-
Die Erfindung betrifft einen Energiewandler zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines thermodynamischen Gleichraum-Kreisprozesses zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie.
-
Gattungsgemäße Energiewandler kommen zum Einsatz, um ein zur Verfügung stehendes Temperaturgefälle zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke zu nutzen, um beispielsweise elektrischen Strom zu erzeugen. Insbesondere wenn lediglich ein relativ geringes Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und Wärmesenke zur Verfügung steht, können gattungsgemäße Energiewandler zum Einsatz kommen.
-
Der Energiewandler umfasst als Kernbauteil einen Rotor, der drehbar auf einer Achse in einem gasdichten Gehäuse gelagert ist. Zwischen dem Außenumfang des Rotors und dem Innenumfang des Gehäuses ist dabei ein ringförmiger Rotationsraum gebildet, wobei am Außenumfang des Rotors mehrere Rotorschaufeln angeordnet sind, die den Rotationsraum in mehrere druckdicht voneinander getrennte Druckkammern unterteilen. Diese Druckkammern rotieren dabei zusammen mit dem Rotor durch den Rotationsraum. Der Rotationsraum seinerseits ist mit einem gasförmigen oder verdampfbaren Arbeitsmedium gefüllt, wobei das Gehäuse gasdicht ausgebildet ist, so dass zwischen dem Arbeitsmedium im Rotationsraum und der Außenumgebung keinerlei Stoffaustausch stattfindet. Stattdessen durchläuft das Arbeitsmedium während des Betriebs des Energiewandlers einen geschlossenen Kreislaufprozess von Erwärmung und Abkühlung, um dadurch die thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln zu können.
-
Das Gehäuse selbst kann entlang eines beheizten Umlaufabschnittes des Rotors mit einem Heizmedium beheizt werden, so dass der Druck und/oder die Temperatur und/oder der Dampfgehalt des Arbeitsmediums in den Druckkammern, die entlang des beheizten Umlaufsabschnittes rotieren, bei gleichbleibendem Volumen erhöht wird. Außerdem weist das Gehäuse neben dem beheizten Umlaufabschnitt auch einen gekühlten Umlaufabschnitt auf, um den Druck und/oder die Temperatur und/oder den Dampfgehalt des Arbeitsmediums in den Druckkammern bei seinem Umlauf entlang des gekühlten Umlaufabschnittes bei gleichbleibendem Volumen zu verringern. Im Ergebnis wird also das Arbeitsmedium beim Umlauf des Rotors in den Druckkammern zunächst entlang des beheizten Umlaufabschnittes beheizt und dadurch der Druck und/oder die Temperatur und/oder der Dampfgehalt erhöht. Anschließend wird beim Umlauf der Druckkammern entlang des gekühlten Abschnittes der Druck und/oder die Temperatur und/oder der Dampfgehalt des Arbeitsmediums verringert, so dass sich ein geschlossener thermodynamischer Kreislaufprozess ergibt, bei dem jedoch keinerlei Stoffaustausch des Arbeitsmediums mit der Außenatmosphäre stattfindet. Das heißt, dass das im Gehäuse vorhandene Arbeitsmedium konstant bleibt und keinerlei Austausch mit der Außenumgebung stattfindet.
-
Um die entlang des beheizten Umlaufabschnitts auf das Arbeitsmedium übertragene thermische Energie in mechanische Energie umwandeln zu können, ist im Gehäuse oder in der Achse ein Überströmkanal vorgesehen, in dem das Arbeitsmedium aus der Druckkammer am Ende des beheizten Umlaufabschnittes in die Druckkammer am Ende des gekühlten Umlaufabschnittes überströmen kann. Durch die Strömung des Arbeitsmediums aus der Druckkammer mit dem höchsten Innendruck in die Druckkammer mit dem niedrigsten Innendruck wird ein Strömungsimpuls auf die Rotorschaufeln des Rotors oder die Schaufeln eines im Überströmkanal angeordneten Laufrades übertragen, so dass im Ergebnis ein Drehmoment auf den Rotor oder das Laufrad wirkt, das anschließend als mechanische Energie abgenommen werden kann.
-
Der erfindungsgemäße Aufbau ist außerordentlich einfach in seiner Konstruktion und kann mit einfachen mechanischen Komponenten realisiert werden.
-
Welche Art von Rotorschaufeln am Rotor vorgesehen werden, ist grundsätzlich beliebig. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Rotorschaufeln spiralabschnittsförmig vom Außenumfang des Rotors zum Innenumfang des Gehäuses verlaufen und durch die spiralabschnittsförmige Gestalt der Rotorschaufeln der Strömungsimpuls der überströmenden Arbeitsmedium-Strömung mit hoher Effektivität auf die Rotorschaufeln übertragen werden kann.
