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EINLEITUNG
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Verfahren als Thermo-Hydraulikmotor für den Antrieb von Maschinen und Fahrzeugen mittels einer 2-stufigen Wärmepumpe, die mit einem Hochdruckgas (wie z. B. CO2) betrieben wird. Es können auch mehrstufige Wärmepumpen eingesetzt werden.
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NAME DER ERFINDUNG
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Verfahren als Thermo-Hydraulikmotor für den Antrieb von Maschinen und Fahrzeugen.
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TECHNISCHES GEBIET
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STAND DER TECHNIK
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Es ist nicht bekannt, ob 2-stufige Wärmepumpen genutzt werden um Druckdifferenzen in Antriebszylindern einer Maschine zu erzeugen, die wiederum eine Turbine, bzw. eine Kurbelwelle antreibt.
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DAS ZUGRUNDELIEGENDE PROBLEM
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Der Schadstoffausstoß von Verbrennungsmotoren soll wegen den derzeitigen Auflagen und Ziele der nationalen und internationalen Behörden aufgrund des Klimawandels und der Umweltverschmutzung reduziert werden. Das kann man nur erreichen, indem andere Techniken angewandt werden, welche die gängigen Verbrennungsmotoren entweder verkleinern oder ersetzen können.
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ALLGEMEINES
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Dieses Verfahren nutzt zum einen die Eigenschaft eines Hochdruckgases (wie z. B. CO2) bei geringen Temperaturschwankungen hohe Druckunterschiede zu erzielen und zum anderen die thermische Ausbeute einer Wärmepumpe, insbesondere die Nutzung der Verdichtungsendtemperatur als Wärmerückgewinnung. Hierbei werden die Temperaturen von Umgebungswasser oder -luft zum Kühlen des Gases, sowie die Kondensationswärme der Wärmepumpe zum Erhitzen von Wasser, Öl oder eine andere Flüssigkeit genutzt. Werden beide Temperaturbereiche kombiniert, um die benötigten Druckunterschiede zu erhalten, kann das Volumen, die Temperatur und der Druck des Gases genutzt werden, um Antriebskräfte zu erzeugen.
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Gemäß den physikalischen Gesetzen der Energieerhaltung handelt es sich hierbei vorwiegend um künstlich erzeugte Temperatur- und Druckunterschiede. Es wird sowohl die Energiezufuhr durch die Verdampfungsenergie, als auch die Energiezufuhr durch die Verflüssigungsenergie in einem physikalisch geschlossenem System eines linkslaufenden Carnot-Kreisprozesses (als Kältemaschine, bzw. Wärmepumpe) genutzt. Alle Regler können sowohl als Proportional, Integral-, und/oder als auch als Differentialregler etc. und die beschriebenen Ventile können entweder direkt- oder pilotgesteuert ausgeführt werden, oder ggf. über eine gemeinsame Nockenwelle geöffnet und geschlossen werden. Alle Regler können zudem mechanisch, oder über Druck- oder Temperaturtransmitter und einer Elektronik angesteuert werden. Die Antriebe aller automatisierten Ventile können entweder mechanisch, elektro-mechanisch, elektrisch, elektro-magnetisch, pneumatisch, hydraulisch, oder gleichwertig ausgeführt werden. Die aufgeführten Wärmetauscher können sowohl als Rohrbündel-, als auch als Platten-, oder Micro-Channel-Wärmetauscher oder sonstigen Wärmeaustauschtechnologien ausgeführt werden. Das nachfolgend beschriebene Verfahren, das als Antriebsmotor von Maschinen oder in PKWs, LKWs, Schiffen und anderen Fahrzeugen eingesetzt werden kann, erzeugt mittels einer 2-stufigen Wärmepumpe, welche mit einem Hochdruckgas (z. B. CO2) betrieben wird, hydraulische Druckdifferenzen an einer Turbine (C1), um eine Kurbelwelle (C4) oder eine andere Antriebsvorrichtung anzutreiben.
