DE102016010035A1 - Device and method as a CO2 drive motor by using the thermal energy of a heat pump - Google Patents
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Abstract
Diese Technologie, die auf den Enthalpie-Differenzen einer Wärmepumpe beruht, soll eingesetzt werden, um den allgemeinen Kraftstoffverbrauch und den Ausstoß von Schadstoffen durch herkömmliche Verbrennungsmotoren zu reduzieren. Zum Antrieb dieser Vorrichtung wird im Vergleich zu konventionellen Motoren eine geringere Menge an Energie benötigt. Mittels einer Wärmepumpe werden Druck- und Temperaturunterschiede erzeugt, die es erlauben den Druck von CO2 soweit zu erhöhen, dass dadurch eine angeschlossene Kurbelwelle oder eine hydraulische Turbine wirtschaftlich angetrieben werden kann. Die Vorrichtung kommt als Antriebsmotor von Maschinen und in PKWs, LKWs, Schiffen und anderen Fahrzeugen zum Einsatz.This technology, which is based on the enthalpy differences of a heat pump, should be used to reduce the overall fuel consumption and emissions of pollutants by conventional internal combustion engines. To drive this device, a smaller amount of energy is needed compared to conventional motors. By means of a heat pump pressure and temperature differences are generated, which allow the pressure of CO2 to increase so that it can be economically driven by a connected crankshaft or a hydraulic turbine. The device is used as a drive motor of machines and in cars, trucks, ships and other vehicles.
Description
EINLEITUNGINTRODUCTION
Verfahren als Thermo-Hydraulikmotor für den Antrieb von Maschinen und Fahrzeugen mittels den Enthalpie-Differenzen einer Wärmepumpe, mit denen ein Hochdruckgas (wie z. B. R744, R744A usw.) bei gleichbleibender Dichte wärmt und nach dessen Expansion verflüssigt wird. Es können u. U. auch 2-stufige Wärmepumpen eingesetzt werden.Process as a thermo-hydraulic motor for driving machines and vehicles by means of the enthalpy differences of a heat pump, with which a high-pressure gas (such as R744, R744A, etc.) warms at a constant density and is liquefied after its expansion. It can u. U. also 2-stage heat pumps can be used.
NAME DER ERFINDUNGNAME OF THE INVENTION
Vorrichtung und Verfahren als CO2-Antriebsmotor mittels der Nutzung der thermischen Energien einer Wärmepumpe.Device and method as a CO2 drive motor by using the thermal energy of a heat pump.
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Motoren, AntriebstechnikMotors, drive technology
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Es ist nicht bekannt, ob Wärmepumpen genutzt werden um Druckdifferenzen in den Antriebszylindern einer Maschine zu erzeugen, die wiederum eine Kurbelwelle, oder eine hydraulische Turbine antreibt.It is not known if heat pumps are used to create pressure differences in the drive cylinders of an engine, which in turn drives a crankshaft or a hydraulic turbine.
DAS ZUGRUNDELIEGENDE PROBLEMTHE ROUNDING PROBLEM
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.Pollutant emissions from internal combustion engines are expected to be reduced because of climate change and pollution, given the current requirements and targets of national and international authorities. This can only be achieved by using other techniques that can either reduce or replace common combustion engines.
ALLGEMEINESGENERAL
Dieses Verfahren nutzt die Eigenschaft eines flüssigen Hochdruckgases (wie z. B. CO2) mit geringer Temperaturerhöhung und gleichbleibender Dichte hohe Druckunterschiede zu erzielen.This method uses the property of a liquid high-pressure gas (such as CO2) with low temperature increase and constant density to achieve high pressure differences.