-
Um eine konstruktiv besonders einfache Verbindung entlang des Überströmkanals zwischen der Druckkammer mit dem höchsten Druck und der Druckkammer mit dem niedrigsten Druck zu realisieren, sollte der Rotor Überströmöffnungen aufweisen, durch die das Arbeitsmedium aus der Druckkammer mit dem höchsten Druck in dem die Achse des Energiewandlers durchgreifenden Überströmkanal einströmen kann. Auf der gegenüberliegenden Seite kann das Arbeitsmedium dann aus dem Überströmkanal durch die Überströmöffnungen im Rotor in die Druckkammer mit dem niedrigsten Druck überströmen. Das bedeutet also mit anderen Worten, dass in jeder Druckkammer eine Überströmöffnung vorgesehen ist, wobei diese Überströmöffnung einen Druckausgleich jedoch nur dann zulässt, soweit die Überströmöffnung über der Einströmöffnung beziehungsweise über der Ausströmöffnung des Überströmkanals liegt. Alle anderen Überströmöffnungen entlang des Umlaufs der Druckkammern werden durch entsprechende Dichteinrichtungen zwischen dem rotierenden Rotor und der gegenüberliegenden Lagerfläche am Außenumfang der Achse abgedichtet. Um einen möglichst effektiven Druckausgleich zu realisieren, sollte die offene Querschnittsfläche der Überströmöffnungen im Wesentlichen kongruent mit der Einströmöffnung und der Ausströmöffnung des Überströmkanals ausgebildet sein. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass, sobald die Überströmöffnung vollständig über der Einströmöffnung beziehungsweise der Ausströmöffnung des Überströmkanals liegt, keine unnötigen Strömungswiderstände auftreten. In welcher Weise der beheizte Umlaufabschnitt geheizt wird, ist grundsätzlich beliebig. Besonders einfach und kostengünstig kann dies dadurch realisiert werden, dass entlang des beheizten Umlaufabschnitts ein Heizströmungskanal vorgesehen ist, der mit einem gasförmigen oder flüssigen Heizmedium durchströmt werden kann. Durch die Strömung des Heizmediums kann die thermische Energie entlang des beheizten Umlaufabschnittes auf den Energiewandler und im Ergebnis auf das Arbeitsmedium übertragen werden, so dass das Heizmedium im Ergebnis abgekühlt und das Arbeitsmedium erhitzt und dadurch expandiert wird.
-
In gleicher Weise ist es grundsätzlich beliebig, in welcher Weise der Umlaufabschnitt gekühlt wird. Auch hierbei ist der Einsatz eines Kühlströmungskanals besonders einfach und kostengünstig. Der Kühlströmungskanal wird von einem gasförmigen oder flüssigen Kühlmedium durchströmt und kann auf diese Weise thermische Energie aus dem Energiewandler entlang des gekühlten Umlaufabschnittes aufnehmen. Durch diese Aufnahme von thermischer Energie wird das Arbeitsmedium entlang des gekühlten Umlaufabschnittes gekühlt und entsprechend kontrahiert. Um eine effektive Beheizung beziehungsweise Kühlung des Heizmediums in den Druckkammern entlang des beheizten beziehungsweise gekühlten Umlaufabschnittes zu realisieren, ist es vorteilhaft, wenn der Heizströmungskanal und der Kühlströmungskanal das Gehäuse jeweils halbkreisförmig umgreifen.
