DE102022114439A1 - Device for compression, expansion, volume change, displacement of a fluid working medium, thermoelectric converter and computer-controlled or electronically controlled method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompression, Expansion, Volumenänderung, Verdrängung eines fluiden Arbeitsmediums, das zumindest teilweise aus Gas besteht, wobei die Vorrichtung umfasst: mindestens ein Volumen, das eine Flüssigkeitsmenge einer Flüssigkeit und ein Teilvolumen mit einem Arbeitsmedium umfasst; Volumenbegrenzungselemente, die das Volumen begrenzen und die derart ausgebildet sind, dass ein oder mehrere Durchlässe während einer Kompressions-, Expansions- oder Verdrängungsperiode ein Hinausströmen von maximal einer vorgegebenen Teilmenge der Flüssigkeitsmenge ermöglichen. Während der Kompressions-, Expansions- oder Verdrängungsperiode führt die Flüssigkeitsmenge eine Rotation um eine Rotationsachse aus, wobei die Volumenbegrenzungselemente eine ringförmige Strömung der Flüssigkeitsmenge um die Rotationsachse zu unterbinden, und ist durch eine Verlagerung mindestens eines der Volumenbegrenzungselemente das Volumen in seiner Gesamtgröße veränderbar. Weiter betrifft die Erfindung einen thermoelektrischen Wandler mit mindestens einer der Vorrichtungen und ein computergesteuertes oder elektronisch gesteuertes Verfahren zum Betreiben des thermoelektrischen Wandlers.The invention relates to a device for compression, expansion, volume change and displacement of a fluid working medium which consists at least partially of gas, the device comprising: at least one volume which comprises a liquid quantity of a liquid and a partial volume with a working medium; Volume limiting elements that limit the volume and which are designed such that one or more passages allow a maximum of a predetermined subset of the amount of liquid to flow out during a compression, expansion or displacement period. During the compression, expansion or displacement period, the amount of liquid rotates about an axis of rotation, the volume limiting elements preventing an annular flow of the amount of liquid around the axis of rotation, and the volume's overall size can be changed by displacing at least one of the volume limiting elements. The invention further relates to a thermoelectric converter with at least one of the devices and a computer-controlled or electronically controlled method for operating the thermoelectric converter.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompression, Expansion, Volumenänderung, Verdrängung eines fluiden Arbeitsmediums gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen thermoelektrischen Wandler gemäß dem Anspruch 11 und ein computergesteuertes oder elektronisch gesteuertes Verfahren gemäß dem Anspruch 14.The invention relates to a device for compression, expansion, volume change and displacement of a fluid working medium according to the preamble of claim 1, a thermoelectric converter according to
Stand der TechnikState of the art
Es gibt bereits Vorrichtungen für die Kompression oder Expansion von Gasen, bei denen diese teilweise oder weitgehend isotherm erfolgt. Ein Beispiel hierfür sind die Kompressions- oder Expansionsräume von Flachplatten-Stirlingmaschinen. Ein weiteres Beispiel sind Flüssigkeitsringpumpen, bei denen ein Gas während der Expansion oder Kompression thermisch an eine Flüssigkeit gekoppelt ist. Flachplatten-Stirlingmaschinen haben den Nachteil, dass der Wärmeübertrag im Kompressions- oder Expansionsraum vom oder auf das Arbeitsgas über einen Wärmetauscher erfolgt, wofür ein höherer Temperaturgradient erforderlich ist, als wenn das Arbeitsgas (d.h. das zu komprimierende oder expandierende Gas) direkt thermisch an das Medium gekoppelt wäre, dem die Wärme entzogen oder zugeführt werden soll (z.B. eine Flüssigkeit wie Wasser als Wärmeträger). Außerdem haben Flachplatten-Stirlingmaschinen einen vergleichsweise aufwendigen Aufbau und erreichen nur geringe Leistungsdichten. Flüssigkeitsringpumpen weisen eine solche direkte Kopplung des Arbeitsgases an eine Flüssigkeit als Wärmeträger auf. Allerdings haben sie den Nachteil, dass während des Betriebs starke Strömungen der Flüssigkeit stattfinden, die durch die exzentrische Rotation des Flügelrads sowie durch die Druckänderungen im zu komprimierenden oder zu expandierenden Gas verursacht werden. Für diese Strömungen muss Energie aus dem Antrieb der Flüssigkeitsringpumpe aufgebracht werden, die aber letztlich nicht der Funktion der Kompression oder Expansion des Arbeitsgases zu Gute kommt, sondern als Strömungsverlust zur Erwärmung der Flüssigkeit führt und so eine Verlustleistung darstellt. Daher sind die Wirkungsgrade von Flüssigkeitsringpumpen auch meist deutlich niedriger als die von anderen Pumpen oder Vorrichtungen zur Kompression oder Expansion von Gasen.There are already devices for the compression or expansion of gases in which this is partially or largely isothermal. An example of this is the compression or expansion spaces of flat plate Stirling engines. Another example are liquid ring pumps, in which a gas is thermally coupled to a liquid during expansion or compression. Flat plate Stirling engines have the disadvantage that the heat transfer in the compression or expansion space from or to the working gas takes place via a heat exchanger, which requires a higher temperature gradient than if the working gas (i.e. the gas to be compressed or expanded) is directly thermally connected to the medium would be coupled to which the heat is to be extracted or supplied (e.g. a liquid such as water as a heat transfer medium). In addition, flat plate Stirling engines have a comparatively complex structure and only achieve low power densities. Liquid ring pumps have such a direct coupling of the working gas to a liquid as a heat transfer medium. However, they have the disadvantage that strong liquid flows occur during operation, which are caused by the eccentric rotation of the impeller and by the pressure changes in the gas to be compressed or expanded. For these flows, energy from the drive of the liquid ring pump must be applied, which ultimately does not benefit the function of compression or expansion of the working gas, but rather leads to the heating of the liquid as a flow loss and thus represents a power loss. Therefore, the efficiencies of liquid ring pumps are usually significantly lower than those of other pumps or devices for compressing or expanding gases.