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TECHNISCHE BESCHREIBUNG
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Fig. 1:
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Schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufes einer 2-stufigen CO2-Wärmepumpe in einer Kaskadenschaltung mit Flüssigkeitsabscheider (L3) als Zwischenkühler zur Veranschaulichung der Funktionsweise. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Darstellung lediglich als Übersicht dient und beinhaltet deshalb nicht alle Bauteile einer gängigen CO2-Anlage.
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Die Verrohrung und die Verschaltung der Komponenten können entsprechend dem Stand der Technik jederzeit geändert und angepasst werden.
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Der HD-Verdichter (H1) saugt das vorgekühlte, dampfförmige CO2 aus dem Zylinder (A1 bzw. B1) ab und verdichtet es über den optionalen Ölabscheider (H2) in den Wärmespeicher (H5), in welchem dem CO2 die Hitze entzogen wird.
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Die Wärmetauscher (H5a bis H5n) sollen eine Temperaturschichtung innerhalb des Wärmespeichers (H5) ermöglichen, um dadurch unterschiedliche Temperaturzonen des Heizmediums zu erhalten. Weil Temperaturen von > 100°C im Wärmespeicher (H5) erzielt werden sollen, kann als Heizmedium z. B. thermisches Öl oder gleichwertig zum Einsatz kommen, bzw. kann Wasser mit dem benötigten Druck beaufschlagt werden, um eine Verdampfung zu vermeiden. Alternativ zum Wärmespeicher (H5) können Gaskühler oder gleichwertig eingesetzt werden.
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Wird der Verflüssigungsdruck überschritten, öffnet der Eintrittsdruckregler (H7) den Zulauf von CO2 in den Wärmetauscher (H6), der vom Umgebungswasser oder von der Außenluft gekühlt wird, um das CO2 subkritisch zu verflüssigen, oder als Gaskühler im transkritischen Bereich abzukühlen. Es wird hier nur eine Anlage im subkritischen Bereich dargestellt. Arbeitet die Anlage aufgrund hoher Außenlufttemperaturen im transkritischen Bereich, muss die Anlage entsprechend dem Stand der Technik konzipiert werden.
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Das verflüssigte CO2 wird im Sammler (H9) angestaut, der u. U. optional beheizt werden könnte, um den Druck der CO2 Flüssigkeit zu erhöhen. Der Schwimmerschalter (H10), oder alternativ eine andere Vorrichtung zur Messung des Flüssigkeitsstandes, wie z. B. Messsonden, überwacht das Flüssigkeitsniveau des CO2 im Sammler. Wird dieser unterschritten, öffnet das Magnetventil (L5) den Zulauf von CO2 aus dem ND-Druckbehälter (L2) in den Flüssigkeitsabscheider (H8), wobei der Druck vom Druckminderer (L6), wie z. B. einem Überströmventil oder gleichwertig reduziert wird. Dieses Verfahren soll die Undichtigkeit zwischen dem Kolben (A2 bzw. B2) und der Zylinderwand des Zylinders (A1 bzw. B1) ausgleichen, weil aufgrund der Druckunterschiede CO2 vom HD-Kreislauf in den ND-Kreislauf strömen könnte und sich dadurch das Kältemittel mit der Zeit von einem Kreislauf in den anderen verlagern kann.
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Befindet sich der Kolben (A2 bzw. B2) an seinem oberen Totpunkt im gekühlten Zylinder (A1 bzw. B1), öffnet das Magnetventil (H11) und flüssiges CO2 wird in den Zylinder-kopf des Zylinders (A1 bzw. B1) geführt. Auf der Unterseite des Kolbens (A2 bzw. B2) wirkt gleichzeitig der Hochdruck des ND-Kreislaufes, der den Kolben (A2 bzw. B2) nach oben drückt.
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Der mit flüssigem CO2 befüllte Zylinderkopf im Zylinder (A1 bzw. B1) wird nun mit dem Heizmedium aus dem Wärmespeicher (H5) stark erhitzt, was zur Verdampfung, Ausdehnung und zur Überhitzung des CO2s unter hohem Druck führt. Der Kolben (A2 bzw. B2) wird hierbei mit dem entsprechenden Dampfdruck nach unten gedrückt.
