DE102019126199A1

DE102019126199A1 - Drehkolbenmaschine und verdampferanlage

Info

Publication number: DE102019126199A1
Application number: DE102019126199.6A
Authority: DE
Inventors: Clemens PANNING; Peter Panning; Andreas Czwaluk
Original assignee: Cam Energy GmbH
Current assignee: Cam Energy GmbH
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2021-04-01
Also published as: WO2021058828A1; EP4034750A1

Abstract

Eine der zentralen Motivationen und Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung beruht in der Herausforderung einer Optimierung von Biogasanlagen dahingehend, dass insbesondere alternative Substrate, wie z.B. Geflügelmist, als zumindest teilweiser Ersatz für den direkten Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen, wie Mais und Ganzpflanzensilage, mit hohem Wirkungsgrad verwendet werden können. Vor allem die Anforderungen an eine nachhalte Weiterverarbeitung der Gärreste aus solchen Biogasanlagen stellen eine Herausforderung dar.Einer der zentraler Lösungsansätze bietet eine im Rahmen der Erfindung vorgeschlagene Pumpe bzw. Wärmepumpe, welche insbesondere für einen gesteuerten Kondensationsvorgang bei der Massenreduktion (Eindicken) durch Eindampfen nebst gleichzeitiger Hygiensisierung des Konzentrats und des Kondensates insbesondere für eine nahezu vollständige Wärmerekuperation genutzt werden kann und außerdem gleichzeitig auch als Vakuumpumpe und Brüdenverdichter wirken kann.

Description

Eine der zentralen Motivationen und Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung beruht in der Herausforderung einer Optimierung von Biogasanlagen dahingehend, dass insbesondere alternative Substrate, wie z.B. Geflügelmist, als zumindest teilweiser Ersatz für den direkten Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen, wie Mais und Ganzpflanzensilage, mit hohem Wirkungsgrad verwendet werden können. Vor allem die Anforderungen an eine nachhalte Weiterverarbeitung der Gärreste aus solchen Biogasanlagen stellen eine Herausforderung dar. Eine ähnlich wachsende Herausforderung vor dem Hintergrund der Zielsetzungen im Gewässerschutz stellt die Aufbereitung von Gülle dar.
Einer der zentraler Lösungsansätze bietet eine im Rahmen der Erfindung vorgeschlagene Pumpe bzw. Wärmepumpe, welche insbesondere für einen gesteuerten Kondensationsvorgang bei der Massenreduktion (Eindicken) durch Eindampfen nebst gleichzeitiger Hygiensisierung des Konzentrats und des Kondensates insbesondere für eine nahezu vollständige Wärmerekuperation genutzt werden kann und außerdem gleichzeitig auch als Vakuumpumpe und Brüdenverdichter wirken kann.
Eine der Herausforderungen hierbei war insbesondere, eine Pumpe bereitzustellen, welche einerseits eine hohe Pumpleistung bei hohem Wirkungsgrad erreicht und andererseits ausreichend resistent ist bei hohen Temperaturen und der hohen Feuchtigkeit. Gelöst wurde das Problem durch eine Drehkolbenmaschine und ihre Verwendung insbesondere als Vakuumpumpe bzw. als Brüdenverdichter mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
So betrifft die Erfindung in einem Aspekt eine Drehkolbenmaschine, insbesondere zur Nutzung als Wärmepumpe oder Vakuumpumpe oder Brüdenpumpe. Die Drehkolbenmaschine umfasst dabei ein Gehäuse mit Öffnungen zum Ein- und/oder Auslassen eines (insbesondere kompressiblen bzw. gasförmigen) Arbeitsmediums, wie zum Beispiel Luft oder Dampf (insbesondere Wasserdampf) oder einem Gemisch aus Luft und Dampf. Vorzugsweise sind im Gehäuse getrennte Einlass- und Auslassöffnungen vorgesehen. Außerdem umfasst die Drehkolbenmaschine zumindest ein Planetengetriebe mit zumindest einem (vorzugsweise um eine Zentralachse der Drehkolbenmaschine drehbaren) Sonnenrad und/oder zumindest einem Hohlrad und mit zumindest einem Planetenrad. Je nach Ausführungsform läuft/rollt das zumindest eine Planetenrad insbesondere am Innenumfang des zumindest einen Hohlrades und/oder am Außenumfang des zumindest einen Sonnenrades ab (z.B. zwischen dem zumindest einen Sonnenrad und dem zumindest einen Hohlrad). Dabei wird das zumindest eine Planetenrad an einem zugehörigen Rotationszentrum des jeweiligen Planetenrades von zumindest einem Planetenträger getragen. Dabei ist das Planetenrad relativ zum Planetenträger um das Rotationszentrum des Planetenrades drehbar. Der zumindest eine Planetenträger wiederum ist um ein Rotationszentrum des Planetengetriebes (insbesondere um die Zentralachse der Drehkolbenmaschine) relativ zum Hohlrad und/oder relativ zum Sonnenrad drehbar.
Es ist dabei nicht zwingend notwendig, dass das hier bezeichnete Planetengetriebe neben dem zumindest einen Planetenrad sowohl ein Hohlrad als auch ein Sonnenrad gleichzeitig aufweist, wie dies für Planetengetriebe häufig üblich ist. Vielmehr reicht in bevorzugten Ausführungsformen, wenn entweder ein Hohlrad oder ein Sonnenrad vorgesehen ist, an welchem das zumindest eine Planetenrad abrollt. Auch dieser (reduzierte) Aufbau, in dem entweder kein Sonnenrad oder kein Hohlrad vorgesehen ist soll als Planetengetriebe im Sinne dieser Beschreibung verstanden werden. Beispielsweise könnte in einer bevorzugten Ausführungsform auf ein Sonnenrad verzichtet werden.
Auch für die Frage, welche der Komponenten des Planetengetriebes zu einer Rotation angetrieben werden und welche Komponenten dagegen fest sind, also welche Komponenten dem Antriebe und welche dem Abtrieb dienen, können verschiedene Ausführungsformen realisiert werden. Entscheidend ist im Allgemeinen lediglich, dass sich der Planetenträger relativ zum Sonnenrad und/oder zum Hohlrad dreht und dass sich durch diese Relativbewegung auch das zumindest eine Planetenrad um dessen Rotationszentrum, über das es vom Plantenträger getragen wird, dreht.
Wie dies aus der Funktionsweise eines Planetengetriebes bekannt ist, rollt das zumindest eine Planetenrad, insbesondere angetrieben durch die relative Bewegung des zumindest einen Planetenträgers zu dem zumindest einen Sonnenrad und/oder zu dem zumindest einen Hohlrad, an der Innenseite des Hohlrades und/oder an der Außenseite des Sonnenrades ab, wobei sich vorzugsweise ein Zentrum des Planetenrades (Planetenzentrum) auf einer insbesondere kreisförmigen Bahn um das Zentrum des Hohlrades bzw. das Zentrum des Sonnenrades bewegt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das zumindest eine Hohlrad oder das zumindest eine Sonnenrad feststeht, also dem Abtrieb dient und sich der Planetenträger um das Rotationszentrum des Planetengetriebes dreht.
Dabei legt das zumindest eine Planetenrad zumindest einen ersten Kurbelpunkt und zumindest einen zweiten Kurbelpunkt derart fest, dass sie sich derart bewegen, dass sich ein erster Kurbelwinkel des zumindest einen ersten Kurbelpunkts von einem zweiten Kurbelwinkel des zumindest einen zweiten Kurbelpunkts unterscheidet, wenn als jeweiliger Kurbelwinkel ein Winkel zwischen einem jeweiligen Planetenvektor und einem jeweiligen Kurbelvektor verstanden wird, wobei als jeweiliger Planetenvektor ein Vektor von dem Rotationszentrum des zumindest einen Planetengetriebes zu einem jeweiligen Rotationszentrum des den jeweiligen Kurbelpunkt festlegenden Planetenrades und als jeweiliger Kurbelvektor ein Vektor vom jeweiligen Rotationszentrum des den jeweiligen Kurbelpunkt festlegenden Planetenrades zum jeweiligen Kurbelpunkt bezeichnet. Die Kurbelpunkte bewegen sich somit insbesondere synchron zu dem zumindest einen Planetenrad und synchron (also insbesondere mit gleicher Frequenz/Periode) aber mit unterschiedlicher Phase relativ zueinander. Insbesondere folgen die Kurbelpunkte im Wesentlichen einer Bewegung des zumindest einen Planetenrades, welches sich zumindest um ein eigenen Zentrum und vorzugsweise außerdem um das Rotationszentrum des Planetengetriebes dreht. Dazu sind der erste und der zweite Kurbelpunkt insbesondere relativ zu dem zumindest einen Planetenrad befestigt und durchlaufen insbesondere periodische Zykloidenbahnen um das Rotationszentrum des Planetengetriebes. Die beiden Kurbelpunkte bewegen sich dabei innerhalb ihrer periodischen Bahnen phasenversetzt zueinander, wobei der Phasenversatz während des Betriebs der Drehkolbenmaschine vorzugsweise konstant bleibt.