-
Um die Wärmeenergie entlang des beheizten Umlaufabschnittes besonders effektiv auf das Arbeitsmedium übertragen zu können beziehungsweise entlang des gekühlten Umlaufabschnittes besonders effektiv thermische Energie vom Arbeitsmedium auf das Kühlmedium übertragen zu können, sollte das Heizmedium im Heizströmungskanal und das Kühlmedium im Kühlströmungskanal im Gegenstrom fließen. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass das Heizmedium mit der höchsten Temperatur im Bereich der Druckkammer mit dem höchsten Arbeitsdruck des Arbeitsmediums auf den Energiewandler trifft und von dort entlang des beheizten Umlaufabschnittes zunehmend abgekühlt wird, bis es im Bereich der Druckkammer mit dem niedrigsten Arbeitsdruck wieder vom Energiewandler abgeführt wird. An der Stelle, wo das Heizmedium mit seiner niedrigsten Temperatur abgeführt wird, wird zugleich im Gegenstrom das Kühlmedium mit der niedrigsten Temperatur zugeführt und von dort aus entlang des gekühlten Umlaufabschnittes zunehmend erwärmt. Im Bereich der Druckkammer mit dem höchsten Arbeitsdruck des Arbeitsmediums strömt dann das Kühlmedium vom Energiewandler weg und damit gerade in Gegenrichtung der Strömung des Heizmediums. Um die im Energiewandler erzeugte mechanische Energie einfach nutzen zu können, kann der Rotor mit einem Generator verbunden werden, mit dem das Drehmoment des Rotors in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Beim Anfahren des Energiewandlers ist es in der Regel erforderlich, dass zunächst der Rotor durch ein äußeres Antriebsmoment in Rotation versetzt wird, um den thermodynamischen Kreislaufprozess des Arbeitsmediums in Gang zu setzen. Dieses Anfahren des Rotors kann in einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass der Rotor mit einem Antriebsmotor verbunden wird, der den Rotor beim Anfahren des Energiewandlers mit einem Anfahrdrehmoment beaufschlagt.
-
Soll der Energiewandler sowohl einen Generator zur Erzeugung von Strom als auch einen Antriebsmotor zum Anfahren umfassen, kann dies in einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass ein Antriebsmotor durch entsprechende Umschaltung als Generator benutzt oder umgekehrt ein Generator durch entsprechende Umschaltung als Antriebsmotor benutzt wird.
-
Welches Arbeitsmedium zum Betrieb des Energiewandlers verwendet wird, hängt vom jeweiligen Anforderungsprofil ab, insbesondere welche Art von Wärmequelle beziehungsweise Kühlsenke zur Verfügung steht und wie hoch die vorhandene Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Kühlsenke ist. Geeignete Arbeitsmedien zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Energiewandler sind Ammoniak, Ethanol, Wasser, Butan, Pentan, Benzol, Toluol oder eine Mischung der entsprechenden Einzelbestandteile. Als Heizmedium kann bevorzugt Heißwasser eingesetzt werden, bei dem es sich beispielsweise um Kühlwasser zur Abfuhr von Abwärme aus einer entsprechenden technischen Einrichtung, beispielsweise dem Antriebsmotor eines Fahrzeuges, handeln kann. Als Kühlmedium kann Kaltwasser eingesetzt werden, das beispielsweise über eine geeignete Kühleinrichtung, beispielsweise den Kühler eines Fahrzeuges, rückgekühlt wird.
-
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist es vorteilhaft, wenn das überströmende Arbeitsmedium entlang eines Teils des beheizten Umlaufabschnitts am Gehäuse vorbeigeführt wird und zumindest einen Teil seiner Wärmeenergie rekuperativ überträgt.
-
Zur Erhöhung der Leistung des Energiewandlers können im Gehäuse mehrere Rotoren in jeweils einem zugeordneten ringförmigen Rotationsraum angeordnet werden, die ihr Drehmoment auf eine gemeinsame Antriebseinheit übertragen.
-
Weiter wird ein Verfahren zum Betrieb eines thermodynamischen Gleichraum-Kreisprozesses zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie vorgeschlagen. Der Gleichraum-Kreisprozess umfasst folgende Prozessschritte:
- a) Isochore Erwärmung eines Arbeitsmediums in zumindest einer Druckkammer durch externe Wärmezufuhr, wobei der Druck und/oder die Temperatur und/oder der Dampfgehalt des Arbeitsmediums in der Druckkammer bei gleichbleibendem Volumen erhöht wird;
- b) Isentrope Expansion des Arbeitsmediums durch Öffnen eines Überströmkanals zwischen der Druckkammer mit dem höchsten Werten von Druck, Temperatur, Dampfgehalt und der Druckkammer mit den niedrigsten Werten von Druck, Temperatur, Dampfgehalt, wobei dadurch Expansionsarbeit geleistet und in mechanische Energie umgewandelt wird;
- c) Isochore Abkühlung des Arbeitsmediums in zumindest einer Druckkammer durch externe Wärmezufuhr, wobei der Druck und/oder die Temperatur und/oder der Dampfgehalt des Arbeitsmediums in der Druckkammer bei gleichbleibendem Volumen verringert wird;
- d) Isentrope Kompression des Arbeitsmediums in der Druckkammer mit den niedrigsten Werten von Druck, Temperatur, Dampfgehalt durch Einströmen des Arbeitsmediums aus der Druckkammer mit den höchsten Werten von Druck, Temperatur, Dampfgehalt;
- e) Isobare Vermischung des Arbeitsmediums in der Druckkammer mit den niedrigsten Werten von Druck, Temperatur, Dampfgehalt mit dem Arbeitsmedium aus der Druckkammer mit den höchsten Werten von Druck, Temperatur, Dampfgehalt.