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Der ND-Verdichter (L1) saugt zeitgleich das Gas aus dem Zylinder (A1 bzw. B1) über den Saugdruckbehälter (L4) ab und verdichtet das CO2 in den Wärmetauscher (L3) im Flüssigkeitsabscheider (H8), wo es die Wärmeenergie an den HD-Kreislauf abgibt, und anschließend in den Behälter (L2). Das gegendruckunabhängige Überströmventil (L7) dient der Sicherheit der Anlage, indem es bei unzulässiger Drucksteigerung den Bypass zur Saugseite des ND-Verdichters (L1) öffnet.
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Beispiel (die Werte sind unverbindlich und dienen lediglich der Veranschaulichung):
| ND-Verdichter (L1): | Saugdruck: 6,0 bar, Verdichtungsenddruck: 57,0 bar (20°C) Sauggastemperatur Eintritt: ca. –53,2°C Verdichtungsendtemperatur Austritt: > 50°C |
| HD-Verdichter (H1): | Saugdruck: 45,0 bar (10°C), Verdichtungsdruck: 63,8 bar (25°C) Sauggastemperatur Eintritt: > 30°C (überhitztes CO2) Verdichtungstemperatur Austritt: > 195°C |
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Weil das Öl im HD-Verdichter bei den hohen Verdichtungsendtemperaturen verbrennen, bzw. verkohlen kann, sollten Verdichter zur Anwendung kommen, die ohne Öl betrieben werden. Wird dennoch ein HD-Verdichter (H1) mit Ölschmierung verwendet, wird der Einsatz eines Ölabscheiders (H2) mit Ölrückführung (H4) empfohlen.
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Fig. 2:
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Schematische Darstellung eines Hydraulikmotors mit 2 Zylindern mit dem Heiz- und Kühlmedium-Kreislauf in und auf den Zylinderköpfen. Es können auch mehrere Zylinder zum Einsatz kommen.
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Die Durchmesser der Kolben (A2 & A4 bzw. B2 & B4) können variieren, sodass der Durchmesser des Kolbens (A2) größer oder kleiner als Durchmesser des Kolbens (A4) sein kann und respektive der Kolben (B2 und B4), was letztendlich u. a. von den angewandten Drücken im System abhängt.
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Der Hydraulikmotor besteht aus dem Behälter (A3) mit innenliegendem Kolben (A4) und aus dem Behälter (B3) mit innenliegendem Kolben (B4), sowie dem Behälter (C2) und einer Turbine (C1). Alle 3 Behälter sind über eine Verrohrung oder gleichwertig mit Rückschlagklappen miteinander verbunden und werden mit einer Flüssigkeit, wie z. B. einem Hydrauliköl befüllt. Das Ausdehnungsgefäß (C3) gleicht Volumen- und Druckschwankungen innerhalb des Hydraulikmotors aus.
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Der Kolben (A2) im Gaszylinder (A1) ist über ein Gestänge (A7) fest mit dem Kolben (A4) im Hydraulikölbehälter (A3) verbunden und über z. B. eine Stopfbuchse oder gleichwertig untereinander abgedichtet. Gleiches gilt für den benachbarten Zylinder (B1) mit Kolben (B2) und Behälter (B3) mit Kolben (B4). Der Gasdruck oberhalb des Kolbens (A2 bzw. B2) drückt den Kolben (A4 bzw. B4) nach unten, wobei der Druck auf die Turbine (C1) wirkt und diese antreibt. Die Kraft der Turbine (C1) wird auf eine Kurbelwelle (C4) übertragen. Bewegt sich der Kolben (A4 bzw. B4) nach oben, indem der Kolben (A2 bzw. B2) vom Druck des CO2-ND-Kreislaufes nach oben geschoben wird, wird das Hydrauliköl über die entsprechenden Rückschlagventile oder -klappen aus dem Behälter (C2) in den Behälter (A3 bzw. B3) gesaugt.