Außerdem umfasst die Drehkolbenmaschine einen ersten Rotationskörper, welcher mittels des ersten Kurbelpunktes zu einer Rotation um eine Zentralachse angetrieben wird, und einen zweiten Rotationskörper, welcher mittels des zweiten Kurbelpunktes zu einer Rotation um die Zentralachse angetrieben wird. Insbesondere treibt die bevorzugte Zykloidenbewegung jedes Kurbelpunktes um das Rotationszentrum des Planetengetriebes einen der Rotationskörper an. Durch die unterschiedlichen Kurbelwinkel und den damit phasenversetzten Verlauf der Winkelgeschwindigkeit des Kurbelpunkte auf ihrer Bewegung um das Rotationszentrum des Planetengetriebes entstehen während der Rotation der Rotationskörper zumindest zweitweise unterschiedliche erste und zweite Rotationsgeschwindigkeiten. Um dies für eine Pumpenwirkung nutzbar zu machen, weist jeder Rotationskörper zumindest einen radial sich nach außen erstreckenden (insbesondere sektorförmigen) Flügel auf, wobei die Flügel der Rotationskörper so ineinander greifen, dass in Umfangsrichtung der Rotation um die Zentralachse die Flügel der unterschiedlichen Rotationskörper jeweils abwechselnd angeordnet sind und jeweils zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgende Flügel zusammen mit dem Gehäuse ein Arbeitsvolumen für das Arbeitsmedium bilden. Durch die Rotation der Rotationskörper überstreichen die Flügel eine Innenfläche des Gehäuses und die zwischen den Flügeln gebildeten Arbeitsvolumina rotieren vorzugsweise zusammen mit den Rotationskörpern im Gehäuse um die Rotationsachse. Aufgrund der zwischen den Rotationskörpern zeitversetzten Veränderungen der Rotationsgeschwindigkeiten werden die Arbeitsvolumina während der Rotation verändert, d.h. insbesondere periodisch größer und kleiner. Außerdem können durch die Rotation der Rotationskörper und damit auch der Arbeitsvolumina innerhalb des Gehäuses Auslass- und/oder Einlassöffnungen im Gehäuse wechselweise freigegeben, also mit den Arbeitsvolumina verbunden werden, um Arbeitsmedium in die Arbeitsvolumina einströmen oder daraus ausströmen zu lassen. Damit wird in sehr effizienter Weise ein Pumpeneffekt erreicht, wobei jeder der Rotationsköper zusammen mit dessem/dessen Flügel(n) ein Flügelrad innerhalb eines Pumpenraums der Drehkolbenmaschine bildet. Vorzugsweise unterscheiden sich die Kurbelwinkel um 180° bzw. π. Dadurch wird ein besonders hoher Pumpenhub erreicht.
Insbesondere können die Öffnungen zum Ein- und/oder Auslassen des Arbeitsmediums derart im Bereich einer Umfangsfläche und/oder einer Stirnfläche des Gehäuses ausgebildet sein, dass bei Rotation der Rotationskörper das zumindest eine zwischen den Flügeln der Rotationskörper gebildete Arbeitsvolumen nur zeitweise mit den Öffnungen bzw. mit zumindest einer Öffnung verbunden ist. Im Übrigen verschließen die Flügel die Öffnungen und/oder trennen die Öffnungen zumindest teilweise von dem zumindest einen Arbeitsvolumen. Während das Arbeitsvolumen von den Öffnungen getrennt ist, wird das Arbeitsmedium bei Rotation der Rotationskörper insbesondere komprimiert oder expandiert. Andererseits kann das Arbeitsmedium in der Zeit, in der das Arbeitsvolumen mit zumindest einer Öffnung verbunden ist, entweder aus dem Arbeitsvolumen gedrückt oder in das Arbeitsvolumen eingesaugt bzw. eingeströmt werden.
Zum Antreiben der Drehkolbenmaschine umfasst die Drehkolbenmaschine vorzugsweise eine um die Zentralachse drehbare Welle. Besonders bevorzugt treibt diese Welle insbesondere direkt den Planetenträger an. Vorzugsweise ist dabei das zumindest eine Hohlrad oder das zumindest eine Sonnenrad gehäusefest (also am Gehäuse oder zumindest relativ zum Gehäuse im Wesentlichen fest) montiert bzw. zum Gehäuse verbunden. Insbesondere in dieser Ausführungsform ist es nicht erforderlich, dass sowohl eine Sonnenrad als auch ein Hohlrad vorhanden ist. Beispielsweise kann ein feststehendes Hohlrad vorgesehen sein, während auf ein Sonnenrad verzichtet wird. Es kann aber auch vorteilhaft sein, dennoch ein Sonnenrad vorzusehen, welches insbesondere als Abrollstütze für das zumindest eine Planetenrad dient.
In einer anderen Ausführungsform ist eine um die Zentralachse drehbare Welle zum Antreiben des zumindest einen Hohlrades oder des zumindest einen Sonnenrades vorhanden. Dabei wird ist in einer Variante Planetenträger rotationsfest zum Gehäuse verbunden. Damit dreht sich in dieser Variante lediglich das angetriebene Hohlrad bzw. Sonnenrad um das Rotationszentrum des Planetengetriebes, was wiederum zu einer Relativdrehung zwischen dieser Komponente und dem Planetenträger führt. Gleichzeitig aber dreht sich auch das zumindest eine Planetenrad um dessen Rotationszentrum und treibt damit die zumindest zwei Rotationskörper zu (lokal) oszillierenden Drehungen an. In einer anderen Variante sind sowohl ein Hohlrad als auch ein Sonnenrad vorgesehen, wobei eines von beiden durch die drehbare Welle (direkt) angetrieben wird, während das andere fest zum Gehäuse verbunden ist. In diesem Fall rollt das zumindest eine Planentenrad zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad ab und der Planetenträger rotiert um das Rotationszentrum des Planetengetriebes.
In einer Ausführungsform ist es grundsätzlich möglich, den ersten und zweiten Kurbelpunkt am selben Planetenrad (insbesondere in Drehrichtung des Planetenrades versetzt zueinander) anzubringen. Damit kann dieses Planetenrad den ersten und zweiten Rotationskörper gleichzeitig steuern. Insgesamt wäre es auch grundsätzlich möglich, die Rotationskörper jeweils über einen einzigen Kurbelpunkt anzutreiben. Für eine möglichst effiziente Kraftverteilung und Systembelastung ist es aber besonders vorteilhaft, wenn das zumindest eine Planetenrad eine Vielzahl von Planetenrädern umfasst, von denen jedes einen ersten und/oder einen zweiten Kurbelpunkt des zumindest einen ersten bzw. zweiten Kurbelpunktes festlegt. Besonders bevorzugt sind die Rotationszentren der Vielzahl von Planetenrädern äquidistant zueinander auf einer (kreisförmigen) Umlaufbahn um die Zentralachse angeordnet. Damit arbeitet das Planetengetriebe aufgrund einer gleichmäßigen Lastverteilung besonders verschleißarm.