Zur Umwandlung von Wärme/Kälte bzw. Wärmemengen in mechanische/elektrische Energie oder umgekehrt werden heute oft Maschinen eingesetzt, die nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozess, dem Ericsson-Prozess oder nach dem Stirling-Prozess arbeiten. Dabei wird ein Arbeitsmedium abwechselnd bei einer gewissen Temperatur komprimiert und bei einer gewissen anderen Temperatur expandiert, wobei es Wärmemengen abgibt oder aufnimmt. Insbesondere kann beim Clausius-Rankine-Prozess dabei auch ein Phasenübergang des Mediums zwischen flüssig und gasförmig auftreten, beim Stirling-Prozess und beim Ericsson-Prozess bleibt das Arbeitsmedium üblicherweise gasförmig, wobei auch Ausführungsformen mit zumindest teilweiser Phasenänderung existieren. Zur Umwandlung von Wärmemengen bei gewissen Temperaturen in Wärmemengen bei gewissen anderen Temperaturen wird auch der Vuilleumier-Prozess genutzt. Auch andere Wirkprinzipen wie Adsorptions- oder Absorptions-Wärmepumpen gehören zum Stand der Technik.Today, machines that work according to the Clausius-Rankine cycle, the Ericsson process or the Stirling process are often used to convert heat/cold or quantities of heat into mechanical/electrical energy or vice versa. A working medium is alternately compressed at a certain temperature and expanded at a certain other temperature, giving off or absorbing amounts of heat. In particular, in the Clausius-Rankine process, a phase transition of the medium between liquid and gaseous can occur; in the Stirling process and the Ericsson process, the working medium usually remains gaseous, although embodiments with at least partial phase change also exist. The Vuilleumier process is also used to convert quantities of heat at certain temperatures into quantities of heat at certain other temperatures. Other operating principles such as adsorption or absorption heat pumps are also part of the state of the art.
Stirlingmaschinen und Maschinen, die den Clausius-Rankine-Kreisprozess oder den Ericsson-Prozess umsetzen, haben heute den Nachteil, dass ihre Herstellungskosten im Verhältnis zu den damit umwandelbaren Energiemengen oft nicht wirtschaftlich sind. Weiterhin haben sie meist Wirkungsgrade, die bedingt durch die technische Umsetzung weit schlechter sind als der ideale Carnot-Wirkungsgrad für Wärmekraftmaschinen bzw. Wärmepumpen. Dies hat unter anderem die folgenden Gründe:
- 1. Die Expansion und/oder Kompression des verwendeten Arbeitsmediums findet weitgehend adiabatisch und nicht isotherm statt
- 2. Die Wärmetauscherflächen sind zu klein oder die Kopplung der zu-/abgeführten Wärmemengen an das Arbeitsmedium nicht ausreichend, um einen Wärmeübergang zu gewährleisten, der das Arbeitsgas in der verfügbaren Zeit weit genug erwärmt/abkühlt.
- 3. In Stirlingmaschinen existieren Toträume, so dass sich das Arbeitsgas während der Expansion oder Kompression nicht vollständig in den vorgesehenen Expansions- bzw. Kompressionsvolumina befindet
- 4. Beim Betrieb entstehen mechanische Reibungsverluste oder strömungsmechanische Reibungsverluste
- 1. The expansion and/or compression of the working medium used takes place largely adiabatic and not isothermally
- 2. The heat exchanger surfaces are too small or the coupling of the heat supplied/removed to the working medium is not sufficient to ensure a heat transfer that heats/cools the working gas sufficiently in the available time.
- 3. Dead spaces exist in Stirling engines, so that the working gas is not completely in the intended expansion or compression volumes during expansion or compression
- 4. Mechanical friction losses or fluid mechanical friction losses occur during operation
Im Patent
Eine deutliche Erhöhung der maximalen Arbeitsfrequenz und damit der Leistung bzw. Leistungsdichte wird durch die Vorrichtung aus
AufgabeTask
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und einen thermoelektrischen Wandler zur Verfügung zu stellen, die eine weitgehend isotherme Kompression oder Expansion eines Arbeitsmediums ermöglichen.The object of the invention is to provide a method and a thermoelectric converter which enable a largely isothermal compression or expansion of a working medium.