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Im Zylinderkopf des Zylinders (A1 bzw. B1) befindet sich ein Wärmetauscher (A6 bzw. B6), der das CO2 erhitzt oder kühlt. Die Zylinderköpfe können alternativ auch direkt (ohne Wärmetauscher) mit dem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagt werden, falls eine andere Art von Zylinderkopfkühlung, bzw. -heizung verwendet wird.
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Auf dem Zylinderkopf, oder an einer anderen Stelle der Anlage befindet sich optional ein zweiter Wärmetauscher (A5 bzw. B5) der das CO2 während des Absaugens zusätzlich abkühlt, falls die Kühlleistung des Wärmetauschers (A6 bzw. B6) aufgrund der Baugröße nicht ausreichend ist.
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Funktionsweise in Schrittabläufen:
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- 1. Der Wärmetauscher (A6) kühlt den Zylinderkopf des Zylinders (A1) mit dem Kühlmedium aus dem Kältespeicher (K1, 3) auf z. B. 10°C herunter. Der Gasdruck im Zylinder (A1) reduziert sich auf z. B. 45,0 bar.
- 2. Die Magnetventile (L11) und (H12) werden geöffnet.
- 3. Der ND-Verdichter (L1) drückt mit dem Verdichtungsdruck auf die Unterseite des Kolbens (A2) und drückt diesen mit z. B. 57,0 bar nach oben.
- 4. Der HD-Verdichter (H1) saugt das CO2 aus dem Zylinder (A1), oberhalb des Kolbens (A2) mit 45,0 bar (10°C) ab.
- 5. Das abgesaugte CO2 kann im optionalen Wärmetauscher (A5) auf z. B. 10°C nachgekühlt werden, falls die Sauggastemperatur noch > 10°C betragen sollte.
- 6. Das Magnetventil (H12) wird geschlossen.
- 7. Das Magnetventil (H11) wird geöffnet.
- 8. Flüssiges CO2 strömt aus dem Sammler (H9) in den Zylinderkopf des Zylinders (A1). Sollte die Druckdifferenz nicht ausreichend sein, kann der Sammler optional beheizt werden, um den Flüssigkeitsdruck zu erhöhen.
- 9. Die Magnetventile (L11) und (H11) werden geschlossen.
- 10. Das Magnetventil (L12) wird geöffnet.
- 11. Der Wärmetauscher (A6) heizt den Zylinderkopf auf z. B. 150°C auf, sodass das flüssige CO2 verdampft, sich ausdehnt und unter Druckzunahme überhitzt.
- 12. Der ND-Verdichter (L1) saugt das CO2 unterhalb des Kolbens (A2) im Zylinder (A1) mit z. B. 6,0 bar (–53°C) ab
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Der Vorgang wiederholt sich bei Punkt 1. Oben Gesagtes gilt für den benachbarten Zylinder (B2), jedoch reziprok zum Zylinder (A1), sodass der Kolben (A1) nach unten gedrückt wird, während der Kolben (B2) nach oben gedrückt wird, und umgekehrt.
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Fig. 3:
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Schematische Darstellung der Verschaltung der 1 und der 2, als Übersicht.
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Fig. 4:
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Schematische Darstellung der Verrohrung des Heiz- und Kühlmedium-Kreislaufes zur Veranschaulichung der Funktionsweise. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Darstellung lediglich als Übersicht dient und beinhaltet deshalb nicht alle Bauteile einer gängigen Heiz- und/oder Kühlanlage.
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Die Verrohrung und die Verschaltung der Komponenten kann entsprechend dem Stand der Technik jederzeit geändert und angepasst werden.