Auch bei Verwendung einer Vielzahl von Planetenrädern ist es möglich, an jedem Planetenrad sowohl einen ersten als auch einen zweiten Kurbelpunkt vorzusehen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Kurbelpunkte zum Antrieb des ersten bzw. zweiten Rotationskörpers aber an getrennten Planetenrädern vorgesehen. Somit umfasst die Vielzahl von Planetenrädern vorzugsweise zumindest ein erstes Planetenrad, welches den zumindest einen ersten Kurbelpunkt festlegt, und zumindest ein zweites Planetenrad, welches den zumindest einen zweiten Kurbelpunkt festlegt.
Besonders bevorzugt umfasst der zumindest eine erste Kurbelpunkt eine Gruppe von ersten Kurbelpunkten, wobei das zumindest eine erste Planetenrad eine Gruppe von ersten Planetenrädern umfasst, von denen jedes einen ersten Kurbelpunkt der Gruppe von ersten Kurbelpunkten festlegt. Alternativ oder zusätzlich umfasst der zumindest eine zweite Kurbelpunkt vorzugsweise eine Gruppe von zweiten Kurbelpunkten, wobei das zumindest eine zweite Planetenrad eine Gruppe von zweiten Planetenrädern umfasst, von denen jedes einen zweiten Kurbelpunkt der Gruppe von zweiten Kurbelpunkten festlegt. So ist es insbesondere möglich, innerhalb eines Planetengetriebes eine Vielzahl von Planetenrädern anzuordnen, die abwechselnd einer Gruppe von ersten Planetenrädern und einer Gruppe von zweiten Planetenrädern zugewiesen werden und dabei entsprechend den ersten bzw. zweiten Rotationskörper antreiben.
Insbesondere für höhere Belastungen ist es besonders bevorzugt, nicht nur die Planetenräder innerhalb eines Planetengetriebes zu unterscheiden, sondern direkt getrennte Planetengetriebe für den Antrieb des ersten und zweiten Rotationskörpers vorzusehen. Somit umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform der Drehkolbenmaschine das zumindest eine Planetengetriebe ein erstes Planetengetriebe mit einem ersten Sonnenrad und/oder einem ersten Hohlrad und jedenfalls mit zumindest einem ersten Planetenrad (insbesondere zwischen dem ersten Sonnenrad und dem ersten Hohlrad), welches von einem ersten Planetenträger getragen wird, wobei das zumindest eine erste Planetenrad den zumindest einen ersten Kurbelpunkt festlegt. Außerdem umfasst das zumindest eine Planetengetriebe in dieser Ausführungsform ein zweites Planetengetriebe mit einem zweiten Sonnenrad und/oder einem zweiten Hohlrad und jedenfalls mit zumindest einem zweiten Planetenrad (insbesondere zwischen dem zweiten Sonnenrad und dem zweiten Hohlrad), welches von einem zweiten Planetenträger getragen wird, wobei das zumindest eine zweite Planetenrad den zumindest einen zweiten Kurbelpunkt festlegt. Um eine gleiche Periodizität der Bewegungen der Rotationskörper zu erreichen, weisen die beiden Planetengetriebe vorzugsweise gleiche Radiusverhältnisse zwischen Sonnenrad bzw. Hohlrad und Planetenrad in den beiden Planetengetrieben auf. Besonders bevorzugt sind sogar sowohl die Sonnenrad- bzw. Hohlradradien der beiden Planetengetriebe gleich, als auch deren Planetenradradien.
Gerade bei Verwendung zweier Planetengetriebe können die ineinandergreifenden Flügelräder (Drehkolben) sehr gut getrennt voneinander angetrieben werden, wenn sie insbesondere zwischen den Planetengetrieben angeordnet sind. Dabei ist insbesondere ein Antrieb mit einer gemeinsamen Welle möglich. Vorzugsweise werden also der erste und zweite Planetenträger oder das erste und zweite Sonnenrad bzw. das erste und zweite Hohlrad von der drehbaren Welle angetrieben, wobei der erste und der zweite Rotationskörper (in einer Richtung entlang der drehbaren Welle) zwischen dem ersten und dem zweiten Planetengetriebe angeordnet sind. Der erste bzw. zweite Rotationskörper kann dann eine erste bzw. zweite Hohlwelle umfassen, welche auf der Welle läuft und das Drehmoment vom jeweiligen Planetengetriebe auf die jeweiligen Flügel überträgt.
Um die (insbesondere zykloidische) Bewegung der Kurbelpunkte als Drehmoment auf die Rotationskörper zu übertragen weist der erste und/oder der zweite Rotationskörper vorzugsweise für jeden ersten bzw. zweiten Kurbelpunkt eine Linearführung und/oder Kurvenführung auf, entlang welcher der jeweilige Kurbelpunkt geführt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die Führungsrichtung im Wesentlichen (z.B. in Form einer Linearführung) in radialer Richtung des jeweiligen Rotationskörpers. Die Führung kann beispielsweise als Führungsschiene und/oder als Führungsrille/Führungsschlitz (z.B. in Form einer Kulissenführung) ausgebildet sein. Über diese Führung werden insbesondere radiale Bewegungen bzw. Kraftübertragungen der Führungspunkte auf die Rotationskörper vermieden während die Drehmomente zum Antrieb der Rotation wirkungsvoll übertragen werden.
Ein besonders effizienter Betrieb bei einer einfachen Konstruktion wird erreicht, wenn das Verhältnis eines Radius des Sonnenrades (Sonnenradius) zu einem Radius des zumindest einen Planetenrades (Planetenradius) einen Wert von 1:1 oder 2:1 oder 3:1 aufweist oder wenn das Verhältnis eines Radius des Hohlrades (Hohlradradius) zu einem Radius des zumindest einen Planetenrades einen Wert von 3:1 oder 4:1 oder 5:1 aufweist. Die Ganzzahligkeit des Verhältnisses ist deshalb wünschenswert, weil damit die Kurbelpunkte während eines kompletten Umlaufs der Planetenräder um das jeweilige Rotationszentrum des Planetengetriebes eine ganze Zahl von Phasenzyklen durchlaufen und damit die Arbeitsräume zwischen den Flügeln auch bei fest im Gehäuse vorgesehenen Positionen von Öffnungen für das Arbeitsmedium immer im gleichen Zustand wieder auf diese Öffnungen treffen. Die periodische, rotatorische Bewegung der Flügel und deren Abdichtung zur Gehäusewand hin wirken also als effektive Ventilsteuerung, so dass in vielen Fällen keine zusätzliche aktive Ventilsteuerung nötig ist.
Insbesondere zusätzlich zu einem ganzzahligen Verhältnis zwischen Sonnenradius bzw. Hohlradradius und Planetenradius ist es besonders vorteilhaft, wenn die Anzahl an Flügeln für jeden Rotationskörper um (genau) zwei größer ist als das Verhältnis zwischen Sonnenradius und Planetenradius bzw. wenn die die Anzahl an Flügeln für jeden Rotationskörper dem Verhältnis zwischen Hohlradradius und Planetenradius entspricht. So ist insbesondere ein Radiusverhältnis zwischen Sonnenrad und Planetenrad von 2:1 bzw. ein Radiusverhältnis zwischen Hohlrad und Planetenrad von 4:1 und eine Anzahl von vier Flügeln pro Rotationskörper für einen gleichmäßigen/ruhigen und damit auch verschleißfreien Betrieb bei gleichzeitig hoher Pumpenleistung besonders bevorzugt. Sehr effizient wirkt die Drehkolbenmaschine auch noch bei einem Radiusverhältnis zwischen Sonnenrad und Planetenrad von 1:1 bzw. einem Radiusverhältnis zwischen Hohlrad und Planetenrad von 3:1 und einer Anzahl von 3 Flügeln pro Rotationskörper oder bei einem Radiusverhältnis zwischen Sonnenrad und Planetenrad von 3:1 bzw. einem Radiusverhältnis zwischen Hohlrad und Planetenrad von 5:1 und einer Anzahl von 5 Flügeln pro Rotationskörper.