LösungSolution
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung nach Anspruch 1, den thermoelektrischen Wandler nach Anspruch 11 und das computergesteuerte oder elektronisch gesteuerte Verfahren nach Anspruch 14. Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart.This object is achieved by the device according to claim 1, the thermoelectric converter according to
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine weitgehend isotherme Kompression oder Expansion eines Arbeitsmediums (meist Gas oder Gas mit Flüssigkeitsnebel) - im Gegensatz zu den weit verbreiteten, weitgehend adiabatischen Vorrichtungen für eine Gaskompression oder Gasexpansion wie z.B. Kolbenkompressoren. Zusätzlich zur Kompression oder Expansion des Arbeitsmediums kann auch ein Phasenübergang eines Bestandteils des Arbeitsmediums von gasförmig nach flüssig oder von flüssig nach gasförmig innerhalb der Vorrichtung stattfinden. Durch die isotherme Zustandsänderung des Gases lässt sich so z.B. eine Kompression realisieren, die im Vergleich zu einer adiabatischen Kompression weniger mechanische oder elektrische Energie benötigt. Die bei einer Kompression oder Expansion des Arbeitsmediums auftretende Temperaturänderung kann also sehr schnell ausgeglichen werden, indem das Arbeitsmedium Wärmeenergie an die Flüssigkeit abgibt oder von ihr aufnimmt und so weitgehend konstant auf einer Temperatur gehalten wird, die der der Flüssigkeit entspricht. Mit anderen Worten heißt dies, dass eine Kompression oder Expansion des Arbeitsmediums weitgehend isotherm erfolgen kann.The invention relates to a device for a largely isothermal compression or expansion of a working medium (usually gas or gas with liquid mist) - in contrast to the widespread, largely adiabatic devices for gas compression or gas expansion such as piston compressors. In addition to the compression or expansion of the working medium, a phase transition of a component of the working medium from gaseous to liquid or from liquid to gaseous can also take place within the device. The isothermal change in the state of the gas makes it possible, for example, to achieve compression that requires less mechanical or electrical energy compared to adiabatic compression. The temperature change that occurs when the working medium is compressed or expanded can therefore be compensated for very quickly by the working medium giving off or absorbing heat energy to the liquid and thus being kept largely constant at a temperature that corresponds to that of the liquid. In other words, this means that compression or expansion of the working medium can occur largely isothermally.
Eine solche weitgehend isotherme Zustandsänderung eines Gases ist vor allem vorteilhaft bei der Realisierung von thermodynamischen Kreisprozessen wie z.B. dem Stirling-Prozess, dem Ericsson-Prozess oder dem Clausius-Rankine-Prozess, da sich damit höhere Wirkungsgrade als im Falle von weitgehend adiabatischen Zustandsänderungen erzielen lassen. Bei diesen Prozessen durchläuft ein Arbeitsmedium, das zumindest teilweise oder zeitweise gasförmig ist, einen thermodynamischen Kreisprozess, wobei sich sein Druck, seine Temperatur, sein Volumen und andere Zustandsgrößen ändern.Such a largely isothermal change in the state of a gas is particularly advantageous when implementing thermodynamic cycles such as the Stirling process, the Ericsson process or the Clausius-Rankine process, as it allows higher efficiencies to be achieved than in the case of largely adiabatic changes in state . In these processes, a working medium that is at least partially or temporarily gaseous goes through a thermodynamic cycle, whereby its pressure, temperature, volume and other state variables change.
Daher kann die Erfindung in einer Vorrichtung/einem Verfahren zum Umwandeln ...
- • ...von Wärmemengen (Wärmequelle und Wärmesenke mit unterschiedlichen Temperaturen) in mechanische/elektrische Energie oder ...
- • .. von mechanischer/elektrischer Energie in Wärme und Kälte oder ...
- • .. von Wärmemengen mit gewissen Temperaturen in Wärmemengen mit gewissen anderen Temperaturen verwendet werden.
- • ...from amounts of heat (heat source and heat sink with different temperatures) into mechanical/electrical energy or ...
- • .. from mechanical/electrical energy in heat and cold or ...
- • .. from quantities of heat with certain temperatures to be used in quantities of heat with certain other temperatures.
Die Wärme/Kälte kann beispielsweise mittels Flüssigkeiten als Wärmeträger an diesen thermoelektrischen Wandler gekoppelt werden. Daher kann sein Einsatzbereich beispielsweise bei Temperaturen und Drücken liegen, bei denen diese Wärmeträger flüssig sind.The heat/cold can be coupled to this thermoelectric converter, for example, using liquids as heat carriers. Therefore, its area of application can be, for example, at temperatures and pressures at which these heat transfer media are liquid.
Diese Anwendung kann herkömmliche Wärmepumpen, Wärmekraftmaschinen oder Vorrichtungen zum Umwandeln von (Ab-)Wärme oder Kälte oder Wärmemengen mit gewissen Temperaturunterschieden in Nutzwärme und/oder Nutzkälte ersetzen.This application can replace conventional heat pumps, heat engines or devices for converting (waste) heat or cold or quantities of heat with certain temperature differences into useful heat and/or useful cold.
