Wärme solcher Kraftwerke kann ebenfalls für diese Wärmekraftmaschine genutzt werden.

Claims

Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung oder mit von außen zugeführter Wärmeenergie und wenigstens einem Kolben (1), nach Patent DE 10 2010 004 409 , bei der für Wärmestrahlung im Wesentlichen durchlässige Wände (3) wenigstens teilweise ein Arbeitsgas (2) einschließen, wobei die Wände (3) von einer steuerbaren Schicht (4) umgeben sind, die es ermöglicht, dass eine in Richtung des Arbeitsgases (2) einwirkende Strahlungsenergie im Wesentlichen durchgelassen oder an der steuerbaren Schicht reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl ein Auslass wie auch ein Einlass eines Wärmetauschers (6) mit einem Kollektorrohr (11) verbunden sind, in dem ein Fluid (19) durch solare Einstrahlung erwärmt wird und dann in den Wärmetauscher (6) gelangt.
Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung oder mit von außen zugeführter Wärmeenergie und wenigstens einem Kolben (1), nach Patent DE 10 2010 004 409 , bei der für Wärmestrahlung im Wesentlichen durchlässige Wände (3) wenigstens teilweise ein Arbeitsgas (2) einschließen, wobei die Wände (3) von einer steuerbaren Schicht (4) umgeben sind, die es ermöglicht, dass eine in Richtung des Arbeitsgases (2) einwirkende Strahlungsenergie im Wesentlichen durchgelassen oder an der steuerbaren Schicht reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (6) im Wesentlichen aus einem Kohlenstoff-Keramik-Verbundwerkstoff oder einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff besteht.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff in Form von Graphit, Glaskohlenstoff, Kohlenstoff-Fasern, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanoschaum, Graphen oder einer Mischung dieser Materialien vorliegt.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (6) von innen mit Keramik beschichtet wird, vorzugsweise mit Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Tantaloxid, Tantalcarbid, Aluminiumoxid, Zirconoxid, Hafniumoxid, Hafniumnitrid, Hafniumcarbid, Tantalhafniumcarbid, Tantalhafniumoxid, Siliziumnitrid, einer Mischung der eben genannten Keramiken oder mit einer anderen Hochtemperaturkeramik.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik aufgesputtert wird oder durch ein Plasmabeschichtungsverfahren aufgebracht wird, wobei auch verschiedene Keramiken in dünnen Schichten übereinander aufgebracht sein können.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (6) von einem Fluid (19), vorzugsweise von einem Inertgas durchströmt wird und von Vakuum (5) umgeben ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollektorrohr (11) wenigstens teilweise als Vakuumröhrenkollektor aufgebaut ist, wobei ein inneres Rohr (12) vorzugsweise aus Graphit, Glaskohlenstoff, Kohlenstoff-Fasern, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanoschaum, Graphen, einem Kohlenstoff-Keramik-Verbundwerkstoff, einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, einer Keramik, einer Transparentkeramik oder aus einer Mischung dieser Materialien besteht und ein äußeres Rohr (13) aus einem für Sonnenlicht im Wesentlichen transparenten Material besteht, wobei das innere Rohr (12) und das äußere Rohr (13) durch Abstandshalter aus Keramikschaum, Keramikfasergeflecht oder Kohlenstoffschaum auf Abstand gehalten werden.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das im Wesentlichen transparente äußere Rohr von innen mit selektiven Schichten versehen ist, welche Abstrahlungsverluste in die Umgebung minimieren.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollektorrohr (11) in einem Reflektor (14) angeordnet ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (19) durch den Wärmetauscher (6) und das Kollektorrohr (11) mittels einer Pumpe (15) oder einem Gebläse (15) gefördert wird.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auslass aus einem Kompressionsraum (16) eine Strömungsmaschine (17) angeordnet ist, in der die im Arbeitsgas (2) enthaltene Restenergie wenigstens teilweise genutzt wird.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine (17) mit einem Generator (18) verbunden ist, der die mechanische Energie in elektrischen Strom umsetzt.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas (2) einen Schmierstoff enthält.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Arbeitsgas (2) in Kontakt kommenden Lager für Trockenlauf ausgelegt sind.