Die genaue Bewegung, insbesondere der relative Hub der Drehkolben wird insbesondere durch die Kurbelverhältnisse der Kurbelpunkte festgelegt. Dabei soll das (erste bzw. zweite) Kurbelverhältnis das Verhältnis eines (ersten bzw. zweiten) Kurbelradius als Betrag des jeweiligen (ersten bzw. zweiten) Kurbelvektors zum jeweiligen (ersten bzw. zweiten) Planetenradius festlegen. Besonders bevorzugt stimmen das erste und zweite Kurbelverhältnis überein. Vorzugsweise liegt dieses Kurbelverhältnis im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,95, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,8, weiter bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,5 bis etwa 0,75, am meisten bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,6 bis etwa 0,7. Diese Bereiche sind insbesondere bei einem Verhältnis von 2:1 für den Sonnenradius zum Planetenradius bzw. bei einem Verhältnis von 4:1 für den Sonnenradius zum Planetenradius und einer Anzahl von vier Flügel pro Rotationskörper besonders effizient, um einen guten Pumpeffekt zu erreichen. Insbesondere lassen sich damit die Ein-/Auslassöffnungen relativ zur Flügelbewegung so positionieren und dimensionieren, dass sie einerseits während einer Kompressions- oder Expansionsphase im Arbeitsvolumen durch die Flügel gut abgedichtet werden können, während sie anderseits für ein Ein- bzw. Ausströmen des Arbeitsmediums ausreichend Öffnungsquerschnitt bieten können, ohne dafür eine separate Ventilsteuerung zu erfordern.
Zusätzlich zum Kurbelverhältnis wird ein Verdichtungsverhältnis auch noch durch eine Dicke der Flügel in Rotationsrichtung bestimmt. Insbesondere ist diese Dicke mit für den minimalen und maximalen Abstand bzw. Winkelabstand benachbarter Flügel verantwortlich. Ist ein im Wesentlichen vollständiges Entleeren des Arbeitsvolumens für jeden Pumpzyklus erwünscht, werden das Kurbelverhältnis und die Dicke (also eine Sektorwinkel) der Flügel vorzugsweise so gewählt, dass sich benachbarte Flügel während der Position ihres geringsten Abstands zueinander (zumindest annähernd) berühren.
Die Drehkolbenmaschine wirkt auch besonders effizient, wenn die durch die Flügel zeitweise verschlossenen und zweitweise freigegebenen Öffnungen zum Ein- und/oder Auslassen des Arbeitsmediums vorteilhaft dimensioniert sind. So stellte es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung heraus, dass es bevorzugt ist wenn zumindest einige der Öffnungen zum Ein- und/oder Auslassen des Arbeitsmediums im Bereich einer Gehäuseinnenwand einen Winkel in Rotationsrichtung der Rotationskörpern im Bereich von etwa 65°/n bis etwa 95°/n, vorzugsweise im Bereich von etwa 68°/n bis etwa 92°/n, weiter bevorzugt im Bereich von etwa 70°/n bis etwa 90°/n, am meisten bevorzugt im Bereich von etwa 75°/n bis etwa 85°/n zum Arbeitsvolumen hin freigeben, wobei n die Anzahl an Flügeln pro Rotationskörper ist.
Vorzugsweise definiert das Gehäuse der Drehkolbenmaschine einen im Wesentlichen kugelförmigen Innenraum und die Flügel dichten das jeweilige Arbeitsvolumen zu einer im Wesentlichen kugelförmigen Gehäuseinnenfläche hin ab. Mit dieser Konstruktion wird eine hohe Pumpleistung, geringe Verluste, ein geringer Verschleiß und eine sehr hohe Laufruhe der Drehkolbenmaschine vereint. Insbesondere erlaubt diese Konstruktion vergleichsweise hohe Drehzahlen und stellt dabei immer noch ein gutes Strömungsverhalten der Arbeitsmediums sicher. Auch das Verhältnis zwischen Gleitflächen zu Pumpvolumen ist bei dieser Geometrie sehr günstig, während andererseits die Trägheitsmomente der sich mit ständig wechselnden Geschwindigkeiten bewegenden Rotationskörper niedrig gehalten werden können, was auch die mechanischen Verlust und den Verschleiß niedrig hält. Ansonsten sind im Allgemeinen auch andere Geometrien möglich, wie zum Beispiel Trapez-, Rechtecks-, Hexagonal- oder andere Polygonformen.
Insgesamt ist die erfindungsmäße Drehkolbenmaschine allein schon aufgrund ihrer sehr hohen Effizienz und Robustheit nicht nur aber vor allem auch für den Einsatz unter sehr anspruchsvollen Bedingungen, insbesondere hinsichtlich thermischer (hohe Temperaturen), mechanischer (hohe Drücke und Pumpleistungen) und chemischer (korrosive Umgebung) Ansprüche ausgesprochen gut geeignet. Ein mögliches Anwendungsgebiet neben Biogasanlagen wäre beispielsweise auch die Entsalzung von Meerwasser, also die Süßwassergewinnung.
In einem Aspekt wird hier jedenfalls auch vorgeschlagen, eine Verdampferanlage bereitzustellen, insbesondere zum Eindampfen bzw. Trockenen von Gärresten aus einer Biogasanlage. Die Verdampferanlage umfasst insbesondere einen Verdampferkessel zum Aufnehmen eines Substrats, insbesondere von Gärresten aus einer Biogasanlage oder von Gülle aus Stallanlagen, mit einem Brüdenauslass zum Ausleiten des aus dem Substrat verdampften Brüden; einen im Verdampferkessel angeordneten Wärmetauscher mit einem Heizeingang und mit einem Ausgang zum Ein- bzw. Ausleiten eines Heizmediums; und eine Drehkolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere in einer der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen, welche ausgelegt ist, den vom Brüdenauslass des Verdampferkessels ausgeleiteten Brüden zu verdichten und den verdichteten Brüden als Heizmedium dem Heinzeingang des Wärmetauschers zuzuführen. Gegebenenfalls kann auch eine alternative Verdichterform (z.B. Rootsgebläse) verwendet werden.
Vorzugsweise umfasst die Verdampferanlage außerdem einen Vorwärmer, welcher ausgelegt ist, den am Ausgang des Wärmetauschers nach dessen Durchlaufen erhaltenen Brüden, vorzugsweise nach dessen Kondensation, zum Vorwärmen des dem Verdampferkessel zuzuführenden Substrats zu verwenden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und möglicher Anwendung mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben, bei zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht einer Drehkolbenmaschine mit Motor;
2A eine erste schematische Ansicht von Positionen im Planetengetriebe zu einem ersten Zeitpunkt;
2B eine zweite schematische Ansicht von Positionen im Planetengetriebe von 2A zu einem zweiten, insbesondere späteren Zeitpunkt;
3A eine erste schematische Ansicht von Positionen von Rotationskörpern in einer Grundstellung;
3B eine zweite schematische Ansicht von Positionen von Rotationskörpern von 4B zu einem zweiten, insbesondere dem in 2B dargestellten Zeitpunkt;
4 eine perspektivische Ansicht eines Rotationskörpers mit Flügeln;
5 eine Querschnittsansicht einer Drehkolbenmaschine;
6-8 numerische Darstellungen der Bewegung einzelner Komponenten während des Betriebs einer Drehkolbenmaschine;
9 eine Verdampferanlage mit Brüdenkompression; und
10 ein mögliches Anwendungsszenario einer Drehkolbenmaschine als Wärmempumpe.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Drehkolbenmaschine 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Angetrieben wird die Drehkolbenmaschine 10 in diesem Fall insbesondere von einem Motor 12 über eine Welle 14, entlang einer Zentralachse 16. Innerhalb eines Gehäuses 18 befinden sich die weiter unten noch genauer beschriebenen Funktionskomponenten. Das Gehäuse 18 selbst weist Öffnungen auf durch die über Einlassleitungen 20 bzw. Auslassleitungen 22 insbesondere gasförmiges Arbeitsmedium (z.B. Luft und/oder Dampf) in einem Arbeits-/Pumpenraum eingeleitet oder daraus ausgeleitet wird. Die entsprechenden Einlass- bzw. Auslassöffnungen sind insbesondere entlang eines Rotationsumfangs des Gehäuses vorzugsweise periodisch (d.h. in wiederkehrenden Winkelabständen) angeordnet. Dabei entspricht insbesondere jede Folge von Ein-/Ausgangsöffnungen einem Arbeitszyklus der Drehkolbenmaschine 10. Dies wird aus der nachfolgend beschriebenen Funktionsweise noch klarer erkennbar.