Die Erfindung kann ermöglichen:
- • .. hohe Wirkungsgrade. Dies wird erstens erreicht durch die weitgehend isotherme Prozessführung, zweitens durch einen effektiven, direkten Übertrag von Wärmemengen zwischen dem verwendeten Arbeitsmedium und den Flüssigkeiten als Wärmeträger ohne einer zusätzlichen Wärmetauscherwand zwischen den Medien, und drittens durch die Vermeidung von Strömungsverlusten, wie sie bei anderen, weitgehend isothermen Vorrichtungen zur Kompression oder Expansion eines Gases (wie z.B. Flüssigkeitsringpumpen) auftreten.
- • ... und durch die Nutzbarkeit kleiner Temperaturunterschiede für den Antrieb der Vorrichtung oder durch die Möglichkeit, auch kleine Temperaturunterschiede in der Funktion als Wärmepumpe effizient erzeugen zu können. Dies ist möglich wegen der direkten Kopplung des in der Maschine verwendeten Arbeitsmediums an die Flüssigkeit als Wärmeträger ohne den Umweg über einen Wärmetauscher.
- • .. high efficiencies. This is achieved firstly by the largely isothermal process control, secondly by an effective, direct transfer of heat quantities between the working medium used and the liquids as a heat transfer medium without an additional heat exchanger wall between the media, and thirdly by largely avoiding flow losses, as is the case with others isothermal devices for compressing or expanding a gas (such as liquid ring pumps) occur.
- • ... and through the use of small temperature differences to drive the device or through the possibility of being able to efficiently generate even small temperature differences when functioning as a heat pump. This is possible because of the direct coupling of the working medium used in the machine to the liquid as a heat transfer medium without the detour via a heat exchanger.
Weiterhin kann mittels der Erfindung eine Verschleißarmut und ein vergleichsweise einfacher und kostengünstiger Aufbau realisiert werden.Furthermore, the invention can be used to achieve low wear and a comparatively simple and cost-effective structure.
Alternativ kann die isotherme Zustandsänderung auch in anderen Anwendungen verwendet werden, in denen eine weitgehend isotherme Kompression oder Expansion eines Gases oder eines ein Gas enthaltenden Fluids vorteilhaft ist, z.B. als Vakuumpumpe, als Gaskompressor, für Drucklufterzeugung, Kompressions- und Expansionsvorrichtung für Druckluft-Energiespeicher, Expansionsvorrichtung zur Umwandlung eines Gasdrucks in mechanische/elektrische Energie, etc.. Da in der Kompressions- und Expansionsvorrichtung auch ein Phasenübergang von Bestandteilen des Arbeitsgases oder der verwendeten Flüssigkeit stattfinden kann, eignet sie sich auch für Anwendungen wie z.B. Verflüssigung von Gasen (z.B. Erdgas, Stickstoff) oder die Trocknung von Gasen (z.B. Luft).Alternatively, the isothermal change of state can also be used in other applications in which a largely isothermal compression or expansion of a gas or a fluid containing a gas is advantageous, e.g. as a vacuum pump, as a gas compressor, for compressed air generation, compression and expansion device for compressed air energy storage, Expansion device for converting gas pressure into mechanical/electrical energy, etc. Since a phase transition of components of the working gas or the liquid used can also take place in the compression and expansion device, it is also suitable for applications such as liquefaction of gases (e.g. natural gas, Nitrogen) or the drying of gases (e.g. air).
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompression, Expansion, Volumenänderung, Verdrängung eines fluiden Arbeitsmediums, das zumindest teilweise aus Gas besteht. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Volumen, das eine Flüssigkeitsmenge einer Flüssigkeit und ein Teilvolumen mit einem Arbeitsmedium umfasst, und Volumenbegrenzungselemente, die das Volumen begrenzen und die derart ausgebildet sind, dass ein oder mehrere Durchlässe während einer Kompressions-, Expansions- oder Verdrängungsperiode ein Hinausströmen von maximal einer vorgegebenen Teilmenge der Flüssigkeitsmenge ermöglichen. Während der Kompressions-, Expansions- oder Verdrängungsperiode führt die Flüssigkeitsmenge eine Rotation um eine Rotationsachse aus. Die Volumenbegrenzungselemente sind zudem derart ausgebildet, eine ringförmige Strömung der Flüssigkeitsmenge um die Rotationsachse zu unterbinden. Während der Kompressions-, Expansions- oder Verdrängungsperiode ist durch eine Verlagerung mindestens eines der Volumenbegrenzungselemente das Volumen in seiner Gesamtgröße veränderbar.The invention relates to a device for compression, expansion, volume change and displacement of a fluid working medium which consists at least partially of gas. The device comprises at least a volume that includes a liquid quantity of a liquid and a partial volume with a working medium, and volume limiting elements that limit the volume and that are designed such that one or more passages prevent an outflow of during a compression, expansion or displacement period allow a maximum of a predetermined subset of the liquid quantity. During the compression, expansion or displacement period, the quantity of liquid rotates about an axis of rotation. The volume limiting elements are also designed to prevent an annular flow of the amount of liquid around the axis of rotation. During the compression, expansion or displacement period, the volume's overall size can be changed by moving at least one of the volume limiting elements.