Gemäß den physikalischen Gesetzen der Energieerhaltung handelt es sich hierbei vorwiegend um künstlich erzeugte Temperatur- und Druckunterschiede. Es wird sowohl die Energieabfuhr durch die Verdampfung eines Kältemittels, als auch die Energiezufuhr durch die Verflüssigung eines Kältemittels in einem physikalisch geschlossenem System eines Carnot-Kreisprozesses (Kälteprozess) als Energiequelle genutzt.According to the physical laws of energy conservation, these are predominantly artificially produced temperature and pressure differences. It is used both the energy dissipation by the evaporation of a refrigerant, as well as the energy supply by the liquefaction of a refrigerant in a physically closed system of a Carnot cycle process (refrigeration process) as an energy source.
Alle nachfolgend beschriebenen Ventile können direkt- oder pilotgesteuert ausgeführt werden, bzw. über konventionelle Nockenwellen von Verbrennungsmotoren geöffnet und geschlossen werden. Alle Druckregelventile können mechanisch, thermomechanisch, 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.All valves described below can be carried out directly or pilot-controlled, or be opened and closed by conventional camshafts of internal combustion engines. All pressure control valves can be controlled mechanically, thermomechanically, or via pressure or temperature transmitters and electronics. The drives of all automated valves can be either mechanical, electro-mechanical, electrical, electro-magnetic, pneumatic, hydraulic, or equivalent. The listed heat exchangers can be designed as tube bundle, as well as plate, or micro-channel heat exchangers or other heat exchange technologies.
Die nachfolgend beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren, das als Antriebsmotor von Maschinen oder als Antrieb in PKWs, LKWs, Schiffen oder in anderen Fahrzeugen eingesetzt werden kann, erzeugt mittels einer Wärmepumpe hohe Drücke von > 100 bar, die auf die Antriebskolben einer Maschine wirken. Die Kolben (A2 bzw. B2) können über Pleuelstangen (A5 bzw. B5) eine konventionelle Kurbelwelle (D4), oder wie nachfolgend beschrieben auch eine Turbine (C1) eines Hydraulikmotors antrieben.The device described below and the method described, which can be used as a drive motor of machines or as a drive in cars, trucks, ships or in other vehicles, generated by means of a heat pump high pressures of> 100 bar, which act on the drive piston of a machine. The pistons (A2 or B2) can drive a conventional crankshaft (D4) via connecting rods (A5 or B5) or, as described below, also a turbine (C1) of a hydraulic motor.
TECHNISCHE BESCHREIBUNGTECHNICAL DESCRIPTION
Der einstufige Wärmpumpenkreislauf mit Verdichter (C1), kann alternativ auch 2-stufig ausgeführt werden. Es können unterschiedliche Kältemittel zum Einsatz kommen. Der Verdampfer kühlt das expandierte Hochdruckgas [wie z. B. R744, R744A, R503 etc.) nachfolgend nur als CO2 bezeichnet] und verflüssigt es in dessen subkritischen Bereich. Das verflüssigte CO2 wird in einem gekühlten Sammler (bei z. B. –30°C) angesammelt und anschließend über den Wärmetauscher (C20 bzw. C21) auf z. B. 80°C erwärmt, wodurch sich eine Drucksteigerung von ca. 21 bar auf ca. 900 bar ergibt.The single-stage heat pump cycle with compressor (C1) can alternatively be carried out in two stages. Different refrigerants can be used. The evaporator cools the expanded high pressure gas [such as. B. R744, R744A, R503, etc.) hereinafter referred to only as CO2] and liquefies it in its subcritical range. The liquefied CO2 is collected in a cooled collector (eg at -30 ° C) and then transferred via the heat exchanger (C20 or C21) to z. B. heated to 80 ° C, resulting in a pressure increase of about 21 bar to about 900 bar.
Alle Werte sind überschlägig angesetzt und dienen lediglich dem Verständnis des Verfahrens und des Konzeptes. Die Drücke können entsprechend begrenzt werden.All values are estimated and are intended only to understand the process and the concept. The pressures can be limited accordingly.