Um die Funktionsweise der Drehkolbenmaschine 10 besser zu verstehen stellt 2A eine erste schematische Ansicht von Funktionskomponenten zu einem ersten Zeitpunkt dar. So umfasst die Drehkolbenmaschine zumindest ein Planetengetriebe mit zumindest einem Sonnenrad 24, einem Hohlrad 26 und einer Vielzahl von Planetenrädern 28a-c, 30a-c. Auch wenn in dieser schematischen Darstellung sowohl ein Sonnenrad als auch ein Hohlrad gezeigt werden, müssen nicht zwingend beide vorhanden sein. Die nachfolgenden Ausführungen bleiben aber beispielsweise bei einem Verzicht auf ein Sonnenrad im Wesentlichen unverändert gültig.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Vielzahl von Planetenrädern einer Gruppe erster Planetenräder 28a-c und eine Gruppe zweiter Planetenräder 30a-c, was nachfolgend noch genauer beschrieben wird. In 2A sind beide Gruppen von Planetenrädern gemeinsam dargestellt. Dies dient in erster Linie der schematischen Veranschaulichung. Es ist zwar möglich, in der tatsächlichen Konstruktion beide Gruppen von Planetenrädern im selben Planetengetriebe unterzubringen, insbesondere vom selben Sonnenrad 24 oder einem gemeinsamen Planetenträger angetrieben zu werden. Wie in bevorzugten Ausführungsformen später aber noch gezeigt, kann es auch vorteilhaft sein, die Gruppen von Planetenrädern in separaten Planetengetrieben unterzubringen, die dann aber vorzugsweise synchron, insbesondere über eine gemeinsame Welle 14 angetrieben werden. Beide Varianten funktionieren aber nach demselben Prinzip, welches schematisch in 2A dargestellt ist.
Dabei dreht sich das Sonnenrad 24 bzw. der Planetenträger um ein Rotationszentrum 32 des Planetengetriebes, wobei dieses Rotationszentrum insbesondere auf der in 1 dargestellten Zentralachse 16 liegt. Die Linie 24' in 2A dient der Veranschaulichung der Rotation des Sonnenrades 24 (Winkelposition 24' des Sonnenrades). Dadurch drehen sich die Planetenräder in der bekannten Funktionsweise eines Planetengetriebes um jeweilige eigene Rotationszentren 34a-c, 36a-c, welche sich wiederum konzentrisch um das Rotationszentrum 32 des Planetengetriebes bewegen. So besitzt insbesondere jedes der ersten Planetenräder 28a-c ein jeweiliges Rotationszentrum 34a-c und jedes der zweiten Planetenräder 30a-c ein jeweiliges Rotationszentrum 36a-c.
Jedes der ersten Planetenräder 28a-c legt einen ersten Kurbelpunkt 38a-c fest, der sich zusammen mit dem jeweiligen Planetenrad einerseits um dessen Rotationszentrum und andererseits um das Rotationszentrum 32 des Planetengetriebes bewegt. Dadurch durchlaufen die ersten Kurbelpunkte 38a-c eine Zykloidenbahn. Analoges gilt für zweite Kurbelpunkte 40a-c, welche jeweils von einem zweiten Planetenrad 30a-c festgelegt sind, insbesondere daran befestigt sind.
Zu jedem ersten Kurbelpunkt 38a-c weist ein später noch genauer beschriebener erster Rotationskörper ein entsprechendes erstes Führungselement auf, entlang dessen der jeweilige Kurbelpunkt geführt wird. In der in 2A dargestellten Ausführungsform werden die ersten Führungselemente insbesondere durch erste Führungsrillen 42a-c oder Führungsschlitze gebildet, die im ersten Rotationskörper ausgebildet sein können. So kann beispielsweise jeder Kurbelpunkt mit einem Bolzen versehen sein, der in die entsprechende Führungsrille eingreift oder durch sie hindurchgreift und der entlang der entsprechende Führungsrille gleiten oder rollen kann. Entsprechende zweite Führungsrillen 44a-c können für die jeweiligen zweiten Kurbelpunkte 40a-c vorgesehen sein.
Die zeitliche Bewegung der einzelnen Funktionskomponenten wird insbesondere beim Vergleich mit 2B deutlich, in der dieselben Komponenten wie in 2A aber zu einem späteren Zeitpunkt dargestellt sind. So führt eine Drehung des Sonnenrades 24 entgegen dem Uhrzeigersinn zu einer Bewegung der Planetenräder um das eigene Rotationszentrum im Uhrzeigersinn und einer Bewegung der Rotationszentren der Planetenräder um das Rotationszentrum des Planetengetriebes. Wie in 2B erkennbar wird, gleiten die ersten Kurbelpunkte 38a-c zunächst entlang der ersten Führungsrillen 42a-c radial nach innen. Durch die Zykloidenbewegung bleiben die ersten Führungsrillen 42a-c in ihrer Rotation um das Rotationszentrum 32 des Planetengetriebes bzw. um die Zentralachse 16 zunächst hinter der (gleichförmigen) Rotationsbewegung der Rotationszentren 34a-c der ersten Planetenräder zurück. Läuft die Bewegung weiter (dies ist schematisch nicht mehr explizit gezeigt), beginnen die ersten Kurbelpunkte 38a-c und damit auch die ersten Führungsrillen 42a-c in ihrer Rotationsbewegung um das Sonnenzentrum (Zentrum des Planetengetriebes) die Bewegung der ersten Planetenzentren wieder einzuholen und sogar zu überholen. Zu beachten ist, dass dies für alle ersten Kurbelpunkte 38a-c und ersten Führungsrillen 42a-c analog bzw. synchron gilt. Damit wird die Rotation des ersten Rotationskörpers eindeutig von den ersten Kurbelpunkten 38a-c angetrieben.
Analoges gilt für die zweiten Kurbelpunkte 40a-c und deren zweite Führungsrillen 44a-c, die damit eine entsprechende Rotation eines zweiten Rotationskörpers um das Rotationszentrum 32 des Planetengetriebes bzw. um die Zentralachse 16 antreiben. Allerdings ist in 2A und 2B sehr gut erkennbar, dass die Zykoidenbewegung der zweiten Kurbelpunkte 40a-c phasenverschoben ist zur Zykoidenbewegung der ersten Kurbelpunkte 38a-c. Ausgedrückt kann dies insbesondere über einen unterschiedlichen Kurbelwinkel werden. Definiert man beispielsweise einen ersten Planetenvektor (32->34a) vom Rotationszentrum 32 des Planetengetriebes 24 zum Rotationszentrum 34a des ersten Planetenrades 28a und einen ersten Kurbelvektor (34a->38a) vom Rotationszentrum 34a des ersten Planetenrades 28a zum ersten Kurbelpunkt 38a, unterscheidet sich der Winkel zwischen diesen Vektoren (als erster Kurbelwinkel) von einem zweiten Kurbelwinkel, der analog anhand eines zweiten Planetenvektors (32->36a) und eines zweiten Kurbelvektors (36a->40a) definiert wird.
Auf diese Weise bewegen sich der erste und der zweite Rotationskörper nicht phasengleich. In der in 2A und 2B dargestellten Ausführungsform unterscheiden sich die Kurbelwinkel sogar um 180°. Damit bewegen sich der erste und der zweite Rotationskörper insbesondere gegenphasig. Auf diese Weise wird mit jedem Pumpenzyklus und bezogen auf die gesamte Rotation der beiden Rotationskörper ein vergleichsweise großen Pumpenhub und damit eine hohe Pumpenleistung bei geringen Verlusten erreicht.
Die konkrete Bewegung der Rotationskörper und der damit bewirkte Pumpeffekt werden anhand von 3A und 3B noch deutlicher. Die schematische Darstellung von 3A und 3B basiert auf demselben Prinzip wie in 2A und 2B. Zugunsten der Übersichtlichkeit werden nur jeweils ein erstes Planetenrad 28a und ein zweites Planetenrad 30a dargestellt. Die entsprechenden Führungsrillen (Führungselemente) sind an entsprechenden Rotationskörpern vorgesehen. Insbesondere weist ein erster Rotationskörper Flügel 46 auf, die rotationsfest mit der ersten Führungsrille 42a verbunden sind. Analog weist ein zweiter Rotationskörper Flügel 48 auf, die rotationsfest mit der zweiten Führungsrille 44a verbunden sind. 3A und 3B vergleichen die Positionen der Flügel 46 und der Flügel 48 zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Betriebs der Drehkolbenmaschine. 3A stellt eine Grundstellung dar, in der alle Flügel 46, 48 äquidistant verteilt sind. 3B repräsentiert den Zeitpunkt von 2B.