Das Volumenbegrenzungselement kann das Volumen bis auf den einen oder die mehreren Durchlässe (beispielsweise Spalte oder Öffnungen für den Zu- oder Abtransport des Arbeitsmediums oder der Flüssigkeit) begrenzen. Die Spalte oder Öffnungen können beispielsweise derart bemessen sein oder derart mit anderen Volumina verbunden sein, dass während eines Kompressions- oder Expansionsperiode nur ein sehr geringer Druckverlust dadurch verursacht wird und dass die Flüssigkeit maximal mit der vorgegebenen Teilmenge durch diese Spalte oder Öffnungen aus dem Volumen herausströmt oder in das Volumen hineinströmt (die vorgegebene Teilmenge kann 5% oder 10% oder 15% der Flüssigkeitsmenge im Volumen betragen). Durch den direkten Kontakt des Arbeitsmediums mit der Flüssigkeit kann gewährleistet werden, dass das Arbeitsmedium sehr effektiv thermisch an die Flüssigkeit gekoppelt ist: Wärmemengen müssen nicht zuerst von der Flüssigkeit auf eine Wärmetauscherwand übertragen und dann erst in das Arbeitsmedium oder umgekehrt übertragen werden. Die bei einer Kompression oder Expansion des Arbeitsmediums auftretende Temperaturänderung kann also sehr schnell ausgeglichen werden, indem das Arbeitsmedium Wärmeenergie an die Flüssigkeit abgibt oder von ihr aufnimmt und so weitgehend konstant auf einer Temperatur gehalten wird, die der der Flüssigkeit entspricht. Mit anderen Worten heißt dies, dass eine Kompression oder Expansion des Arbeitsmediums weitgehend isotherm erfolgen kann. Die Flüssigkeit hat eine Funktion als „Wärmeträger“, indem kleine Mengen von ihr durch kleine Öffnungen aus dem Volumen entwichen können, um die entstandene Wärme oder Kälte aus dem Volumen abzutransportieren und sie außerhalb der Vorrichtung nutzen zu können oder an ein Wärmereservoir abzugeben. Ebenso kann durch eine weitere oder dieselbe Öffnung Flüssigkeit in das Volumen eintreten, um Wärme oder Kälte in das Volumen hinein zu transportieren und um die ausgetretene Flüssigkeitsmenge zu ersetzen. Diese Öffnungen wie auch andere Öffnungen oder Spalte sind so klein bemessen, dass die Flüssigkeit nur mit einem erheblichen Strömungswiderstand und nur sehr langsam hindurchfließen kann, sich also dadurch der Druck im Volumen nur unwesentlich ändert und auch nur sehr geringe Strömungsverluste (Reibungsverluste durch die Strömung der Flüssigkeit) auftreten.The volume limiting element can limit the volume to one or more passages (for example gaps or openings for the supply or removal of the working medium or liquid). The gaps or openings can, for example, be dimensioned or connected to other volumes in such a way that only a very small pressure loss is caused during a compression or expansion period and that the liquid flows out of the volume through these gaps or openings at a maximum of the predetermined partial amount or flows into the volume (the specified partial amount can be 5% or 10% or 15% of the amount of liquid in the volume). The direct contact of the working medium with the liquid can ensure that the working medium is very effectively thermally coupled to the liquid: quantities of heat do not first have to be transferred from the liquid to a heat exchanger wall and then transferred into the working medium or vice versa. The temperature change that occurs when the working medium is compressed or expanded can therefore be compensated for very quickly by the working medium giving off or absorbing heat energy to the liquid and thus being kept largely constant at a temperature that corresponds to that of the liquid. In other words, this means that compression or expansion of the working medium can occur largely isothermally. The liquid has a function as a “heat carrier” in that small amounts of it can escape from the volume through small openings in order to transport the resulting heat or cold out of the volume and to be able to use it outside the device or to transfer it to a heat reservoir. Likewise, liquid can enter the volume through another or the same opening in order to transport heat or cold into the volume and to replace the amount of liquid that has escaped. These openings, as well as other openings or gaps, are so small that the liquid can only flow through with considerable resistance and only very slowly, i.e As a result, the pressure in the volume only changes insignificantly and only very small flow losses (friction losses due to the flow of the liquid) occur.
Beispielsweise kann die Vorrichtung verwendet werden zur weitgehend isothermen Kompression eines Gases, um dieses in einem Druckbehälter bei Überdruck einzuleiten. Dabei muss in die Vorrichtung mechanische oder elektrische Energie eingebracht werden. Das unter Überdruck stehende Gas kann dann in umgekehrter Richtung wieder aus dem Druckbehälter dazu genutzt werden, über die Vorrichtung weitgehend isotherm expandiert zu werden. Dadurch wird mechanische oder elektrische Energie frei, die anderweitig genutzt werden kann. Ein solches Verfahren kann also als Energiespeicher genutzt werden, bei dem die Energie in Form des Überdrucks des Gases im Druckbehälter gespeichert wird. Im Gegensatz zur Verwendung von Vorrichtungen, die das Gas weitgehend adiabatisch komprimieren, lassen sich mit der hier beschriebenen Vorrichtung in einer solchen Anwendung hohe Wirkungsgrade eines solchen Energiespeichers erzielen. Bei dieser Ausführungsform kann das Gas über Druckventile oder Öffnungen, die je nach Lage der Volumenbegrenzungselemente geöffnet oder geschlossen sind, in die Vorrichtung ein- und ausströmen.For example, the device can be used for the largely isothermal compression of a gas in order to introduce it into a pressure vessel at excess pressure. Mechanical or electrical energy must be introduced into the device. The gas under excess pressure can then be used in the opposite direction from the pressure vessel to be largely isothermally expanded via the device. This releases mechanical or electrical energy that can be used for other purposes. Such a process can therefore be used as an energy storage device, in which the energy is stored in the form of the excess pressure of the gas in the pressure vessel. In contrast to the use of devices that compress the gas largely adiabatically, high efficiencies of such an energy storage device can be achieved with the device described here in such an application. In this embodiment, the gas can flow in and out of the device via pressure valves or openings that are open or closed depending on the position of the volume limiting elements.