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Durch die polytrope Verdichtung des Kältemittels CO2, oder alternativ eines anderen Hochdruckgases, wie z. B. R744A (N2O) entstehen hohe Verdichtungsendtemperaturen am Austritt des HD-Verdichters (H1). Die Verdichtungsendtemperatur wird erhöht, indem die Sauggastemperatur am Eintritt des HD-Verdichters (H1) durch die Aufnahme der Verdichtungsenergie des ND-Verdichters (L1) im Flüssigkeitsabscheider (L3) erhöht wird. Das Heizmedium im Wärmespeicher (H5) wird somit auf hohe Temperaturen aufgeheizt, wobei im Wärmespeicher (H5) idealerweise eine Temperaturschichtung erfolgt. Das Heizmedium wird von der Umwälzpumpe (W5) über das 3-Wegeventil (W6) entweder in den Wärmetauscher (A6), oder in den Wärmetauscher (B6) gefördert. Entsprechend wird die Fließrichtung des Heizmediums am 3-Wegeventil (W7) im Rücklauf zum Wärmespeicher (H5) geregelt. Das Ausdehnungsgefäß (W4) gleicht Volumenänderungen aus.
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Strangregulierventile (W8a & W8b) dienen dem Abgleich der Druckverluste. Der Wärmetauscher (K3) wird vom Umgebungswasser, bzw. der Umgebungsluft umspült, sodass dieser die Energiemenge entsprechend an die Umgebung abgibt. Der isolierte Kältespeicher (K1) wird mit Hilfe der Umwälzpumpe (K2) ungefähr auf Umgebungstemperatur (z. B. 10°C) abgekühlt. Das Ausdehnungsgefäß (K4) gleicht Volumenänderungen aus.
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Das Kühlmedium wird von der Umwälzpumpe (K5) über das 3-Wegeventil (K6) entweder in den Wärmetauscher (B6), oder in den Wärmetauscher (A6) gefördert. Entsprechend wird die Fließrichtung des Heizmediums am 3-Wegeventil (K7) im Rücklauf zum Kältespeicher (K1) geregelt.
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Die optionalen Wärmetauscher (A5 bzw. B5) werden ständig auf z. B. ca. 10°C gekühlt gehalten, sodass die Abkühlung des heißen CO2s nach der Entspannung schneller erfolgen kann.
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Strangregulierventile (K8a & K8b) dienen dem Abgleich der Druckverluste.
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Fig. 5:
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Schematische Darstellung der Regelung und Steuerung zur Veranschaulichung der Funktionsweise. Es wird darauf hingewiesen, dass 5 lediglich zur Übersicht dient und beinhaltet deshalb nicht alle Bauteile einer gängigen elektrischen und/oder elektronischen Steuer- und Regelanlage. Der Verschaltungsablauf der Komponenten kann entsprechend dem Stand der Technik jederzeit geändert und angepasst werden.
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Erreicht der Kolben (A2 bzw. B2) seinen unteren Totpunkt im Zylinder (A1 bzw. B1) wird der Endlagenschalter (A9 bzw. B9) betätigt. Die Magnetventile (L11 bzw. L14) und (H12 bzw. H14) werden geöffnet. Die 3-Wegeventile (K6 & K7) werden auf den Betriebszustand „kühlen” gestellt, um den Zylinderkopf abzukühlen. Der Kolben (A2 bzw. B2) wird nach oben geschoben.
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Erreicht der Kolben (A2 bzw. B2) seinen oberen Totpunkt im Zylinder (A1 bzw. B1) wird der Endlagenschalter (A8 bzw. B8) betätigt. Die Magnetventile (L11 bzw. L14) und (H12 bzw. H14) werden geschlossen. Das Magnetventil (H11 bzw. H13) wird geöffnet. Die 3-Wegeventile (W6 & W7) werden auf den Betriebszustand „heizen” gestellt, um den Zylinderkopf aufzuheizen. Der Kolben (A2 bzw. B2) wird nach unten gedrückt.
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Fällt der Flüssigkeitsstand im Sammler unter den Minimalwert ab, schaltet der Schwimmerschalter (H10) das Magnetventil (L15) auf öffnen.
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Die Umwälzpumpen (K2, W5 & K5) laufen im Dauerbetrieb. Die Verdichter (H1 & L1) werden über Saugdruckregler an- und abgeschaltet. Der Antrieb beider Verdichter kann entweder durch einen Elektromotor, einem Verbrennungsmotor oder einem anderen Antrieb erfolgen.