In einer solchen Konstruktion kann jeder der Zwischenräume zwischen aufeinander folgenden Flügeln 46, 48 als Arbeitsvolumen 50 der Drehkolbenmaschine dienen. Dazu schließen jeweils aufeinander folgende Flügel 46, 48 zusammen mit einer Innenwand des Gehäuses 18 je ein solches Arbeitsvolumen 50 ein. Dabei werden alle Arbeitsvolumina 50 im Wechsel komprimiert und expandiert, während sie um die Zentralachse und entlang der Innenwand des Gehäuses 18 bewegt werden. Durch die Bewegung der Flügel werden die Arbeitsvolumina 50 insbesondere wechselweise mit Einlassöffnungen 52 und Auslassöffnungen 54 im Gehäuse 18 verbunden, wodurch ein sehr wirkungsvolles Pumpen erreicht wird, ohne dass eine sonstige aktive Ventilsteuerung erforderlich wäre.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Rotationskörpers 56 mit vier Flügeln 46, welche durch eine Vielzahl von Führungselementen in Form von Führungsrillen 42 mittels einer Hohlwelle 58 zur Rotation angerieben werden. Ein zweiter Rotationskörper kann analog ausgebildet sein und mit dessen Flügeln in die Zwischenräume der Flügel 46 eingreifen. Dargestellt ist diese Konstellation in dem schematischen Querschnitt von 5 entlang der Zentralachse bzw. der Welle 14. Um die Welle 14 herum sind die erste Hohlwelle 58 des ersten Rotationskörpers und eine zweite Hohlwelle 60 des zweiten Rotationskörpers relativ zur Welle 14 drehbar gelagert. Die Flügel 46, 48 der beiden Rotationskörper befinden sich innerhalb eines Pumpenraumes des Gehäuses 18 und werden über die beiden Hohlwellen 58, 60 von jeweils gegenüberliegenden Seiten in Bezug auf die Richtung der Zentralachse angetrieben. Dazu können jeweils ein entsprechendes erstes bzw. zweites Planetengetriebe der bereits beschriebenen Konstruktion und Funktion vorgesehen sein. Die Sonnenräder der beiden Planetengetriebe könnten dabei durch die gemeinsame Welle 14 angetrieben werden, wobei die Hohlräder der beiden Planetengetriebe beide fest mit dem Gehäuse 18 verbunden sein können.
Beispielhafte, näherungsweise numerische Auswertungen einer Konstellation ähnlich der bisher beschriebenen werden mit Bezug auf die folgenden Figuren ausgeführt. Insbesondere werden in 6 einige geometrische Größen in einem vergrößerten Ausschnitt dargestellt. Die Bewegung des Kurbelpunkts ebenso wie die Rotationsbewegung der Flügel wird nachfolgend zum Teil näherungsweise als sinusförmige Schwingung beschrieben.
Die Amplitude der Sinusschwingung wird dabei durch die Position des Kurbelpunktes bestimmt. Insbesondere soll die Größe Kurbelverhältnis Kurbel das Verhältnis zwischen der Distanz r_K vom Planetenzentrum zum Kurbelpunkt (Kurbelradius) und dem Planetenradius r_Planet sein: $r_{K} : = K u r b e l \cdot r_{P l a n e t}$
Bei einem Kurbelverhältnis Kurbel = 0 hat der angetriebene Rotationskörper einen konstanten Geschwindigkeitsverlauf. Bei einem Kurbelverhältnis Kurbel = 1 kommt der Kurbelpunkt kurzzeitig zum absoluten Stillstand. Bei einem Verhältnis Kurbel > 1 gibt es einen kurzen Zeitraum, in dem der vom Kurbelpunkt angetriebene Rotationskörper rückwärts läuft. Wesentliche Effekte des Kurbelplanetengetriebes sind nur von den Verhältnissen der Räder abhängig. Die absoluten Größen der Räder spielt dabei zum Teil keine Rolle.
In den Konstellationen der bisher beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen wird insbesondere ein Größenverhältnis zwischen Sonnenrad zu Planetenrad von 2:1 verwendet: $r_{S o n n e} : = r_{P l a n e t} \cdot 2$
Bei einer viertel Umdrehung des Planetenradzentrums um das Sonnenrad (also um das Rotationszentrum des Planetengetriebes) durchläuft der Kurbelpunkt eine volle Umdrehung (von der Perspektive der Achse zwischen Sonnenradzentrum und Planetenradzentrum). Also, wenn der Kurbelpunkt beim langsamsten Punkt bei Position 0° ist, dann erreicht er wieder den langsamsten Punkt bei Position 90°.
Nun wird der Effekt der Bewegung des Kurbelpunktes auf die Position bzw. Bewegung des Rotationskörpers beschrieben. Aus Sicht des Planetenträgers durchläuft der Planet über eine Periode eine volle Umdrehung, und die Bewegung relativ zum Planetenträger ist daher näherungsweise der Sinus des Planetenrades durch die Strecke des Planeten mal den Winkel, den das Rad zurücklegt. Wenn als Ausgangsposition der Kurbel die langsamste Geschwindigkeit verwendet wird ist die Bewegung eine negative Sinuskurve, da die Kurbel langsam anfängt und zuerst in die entgegengesetzte Richtung läuft: $R a d p o s i t i o n = \frac{- sin (2 \cdot π \cdot \frac{t}{T a k t g e s c h w i n d i g k e i t}) \cdot r_{K}}{\frac{π}{2} \cdot (r_{P l a n e t} + r_{S o n n e})} \cdot \frac{π}{2}$
Mit anderen Worten sitzt ein fiktiver Beobachter, aus dessen Sicht die Bewegung des Planetenrades und der Kurbel betrachtet und beschrieben werden kann, auf dem Planetenträger (z.B. im Zentrum des Getriebes/des Sonnenrades) und dreht sich um dieses Zentrum des Planetengetriebes mit derselben Geschwindigkeit wir sich das Zentrum des Planetenrades um das Zentrum des Planetengetriebes dreht. Das was der fiktive Beobachter jetzt sehen kann ist, wie weit sich die Kurbel nach links oder nach rechts gedreht hat. Wenn der -sin Teil 0 ist, ist die Kurbel direkt vor dem fiktiven Beobachter. Wenn der -sin Teil negativ ist, dann hat sich die Kurbel (relativ zur Drehrichtung des Planetenträgers) rückwärts (also gegen die Drehrichtung des Planetenträgers) bewegt. Dazu kommt noch das Verhältnis zwischen den Strecken r_K/(Pi/2*(r_Planet+r_Sonne)) und der Winkel, von dem die Rede ist, P/2.
Die Position der Kurbel und damit des Abtriebes ist daher die Summe des Winkels, die der Planet über einen Takt zurücklegt plus die Positionsänderung der Kurbel. $P o s i t i o n : = t \to \frac{π}{2} \cdot \frac{t}{T a k t g e s c h w i n d i g k e i t} + \frac{- sin (2 \cdot π \cdot \frac{t}{T a k t g e s c h w i n d i g k e i t}) \cdot r_{K}}{\frac{π}{2} \cdot (r_{P l a n e t} + r_{S o n n e})} \cdot \frac{π}{2}$
Nun wird noch die Flügelbreite der Drehkolbenmaschine berücksichtigt, da diese die Geschwindigkeitsunterschiede steuert. Ein mögliches Kriterium ist, dass der Flügel sich nach dem ersten Viertel der Taktzeit über dem Eingangsschlitz befinden sollte (und daher eine halbe Schlitzbreite zurückgelegt hat um den Schlitz vollkommen zu bedecken). $\begin{array}{l} K u r b e l : = s o l v e (P o s i t i o n (\frac{1}{4} \cdot T a k t g e s c h w i n d i g k e i t) = \frac{S c h l i t z b r e i t e}{2}, K u r b e l) \\ K u r b e l : = - \frac{3 S c h l i t z b r e i t e}{2} + \frac{3 π}{8} \end{array}$
Damit ist ein direktes Verhältnis zwischen dem Kurbelradius und der Schlitzbreite gegeben. Daraus entsteht ein Ausdruck für die Position der Kurbel bei einem gegebenen Zeitpunkt t, und damit auch eine Geschwindigkeit der Kurbel, $v = \frac{d}{d t} P o s i t i o n$
.