Auch bei der Verwendung der hier beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung von Druckluft oder zur Kompression eines Gases oder zur Erzeugung eines Unterdrucks oder Vakuums lassen sich durch die isotherme Prozessführung hohe Wirkungsgrade erreichen.Even when using the device described here to generate compressed air or to compress a gas or to generate a negative pressure or vacuum, high efficiencies can be achieved through the isothermal process control.
Die Vorrichtung kann mindestens zwei der Volumina umfassen, die jeweils mindestens ein Teilvolumen des Arbeitsmediums und Flüssigkeitsmengen umfassen kann, wobei die mindestens zwei Volumina jeweils von den Volumenbegrenzungselementen begrenzt sein können, so dass sich die Flüssigkeitsmengen verschiedener Volumina bis maximal auf die vorgegebene Teilmenge nicht vermischen können.The device can include at least two of the volumes, each of which can include at least a partial volume of the working medium and amounts of liquid, wherein the at least two volumes can each be limited by the volume limiting elements, so that the amounts of liquid of different volumes cannot mix up to a maximum of the predetermined partial amount .
Die vorgegebene Teilmenge kann 5% oder 10% oder 15% betragen. Die vorgegebene Teilmenge kann 5% oder 10% oder 15% der Flüssigkeitsmenge im Volumen betragen.The specified subset can be 5% or 10% or 15%. The specified partial amount can be 5% or 10% or 15% of the amount of liquid in volume.
Die Volumenbegrenzungselemente, die das Volumen des Arbeitsmediums und der Flüssigkeit bis auf kleine Spalte oder Öffnungen oder Aus-/Eintrittsöffnungen vollständig umschließen, verhindern im Gegensatz zu herkömmlichen Flüssigkeitsringpumpen oder im Gegensatz zur Vorrichtung aus
Mindestens ein erstes Volumenbegrenzungselement der Volumenbegrenzungselemente kann eine Rotationsbewegung in einem Gehäuse ausführen, das das mindestens eine Volumen umfassen kann, wobei eine Rotationsachse des ersten Volumenbegrenzungselements verschieden von einer Mittelachse des Gehäuses sein kann und/oder das mindestens ein erstes Volumenbegrenzungselement der Volumenbegrenzungselemente kann eine erste Rotationsbewegung ausführen und mindestens ein zweites Volumenbegrenzungselement kann eine zweite Rotationsbewegung ausführen, wobei eine erste Rotationsachse der ersten Rotationsbewegung und eine zweite Rotationsachse der zweiten Rotationsbewegung verschieden voneinander sein können. Das Gehäuse kann kreiszylinderförmig oder andersartig geformt sein.At least a first volume limiting element of the volume limiting elements can perform a rotational movement in a housing that can include the at least one volume, wherein a rotation axis of the first volume limiting element can be different from a central axis of the housing and / or the at least one first volume limiting element of the volume limiting elements can perform a first rotational movement carry out and at least one second volume limiting element can carry out a second rotational movement, wherein a first axis of rotation of the first rotational movement and a second axis of rotation of the second rotational movement can be different from one another. The housing can be circular cylindrical or shaped differently.
Ein erstes Volumenbegrenzungselement der Volumenbegrenzungselemente kann eine Rotationsbewegung ausführen, wobei dieses erste Volumenbegrenzungselement bewegliche Begrenzungselemente umfassen kann, die während der Rotation des ersten Volumenbegrenzungselements ihre Lage relativ zu dem ersten Volumenbegrenzungselement periodisch ändern können.A first volume limiting element of the volume limiting elements can carry out a rotational movement, wherein this first volume limiting element can comprise movable limiting elements which can periodically change their position relative to the first volume limiting element during the rotation of the first volume limiting element.
Ein erstes Volumenbegrenzungselement der Volumenbegrenzungselemente kann eine Bewegung ausführen, die eine Rotationsbewegung um eine erste Achse und eine Rotationsbewegung um eine zweite Achse umfassen kann.A first volume limiting element of the volume limiting elements can perform a movement, which can include a rotational movement about a first axis and a rotational movement about a second axis.