-
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisiert dargestellt und werden nachfolgend beispielhaft erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 einen schematisiert dargestellten Energiewandler zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie im Querschnitt.
- 2 eine zweite Ausführungsform eines Energiewandlers zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie im Querschnitt;
- 3 den Energiewandler gemäß 2 im schematisierten Längsschnitt;
- 4 eine Darstellung der Prozessschritte des thermodynamischen Gleichraum-Kreisprozesses im Energiewandler gemäß 1 in einem Temperatur-Entropie-Diagramm.
-
1 zeigt einen Energiewandler 01 mit einem gasdichten Gehäuse 02. Im Gehäuse 02 ist eine drehfest angeordnete Achse 03 vorgesehen, auf der ein Rotor 04 drehbar gelagert ist. Zwischen dem Innenumfang des Gehäuses 02 und dem Außenumfang des Rotors 04 ist ein ringförmiger Rotationsraum 05 gebildet. Am Außenumfang des Rotors 04 befinden sich acht Rotorschaufeln 06, die mit dem Rotor 04 um die Achse 03 rotieren und zugleich den Rotationsraum 05 in acht gleich große, voneinander getrennte Druckkammern 07 unterteilten. Der gesamte Rotationsraum 05, das heißt alle acht Druckkammern 07, sind mit einem strichpunktiert angedeuteten gasförmigen oder verdampfbaren Arbeitsmedium 08 befüllt. Aufgrund der Gasdichtigkeit des Gehäuses 02 findet keinerlei Stoffaustausch zwischen dem Arbeitsmedium 08 im Gehäuse 02 und der Atmosphäre außerhalb des Gehäuses 02 statt.
-
Auf der Oberseite des Gehäuses 02 befindet sich ein Heizströmungskanal 10, der von rechts nach links von einem Heizmedium 11, beispielsweise Heißwasser, durchströmt wird. An der Unterseite des Gehäuses 02 befindet sich ein Kühlströmungskanal 12, der das Gehäuse 02 halbkreisförmig umfasst und von einem Kühlmedium 13 von links nach rechts durchströmt wird. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das Heizmedium 11 und das Kühlmedium 13 den Heizströmungskanal 10 beziehungsweise den Kühlströmungskanal 12 im Gegenstrom durchlaufen. Der Heizströmungskanal 10 heizt das Arbeitsmedium 08 entlang des beheizten Umlaufabschnittes, so dass das Arbeitsmedium 08 zunehmend erwärmt und dadurch expandiert wird. Das Arbeitsmedium 08 wird dabei durch die Rotation des Rotors 04 durch den Rotationsraum 05 weitertransportiert, wobei sich der Druck in den Druckkammern ausgehend von der am weitesten links befindlichen Stellung der Druckkammern bis zum Erreichen der am weitesten rechts liegenden Druckkammer zunehmend erhöht. Anschließend wird dann das Arbeitsmedium 08 beim Umlauf entlang des gekühlten Umlaufabschnittes durch das Kühlmedium 13 gekühlt, so dass es ausgehend von der höchsten Temperatur der am weitesten rechts liegenden Stellung wieder auf die kühlste Temperatur der am weitesten links liegenden Stellung der Druckkammern 07 heruntergekühlt wird.
-
In der Achse 03 ist ein Überströmkanal 09 vorgesehen, der jeweils die am weitesten rechts liegende Druckkammer 07a mit der am weitesten links liegenden Druckkammer 07b verbindet. Da das Arbeitsmedium in der am weitesten rechts liegenden Druckkammer 07a die höchste Temperatur und damit den höchsten Arbeitsdruck aufweist, strömt es durch die jeweilige Überströmöffnung 14 im Rotor 04 in den Überströmkanal 09 und von dort durch die entsprechende Überströmöffnung 14 in die am weitesten links liegende Druckkammer 07b. Beim Einströmen des Arbeitsmediums 08 aus dem Überströmkanal 09 in die Druckkammer 07b überträgt die Strömung des Arbeitsmediums 09 ihren Strömungsimpuls auf die Rückseite der entsprechenden Rotorschaufel 06 und treibt den Rotor 04 dadurch mit einem entsprechenden Antriebsmoment an. Dieses mechanische Antriebsmoment kann anschließend in einer in 1 nicht dargestellten Übertragungseinrichtung auf einen Generator übertragen werden, um elektrischen Strom zu erzeugen.