Bei einer Schlitzbreite von 20° und Taktgeschwindigkeit von $\frac{1}{50} s^{- 1}$
entsteht näherungsweise folgende Positions- und Geschwindigkeitskurve (in Radiane und Rad/s) $G e s c h w i n d i g k e i t : = d i f f (P o s i t i o n (t), t);$
$\begin{array}{l} G e s c h w i n d i g k e i t : = \frac{π}{2 T a k t g e s c h w i n d i g k e i t} \\ \begin{array}{l} - \frac{2 π cos (\frac{2 π t}{T a k t g e s c h w i n d i g k e i t}) (- \frac{3 S c h l i t z b r e i t e}{2} + \frac{3 π}{8})}{3 T a k t g e s c h w i n d i g k e i t} \\ S c h l i t z b r e i t e : = 20 \cdot \frac{π}{180} : \\ ' K u r b e l' = e v a l f (K u r b e l); \\ T a k t g e s c h w i n d i g k e i t : = \frac{1}{50} : \\ K u r b e l = 0.6544984695 \end{array} \end{array}$
7A und 7B zeigen die entsprechenden Ergebnisse des Verlaufs der Position und Geschwindigkeit.
Für eine realistischere Belastungskurve könnte man die Geschwindigkeit als eine Sinuskurve ausdrücken. Diese hätte eine Form von $v = k_{1} \cdot cos (t) + k_{2}$
wo t die Taktgeschwindigkeit und die Konstanten k₁ und k₂ die Größe der Kurve bestimmen. Die sich ergebende Geschwindigkeitskurve ist in 8A dargestellt. In dieser Kurve würde der Flügel bei den langsamsten Punkten und zwischen dem Eingang und Ausgang stillstehen. Hier kann man die Geschwindigkeitskurve folgenderweise definieren: $v_{t a k t} : = k_{1} \cdot cos (t) + k_{2}$
Um k₁ und k₂ zu finden kann man zwei Definitionen verwenden. Die erste könnte sein, dass das Integral der Geschwindigkeit über einen Takt gleich der Strecke ist, die der Flügel über den Takt zurücklegt (in diesem Fall 1/4 Umdrehung): $\int_{0}^{2 π} v_{t a k t} d t = \frac{π}{2}$
Die nächste Definition ist, dass der Flügel über das erste Viertel des Taktes (und damit auch über das letzte Viertel des Taktes) eine halbe Schlitzbreite (SB) überfährt: $\int_{0}^{\frac{π}{2}} v_{t a k t} d t = \frac{S B}{2}$
Damit kann man die beiden Konstanten k₁ und k₂ finden: $\begin{array}{l} a n s : = s o l v e ({i n t (v_{t a k t}, t = 0.. π \cdot 2) = \frac{π}{2}, i n t (v_{t a k t}, t = 0.. \frac{π}{2}) = \frac{S B}{2}}, {k_{1}, k_{2}}) : \\ k_{1} : = r h s (a n s [1]); \\ k_{2} : = r h s (a n s [2]); \\ \begin{matrix} k_{1} : = - \frac{π}{8} + \frac{S B}{2} \\ k_{2} : = \frac{1}{4} \end{matrix} \end{array}$
Für ein Beispiel mit einer Schlitzbreite von 20° würde die Kurve aussehen wie in 8B dargestellt.
Für diesen Takt startet der Flügel über dem Ausgangsschlitz, fährt langsam zu dem Eingangsschlitz (von t = -π/2 bis t = π/2), wo er dann schnell zu dem nächsten Ausgangsschlitz (t = 3π/2) rast. Bei dieser näherungsweisen Darstellung, ergeben sich negative Geschwindigkeiten bei Schlitzbreiten unter 17°, wo man in Realität einfach den Rotor über den Eingangs/Ausgangstrenner stehen lässt.
Dieser Vorgang wird periodisch mit einer Taktgeschwindigkeit (TG, in s/Takt) wiederholt: $\begin{matrix} v_{t a k t} : = t \to k_{1} \cdot cos (\frac{t \cdot 2 \cdot π}{(T G)}) + k_{2} : \\ v_{t a k t} = - \frac{π (π - 4 S B) cos (\frac{2 t π}{T G})}{4 T G} + \frac{π}{2 T G} \end{matrix}$
Dieser Ausdruck gibt die Drehgeschwindigkeit in rad/s. Bei einer Umdrehungszahl von 750 U/min und einer Schlitzbreitebreite von 20° ergibt sich der in 8C dargestellte Verlauf, wobei $v_{m i n} : = 10.00089688$
$v_{m a x} : = 147.0787358$
Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet für die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine ergibt sich beispielsweise im Zusammenhang mit einer in 9 dargestellten Verdampferanlage 62, insbesondere zum Eindampfen bzw. Trockenen von Gärresten aus einer Biogasanlage. Darin wird der Drehkolbenmaschine für eine Brüdenkompression verwendet.
Die dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer Verdampferanlage 62 umfasst einen Verdampferkessel 64 zum Aufnehmen eines Substrats, insbesondere von Gärresten aus einer Biogasanlage. Der Verdampferkessel 64 weist oben einen Brüdenauslass 66 zum Ausleiten des aus dem Substrat verdampften Brüden auf. Innerhalb des Verdampferkessels 64 ist ein Wärmetauscher 68 vorgesehen, welcher einen Heizeingang 70 und einen Ausgang 72 zum Ein- bzw. Ausleiten eines Heizmediums aufweist. Der Wärmetauschen umfasst vorzugsweise ein senkrecht stehender Rohrbündel mittels dem die zum Erhitzen und Verdampfen der Lösung erforderliche Wärme auf das Substrat übertragen wird. Am Boden des Verdampfers fließt die konzentrierte Lösung, das Konzentrat ab.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird nun beispielsweise eine Drehkolbenmaschine 10 in gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt, welche ausgelegt ist, den vom Brüdenauslass 66 des Verdampferkessels 64 ausgeleiteten Brüden zu verdichten und den verdichteten Brüden als Heizmedium dem Heinzeingang 70 des Wärmetauschers 68 zuzuführen.
Vorzugsweise ist außerdem Vorwärmer 74 vorgesehen, welcher ausgelegt ist, den am Ausgang 72 des Wärmetauschers 68 nach dessen Durchlaufen erhaltenen Brüden, vorzugsweise nach dessen Kondensation, zum Vorwärmen des dem Verdampferkessel zuzuführenden Substrats zu verwenden.
Ein Überblick über ein mögliches Anwendungsszenario einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine als Wärmempumpe 10 in einer Biogasanlage ist in 10 schematisch dargestellt.