Das flüssige und im transkritischen Bereich unter Druck stehende CO2 wird über die Injektionsventile (A12 bzw. B12) auf die Oberseite des Kolbens (A2 bzw. B2) im Zylinder (A1 bzw. B1) geleitet. Der Druck wird hierbei von z. B. 900 bar auf z. B. 21 bar reduziert und der Kolben aufgrund der Expansion nach unten gedrückt. Das CO2 wird anschließend bei z. B. 21 bar (–18°C) verflüssigt und im Sammler, der auf z. B. –30°C gekühlt ist angesammelt.The liquid CO2 which is under pressure in the transcritical region is conducted via the injection valves (A12 or B12) to the upper side of the piston (A2 or B2) in the cylinder (A1 or B1). The pressure is hereby z. B. 900 bar on z. B. 21 bar and the piston pressed down due to the expansion. The CO2 is then at z. B. 21 bar (-18 ° C) liquefied and in the collector, the z. B. cooled to -30 ° C is accumulated.
Die Verdichtungstemperaturen am Austritt des Verdichters (C1) und/oder die Verflüssigungsenergie des Wärmepumpenkreislaufes werden für die Erwärmung vom flüssigen CO2 im Wärmetauscher (C20 bzw. C21) verwendet.The compression temperatures at the outlet of the compressor (C1) and / or the liquefaction energy of the heat pump cycle are used for the heating of the liquid CO2 in the heat exchanger (C20 or C21).
Wird das Ventil (A12 bzw. B12) geöffnet, wird der Kolben im Zylinder (A1 bzw. B1) nach unten gedrückt. Das expandierte CO2 wird dann über die Auslassventile (A14 bzw. B14) aus dem Zylinder (A1 bzw. B1) geschoben, im Wärmetauscher (C3) bei z. B. –18°C verflüssigt und im Sammler (A6) angestaut.When the valve (A12 or B12) is opened, the piston in the cylinder (A1 or B1) is pressed downwards. The expanded CO2 is then pushed out of the cylinder (A1 or B1) via the outlet valves (A14 or B14), in the heat exchanger (C3) at z. B. -18 ° C liquefied and accumulated in the collector (A6).
Der Schwimmerschalter (B9), oder eine andere Füllstands-Regelvorrichtung überwacht den CO2 Füllstand am Sammler (B6). Wird dieser unterschritten, schaltet die Anlage auf den benachbarten, mit flüssigem CO2 befüllten Sammler (A6) um. Hierzu werden die Magnetventile (B7 & A11) geschlossen und die Magnetventile (A7 & B11) geöffnet. Die Wärmepumpe kühlt nun den Sammler (B6) auf z. B. –30°C herunter und erwärmt den Sammler (A6) auf z. B. +80°C.The float switch (B9) or other level control device monitors the CO2 level at the collector (B6). If this value is undershot, the system switches over to the adjacent collector (A6) filled with liquid CO2. For this purpose, the solenoid valves (B7 & A11) are closed and the solenoid valves (A7 & B11) are opened. The heat pump now cools the collector (B6) to z. B. -30 ° C down and heats the collector (A6) on z. + 80 ° C.
Dieser Wechselprozess wird entsprechend den Füllstanden in den Sammlern (A6 & B6) wiederholt. Die Rückschlagventile (A8, B8, A10, B10, A15, B15 etc. unterstützen die Fließrichtung des Prozesses.This change process is repeated according to the fill levels in the collectors (A6 & B6). The check valves (A8, B8, A10, B10, A15, B15 etc.) support the flow direction of the process.