-
2 zeigt eine zweite Ausführungsform 15 eines Energiewandlers zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie im Querschnitt. Der Aufbau des Energiewandlers 15 entspricht dabei weitgehend dem Aufbau des Energiewandlers 01, wobei die Rotorschaufeln in 2 nicht dargestellt sind. Das Arbeitsmedium strömt in die Mitte des Rotors. Im Gegensatz zum Design des Energiewandlers 01 strömt das Arbeitsmedium nicht direkt.
-
Um Wärmeenergie rekuperativ übertragen zu können, umfasst der Energiewandler 15 einen Rekuperationskanal 16. Durch den Rekuperationskanal 16 wird das überströmende Arbeitsmedium entlang eines Teils des beheizten Umlaufabschnitts am Gehäuse vorbeigeführt und dadurch zumindest ein Teil der Wärmeenergie rekuperativ übertragen.
-
Das Arbeitsmedium überströmt also entlang des Rekuperationskanals 16 den beheizten Umlaufabschnitt und nutzt dadurch rekuperativ einen Teil der verbliebenen Energie nach Verrichten der Expansionsarbeit zur Vorwärmung des Arbeitsmediums. Die Expansionsarbeit wird in diesem Fall nicht durch die Eindüsung in die Kammer 07b verrichtet, sondern durch antreiben des nicht dargestellten Düsenrades.
-
3 zeigt den Energiewandler 15 mit dem Rekuperationskanal 16 im schematisierten Längsschnitt. Durch eine Einströmöffnung 17 strömt das Arbeitsmedium in den Rekuperationskanal 16 ein. Durch eine Ausströmöffnung 18 strömt das Arbeitsmedium aus dem Rekuperationskanal 16 aus.
-
4 zeigt eine Darstellung der Prozessschritte des thermodynamischen Gleichraum-Kreisprozesses im Energiewandler gemäß 1 in einem Temperatur-Entropie-Diagramm. Als Arbeitsmedium ist in diesem Beispiel Isopentan vorgesehen.
-
Ausgehend vom Stützpunkt 19 erfolgt eine isochore Erwärmung des Arbeitsmediums 08 in den Druckkammer 07 entlang des beheizten Umlaufabschnitts mittels Wärmeübertragung vom Heizmedium 11, wobei der Druck und/oder die Temperatur und/oder der Dampfgehalt des Arbeitsmediums 08 in den Druckkammern 07 entlang des beheizten Umlaufabschnitts bei gleichbleibendem Volumen erhöht wird, bis der Stützpunkt 20 erreicht ist.
-
Ausgehend vom Stützpunkt 20 erfolgt eine isentrope Expansion des Arbeitsmediums 08 durch Öffnen des Überströmkanals 09 zwischen der Druckkammer 07a mit den höchsten Werten von Druck, Temperatur, Dampfgehalt und der Druckkammer 07b mit den niedrigsten Werten von Druck, Temperatur, Dampfgehalt. Dabei wird Expansionsarbeit geleistet und in mechanische Energie umgewandelt, bis der Stützpunkt 21 erreicht ist.
-
Ausgehend vom Stützpunkt 21 erfolgt eine isochore Abkühlung des Arbeitsmediums 08 in den Druckkammern 07 entlang des gekühlten Umlaufabschnitts, wo mit dem Kühlmedium 13 gekühlt wird, wobei der Druck und/oder die Temperatur und/oder der Dampfgehalt des Arbeitsmediums 08 in den Druckkammern 07 entlang des gekühlten Umlaufabschnitts bei gleichbleibendem Volumen verringert wird, bis der Stützpunkt 22 erreicht ist.
-
Ausgehend vom Stützpunkt 22 erfolgt eine isentrope Kompression des Arbeitsmediums 08 in der Druckkammer 07b mit den niedrigsten Werten von Druck, Temperatur, Dampfgehalt durch Einströmen des Arbeitsmediums 08 aus der Druckkammer 07b mit den höchsten Werten von Druck, Temperatur, Dampfgehalt, bis der Stützpunkt 23 erreicht ist.
-
Ausgehend vom Stützpunkt 23 erfolgt eine isobare Vermischung des Arbeitsmediums 08 in der Druckkammer 07b mit den niedrigsten Werten von Druck, Temperatur, Dampfgehalt mit dem Arbeitsmedium 08 aus der Druckkammer 07b mit den höchsten Werten von Druck, Temperatur, Dampfgehalt, bis der Stützpunkt 19 wieder erreicht ist. Der Gleichraum-Kreisprozess ist danach einmal vollständig durchlaufen.