Bezugszeichenliste

10: Drehkolbenmaschine
12: Motor
14: Welle
16: Zentralachse
18: Gehäuse
20: Einlassleitungen
22: Auslassleitungen
24: Sonnenrad
26: Hohlrad
28a-c: erste Planetenräder
30a-c: zweite Planetenräder
32: Rotationszentrum des Planetengetriebes
34a-c: Rotationszentren der ersten Planetenräder
36a-c: Rotationszentren der zweiten Planetenräder
38a-c: erste Kurbelpunkte
40a-c: zweite Kurbelpunkte
42a-c: erste Führungsrillen
44a-c: zweite Führungsrillen
46: Flügel des ersten Rotationskörpers
48: Flügel des zweiten Rotationskörpers
50: Arbeitsvolumen
52: Einlassöffnung
54: Auslassöffnung
56: erster Rotationskörper
58: erste Hohlwelle
60: zweite Hohlwelle
62: Verdampferanlage
64: Verdampferkessel
66: Brüdenauslass
68: Wärmetauscher
70: Heizeingang
72: Ausgang
74: Vorwärmer

Claims

Drehkolbenmaschine (10), umfassend: - ein Gehäuse (18) mit Öffnungen zum Ein- und/oder Auslassen eines Arbeitsmediums; - zumindest ein Planetengetriebe mit - zumindest einem Sonnenrad (24) und/oder zumindest einem Hohlrad (26); und - zumindest einem Planetenrad (28a-c; 30a-c), welches an einem jeweiligen Rotationszentrum des zumindest einen Planetenrades von zumindest einem um ein Rotationszentrum des Planetengetriebes relativ zum Sonnenrad und/oder zum Hohlrad drehbaren Planetenträger getragen wird, wobei das zumindest eine Planetenrad zumindest einen ersten Kurbelpunkt (38a-c) und zumindest einen zweiten Kurbelpunkt (40a-c) derart festlegt, dass sich ein erster Kurbelwinkel des zumindest einen ersten Kurbelpunkts von einem zweiten Kurbelwinkel des zumindest einen zweiten Kurbelpunkts unterscheidet, wenn als jeweiliger Kurbelwinkel ein Winkel zwischen einem jeweiligen Planetenvektor (32->34a; 32->36a) und einem jeweiligen Kurbelvektor (34a->38a; 36a->40a) verstanden wird, wobei als jeweiliger Planetenvektor ein Vektor von dem Rotationszentrum (32) des Planetengetriebes zu dem jeweiligen Rotationszentrum des den jeweiligen Kurbelpunkt festlegenden Planetenrades und als jeweiliger Kurbelvektor ein Vektor vom jeweiligen Rotationszentrum des den jeweiligen Kurbelpunkt festlegenden Planetenrades zum jeweiligen Kurbelpunkt bezeichnet; - einen ersten Rotationskörper, welcher mittels des ersten Kurbelpunktes zu einer Rotation um eine Zentralachse angetrieben wird; und - einen zweiten Rotationskörper, welcher mittels des zweiten Kurbelpunktes zu einer Rotation um die Zentralachse angetrieben wird, wobei jeder Rotationskörper zumindest einen radial sich nach außen erstreckenden Flügel aufweist und die Flügel der Rotationskörper so ineinander greifen, dass in Umfangsrichtung der Rotation um die Zentralachse die Flügel der Rotationskörper jeweils abwechselnd angeordnet sind und jeweils zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgende Flügel zusammen mit dem Gehäuse ein Arbeitsvolumen für das Arbeitsmedium bilden.
Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, welche eine um die Zentralachse drehbare Welle zum Antreiben des Planetenträgers umfasst, wobei das Hohlrad bzw. das Sonnenrad rotationsfest zum Gehäuse verbunden ist.
Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zumindest eine Planetenrad eine Vielzahl von Planetenrädern umfasst, von denen jedes einen ersten und/oder einen zweiten Kurbelpunkt des zumindest einen ersten bzw. zweiten Kurbelpunktes festlegt.
Drehkolbenmaschine nach Anspruch 3, wobei die Vielzahl von Planetenrädern umfasst: - zumindest ein erstes Planetenrad, welches den zumindest einen ersten Kurbelpunkt festlegt; und - zumindest ein zweites Planetenrad, welches den zumindest einen zweiten Kurbelpunkt festlegt.
Drehkolbenmaschine nach Anspruch 4, wobei der zumindest eine erste Kurbelpunkt eine Gruppe von ersten Kurbelpunkten umfasst und wobei das zumindest eine erste Planetenrad eine Gruppe von ersten Planetenrädern umfasst, von denen jedes einen ersten Kurbelpunkt der Gruppe von ersten Kurbelpunkten festlegt; und/oder wobei der zumindest eine zweite Kurbelpunkt eine Gruppe von zweiten Kurbelpunkten umfasst und wobei das zumindest eine zweite Planetenrad eine Gruppe von zweiten Planetenrädern umfasst, von denen jedes einen zweiten Kurbelpunkt der Gruppe von zweiten Kurbelpunkten festlegt.
Drehkolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das zumindest eine Planetengetriebe umfasst: - ein erstes Planetengetriebe mit - einem ersten Sonnenrad und/oder einem ersten Hohlrad; und - zumindest einem ersten Planetenrad, welches von einem ersten Planetenträger getragen wird, wobei das zumindest eine erste Planetenrad den zumindest einen ersten Kurbelpunkt festlegt; und - ein zweites Planetengetriebe mit - einem zweiten Sonnenrad und/oder einem zweiten Hohlrad; und - zumindest einem zweiten Planetenrad, welches von einem zweiten Planetenträger getragen wird, wobei das zumindest eine zweite Planetenrad den zumindest einen zweiten Kurbelpunkt festlegt.
Drehkolbenmaschine nach Anspruch 6 in Kombination mit Anspruch 2, wobei der erste und zweite Planetenträger von der drehbaren Welle angetrieben werden und wobei der erste und der zweite Rotationskörper zwischen dem ersten und dem zweiten Planetengetriebe angeordnet sind.
Drehkolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste und/oder der zweite Rotationskörper für jeden ersten bzw. zweiten Kurbelpunkt eine Linearführung und/oder Kurvenführung aufweist, entlang welcher der jeweilige Kurbelpunkt geführt wird.
Drehkolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Verhältnis eines Radius des Sonnenrades zu einem Radius des zumindest einen Planetenrades einen Wert von 1:1 oder 2:1 oder 3:1 aufweist und/oder wobei ein Verhältnis eines Radius des Hohlrades zu einem Radius des zumindest einen Planetenrades einen Wert von 3:1 oder 4:1 oder 5:1 aufweist.
Drehkolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei für jeden Rotationskörper die Anzahl an Flügeln um zwei größer ist als das Verhältnis eines Radius des Sonnenrades zu einem Radius des Planetenrades.
Drehkolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein erstes Kurbelverhältnis, welches das Verhältnis eines ersten Kurbelradius als Betrag des ersten Kurbelvektors zum Planetenradius festlegt, im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,95, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,8, weiter bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,5 bis etwa 0,75, am meisten bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,6 bis etwa 0,7 liegt.
Drehkolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zumindest einige der Öffnungen zum Ein- und/oder Auslassen des Arbeitsmediums im Bereich einer Gehäuseinnenwand einen Winkel in Rotationsrichtung der Rotationskörpern im Bereich von etwa 65°/n bis etwa 95°/n, vorzugsweise im Bereich von etwa 68°/n bis etwa 92°/n, weiter bevorzugt im Bereich von etwa 70°/n bis etwa 90°/n, am meisten bevorzugt im Bereich von etwa 75°/n bis etwa 85°/n freigeben, wobei n die Anzahl an Flügeln pro Rotationskörper ist.
Drehkolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Gehäuse einen im Wesentlichen kugelförmigen Innenraum definiert und die Flügel das jeweilige Arbeitsvolumen zu einer im Wesentlichen kugelförmigen Gehäuseinnenfläche hin abdichten.
Verdampferanlage, insbesondere zum Eindampfen bzw. Trockenen von Gärresten aus einer Biogasanlage, umfassend: - einen Verdampferkessel zum Aufnehmen eines Substrats, insbesondere von Gärresten aus einer Biogasanlage, mit einem Brüdenauslass zum Ausleiten des aus dem Substrat verdampften Brüden; - einen im Verdampferkessel angeordneten Wärmetauscher mit einem Heizeingang und mit einem Ausgang zum Ein- bzw. Ausleiten eines Heizmediums; und - eine Drehkolbenmaschine gemäß einer der Ansprüche 1 bis 13, welche ausgelegt ist, den vom Brüdenauslass des Verdampferkessels ausgeleiteten Brüden zu verdichten und den verdichteten Brüden als Heizmedium dem Heinzeingang des Wärmetauschers zuzuführen.
Verdampferanlage nach Anspruch 14, außerdem umfassend einen Vorwärmer, welcher ausgelegt ist, den am Ausgang des Wärmetauschers nach dessen Durchlaufen erhaltenen Brüden, vorzugsweise nach dessen Kondensation, zum Vorwärmen des dem Verdampferkessel zuzuführenden Substrats zu verwenden.