Der Verdichter (C1) kann von einem Elektromotor, einem Verbrennungsmotor, oder gleichwertig angetrieben werden. Dieser saugt das Kältemittel bei z. B. –30°C aus dem optionalen Flüssigkeitsabscheider (C2) ab und verdichtet es in den Wärmetauscher (C8). Wird der eingestellte Verflüssigungssolldruck überschritten, öffnet der Druckregler (C6) den Zulauf zum Wärmetauscher (C7), welcher luft- oder wassergekühlt betrieben, oder an einer weiteren Wärmerückgewinnungsanlage etc. angeschlossen werden kann.The compressor (C1) may be driven by an electric motor, an internal combustion engine, or equivalent. This sucks the refrigerant at z. B. -30 ° C from the optional liquid separator (C2) and compresses it in the heat exchanger (C8). If the set condensing setpoint pressure is exceeded, the pressure regulator (C6) opens the inlet to the heat exchanger (C7), which can be operated air- or water-cooled, or can be connected to another heat recovery system, etc.
Das verflüssigte Kältemittel wird im optionalen Sammler (C9) angestaut und anschließend dem Verdampfer (C3) zugeführt, in dem es vom Expansionsventil (C16) verdampft wird. Soll einer der CO2-Sammler (A6 bzw. B6) beheizt werden, öffnet das entsprechende Magnetventil (C17 bzw. C22) den Zulauf von heißem Kältemittel in den Wärmetauscher (C20 bzw. C21). Entsprechend wird das Magnetventil (C5) geschlossen.The liquefied refrigerant is stored in the optional collector (C9) and then fed to the evaporator (C3), where it is vaporized by the expansion valve (C16). If one of the CO2 collectors (A6 or B6) is to be heated, the corresponding solenoid valve (C17 or C22) opens the inlet of hot refrigerant into the heat exchanger (C20 or C21). Accordingly, the solenoid valve (C5) is closed.
Soll einer der CO2-Sammler (A6 bzw. B6) heruntergekühlt werden, öffnet das entsprechende Magnetventil (C14 bzw. C15) den Zulauf von flüssigem Kältemittel in den Wärmetauscher (C18 bzw. C19), in dem es vom Expansionsventil (C12 bzw. C13) verdampft wird. Die Rückschlagventile (u. a. C10 & C11) unterstützen die Fließrichtung des Prozesses. Der Ölabscheider (C4) ist optional.If one of the CO2 collectors (A6 or B6) is to be cooled down, the corresponding solenoid valve (C14 or C15) opens the liquid refrigerant feed into the heat exchanger (C18 or C19), where it is removed from the expansion valve (C12 or C13 ) is evaporated. The check valves (including C10 & C11) support the flow direction of the process. The oil separator (C4) is optional.
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.The diameters of the pistons (A2 & A4 or B2 & B4) may vary, so that the diameter of the piston (A2) may be greater or smaller than the diameter of the piston (A4) and the pistons (B2 and B4), which ultimately u , a. depends on the applied pressures in the system.
Der Hydraulikmotor besteht aus dem Behälter (A3) mit innenliegendem Kolben (A4) und aus dem Behälter (B3) mit innenliegendem Kolben (B4), sowie dem Behälter (D2) und einer hydraulischen Turbine (D1). Alle 3 Behälter sind über eine Verrohrung oder gleichwertig und Rückschlagklappen miteinander verbunden und werden mit einer Flüssigkeit, wie z. B. einem Hydrauliköl befüllt. Das (D3) gleicht Volumen- und Druckschwankungen innerhalb des Hydraulikmotors aus.The hydraulic motor consists of the container (A3) with internal piston (A4) and the container (B3) with internal piston (B4), as well as the container (D2) and a hydraulic turbine (D1). All 3 tanks are connected by a piping or equivalent and check valves are connected to each other with a liquid such. B. filled a hydraulic oil. The (D3) compensates for volume and pressure fluctuations within the hydraulic motor.
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 (D1) wirkt und diese antreibt. Die Kraft der Turbine (D1) wird z. B. auf eine Kurbelwelle (D4) übertragen. Bewegt sich der Kolben (A4 bzw. B4) nach oben, indem der Kolben (A2 bzw. B2) vom Druck des CO2s, wie unter
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