Mindestens ein erstes Volumenbegrenzungselement der Volumenbegrenzungselemente kann einen Kolben oder Hohlkolben umfassen, der eine Rotationsbewegung ausführen kann, die von einer periodischen Translationsbewegung überlagert sein kann.At least a first volume limiting element of the volume limiting elements can comprise a piston or hollow piston, which can carry out a rotational movement which can be superimposed by a periodic translational movement.
Neben der Funktion als Wärmeträger kann die Flüssigkeit noch eine Dichtfunktion erfüllen, in dem sie das zumindest teilweise gasförmige Arbeitsmedium daran hindert, durch Spalte oder Öffnungen ungewollt aus dem Volumen zu entweichen. Spalte oder Öffnungen sind also bevorzugt von der Flüssigkeit umgeben und nicht vom Arbeitsmedium.In addition to its function as a heat transfer medium, the liquid can also fulfill a sealing function by preventing the at least partially gaseous working medium from unintentionally escaping from the volume through gaps or openings. Gaps or openings are therefore preferably surrounded by the liquid and not by the working medium.
Die Funktion der Vorrichtung, das Arbeitsmedium zu expandieren, zu komprimieren, im Volumen zu ändern oder zu verdrängen, wird dadurch bewerkstelligt, dass sich die Volumenbegrenzungselemente in ihrer Lage relativ zur Flüssigkeit verlagern (oder die Flüssigkeit relativ zu den Volumenbegrenzungselementen), sodass sich das Teilvolumen ändert, das das Arbeitsmedium enthält (dieses Teilvolumen ist einerseits von den Volumenbegrenzungselementen und andererseits von der Flüssigkeit begrenzt). Dabei ist das Arbeitsmedium kontinuierlich in Kontakt mit der Flüssigkeit und entsprechend thermisch an sie gekoppelt, so dass die Kompression, Expansion, Volumenänderung oder Verdrängung weitgehend isotherm erfolgt.The function of the device to expand, compress, change the volume or displace the working medium is accomplished by the volume limiting elements shifting in position relative to the liquid (or the liquid relative to the volume limiting elements elements), so that the partial volume that contains the working medium changes (this partial volume is limited on the one hand by the volume limiting elements and on the other hand by the liquid). The working medium is continuously in contact with the liquid and correspondingly thermally coupled to it, so that the compression, expansion, volume change or displacement occurs largely isothermally.
Um zu verhindern, dass die Flüssigkeit bei der Bewegung relativ zu den Volumenbegrenzungselementen von diesen mitgerissen wird und sich in größeren Mengen mit dem Arbeitsmedium vermischen würde oder so Strömungsverluste verursachen würde, muss die Kraft, die die Flüssigkeit in ihrer bevorzugten Lage hält, mindestens größer sein als die Kräfte, die die Flüssigkeit aus ihrer bevorzugten Lage heraustrennen würde. In einer Vorrichtung wie in
Mindestens eine der Flüssigkeitsmengen kann sich verursacht durch Trägheitskräfte oder durch Bewegung von mindestens einem der Volumenbegrenzungselemente im Volumen relativ zu anderen der Volumenbegrenzungselemente bewegen und dabei eine Größe mindestens eines der Teilvolumen ändern.At least one of the liquid quantities can move in the volume relative to other volume limiting elements caused by inertial forces or by movement of at least one of the volume limiting elements and thereby change a size of at least one of the partial volumes.
Die Vorrichtung kann weiter Wärmeübertragungselemente umfassen, die periodisch in die im Volumen befindliche Flüssigkeit der Flüssigkeitsmenge ein- und wieder heraustauchen, wobei die Wärmeübertragungselemente beispielsweise Platten, Gitter und/oder Stäbe umfassen können. Die Platten, Netze, Gitter oder Stäbe können beispielsweise Metall umfassen.The device can further comprise heat transfer elements which periodically dip into and out of the liquid in the volume, wherein the heat transfer elements can comprise, for example, plates, grids and/or rods. The plates, nets, grids or bars can include metal, for example.
Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Vorrichtung kann sein, dass der Wärmeübertrag zwischen dem Arbeitsmedium und der Flüssigkeit schnell und damit effektiv erfolgt im Vergleich zu Vorrichtungen, bei denen die Wärme über einen herkömmlichen Wärmetauscher übertragen wird. Das liegt daran, dass das Arbeitsmedium seinen Temperaturausgleich mit der Flüssigkeit direkt an der Grenzfläche zwischen dem Arbeitsmedium und der Flüssigkeit vollziehen kann, und der entsprechende Übertrag von Wärmemengen nicht indirekt über die Wand eines Wärmetauschers erfolgen muss, bei dem zunächst Wärmemengen vom Arbeitsmedium an den Wärmetauschern erfolgt und im zweiten Schritt vom Wärmetauscher auf die Flüssigkeit (oder umgekehrt). Dieser Vorteil lässt sich durch die Wärmeübertragungselemente verstärken. Während des Eintauschens in die Flüssigkeit sind sie thermisch an diese gekoppelt und nehmen weitgehend die Temperatur der Flüssigkeit an. Während sie aus der Flüssigkeit herausgezogen sind, sind sie dann thermisch an das Arbeitsmedium gekoppelt und es findet ein Temperaturausgleich zwischen ihnen und dem Arbeitsmedium statt. Sie erhöhen so die Kontaktfläche des Arbeitsmediums mit Elementen, die quasi dieselbe Temperatur wie die Flüssigkeit haben, so dass der Übertrag von Wärmemengen und so der Temperaturausgleich beschleunigt wird. Diese Wärmeübertragungselemente können zusätzlich dazu dienen, Strömungen der Flüssigkeitsmengen innerhalb des Volumens zu reduzieren, beispielsweise indem Platten derart angeordnet werden, dass ihre Oberflächen senkrecht zur Strömungsrichtung liegen, die sie reduzieren sollen. So lassen sich beispielsweise Platten derart in den Volumina anordnen, dass ihre Oberflächen weitgehend senkrecht zur Rotationsbewegung der Flüssigkeitsmengen um ihre Rotationsachse angeordnet sind, um ein Hin- und Herschwanken der Flüssigkeitsmengen innerhalb ihres jeweiligen Volumens zu verringern.A further advantage of the device described here may be that the heat transfer between the working medium and the liquid occurs quickly and therefore effectively compared to devices in which the heat is transferred via a conventional heat exchanger. This is because the working medium can equalize its temperature with the liquid directly at the interface between the working medium and the liquid, and the corresponding transfer of heat quantities does not have to take place indirectly via the wall of a heat exchanger, in which quantities of heat are initially transferred from the working medium to the heat exchangers and in the second step from the heat exchanger to the liquid (or vice versa). This advantage can be enhanced by the heat transfer elements. During exchange into the liquid, they are thermally coupled to it and largely assume the temperature of the liquid. While they are pulled out of the liquid, they are then thermally coupled to the working medium and a temperature equalization takes place between them and the working medium. In this way, you increase the contact surface of the working medium with elements that have virtually the same temperature as the liquid, so that the transfer of heat quantities and thus the temperature equalization is accelerated. These heat transfer elements can additionally serve to reduce flows of liquid quantities within the volume, for example by arranging plates such that their surfaces are perpendicular to the flow direction they are intended to reduce. For example, plates can be arranged in the volumes in such a way that their surfaces are arranged largely perpendicular to the rotational movement of the amounts of liquid about their axis of rotation in order to reduce the back and forth fluctuation of the amounts of liquid within their respective volume.
Ein Thermoelektrischer Wandler zur Umwandlung von Wärmemengen in mechanische oder elektrische Energie oder zur Umwandlung von mechanischer oder elektrischer Energie in Wärme/Kälte oder zur Umwandlung von Wärmemengen bei ersten Temperaturen in Wärmemengen bei zweiten Temperaturen umfasst mindestens eine Vorrichtung wie weiter oben oder weiter unten beschrieben.A thermoelectric converter for converting quantities of heat into mechanical or electrical energy or for converting mechanical or electrical energy into heat/cold or for converting quantities of heat at first temperatures into quantities of heat at second temperatures comprises at least one device as described above or below.
Mit dem thermoelektrischen Wandler kann ein thermodynamischer Kreisprozess realisiert werden, beispielsweise ein Stirling-Prozess, ein Ericsson-Prozess, ein Clausius-Rankine-Prozess oder ein Stirling-Prozess, bei dem zusätzlich zur Kompression und Expansion oder Verdrängung des Arbeitsgases eine Kondensation und/oder Verdampfung eines Bestandteils des Arbeitsmediums oder der Flüssigkeit stattfinden kann.With the thermoelectric converter, a thermodynamic cycle can be realized, for example a Stirling process, an Ericsson process, a Clausius-Rankine process or a Stirling process, in which, in addition to the compression and expansion or displacement of the working gas, condensation and / or Evaporation of a component of the working medium or liquid can take place.
Thermodynamische Kreisprozesse, bei denen ein Arbeitsmedium eine zyklische Zustandsänderung durchläuft (Änderung des Volumens, des Drucks, der Temperatur, des Aggregatzustands, etc. in einer gewissen Abfolge, die sich zyklisch wiederholt) haben oft einen hohen Wirkungsgrad, wenn gewisse Zustandsänderungen - beispielsweise Kompressions- oder Expansionsvorgänge, weitgehend isotherm anstatt adiabatisch ablaufen. Beispiele für solche Kreisprozesse sind der Stirling-Prozess, der Vuilleumier-Prozess, der Ericsson-Prozess oder der Clausius-Rankine-Prozess. Daher kann sich die hier beschriebene Vorrichtung für die Verwirklichung eines solchen Prozesses mit einem hohen Wirkungsgrad eignen.Thermodynamic cycle processes in which a working medium undergoes a cyclical change of state (change in volume,... Pressure, temperature, state of aggregation, etc. in a certain sequence that is repeated cyclically) often have a high degree of efficiency if certain changes in state - for example compression or expansion processes - occur largely isothermally instead of adiabatic. Examples of such cycle processes are the Stirling process, the Vuilleumier process, the Ericsson process or the Clausius-Rankine process. Therefore, the device described here can be suitable for implementing such a process with high efficiency.
Das kreiszylinderförmige oder andersartig geformte Gehäuse kann frei drehbar um die Mittelachse des Gehäuses gelagert sein.The circular cylindrical or differently shaped housing can be mounted so that it can rotate freely about the central axis of the housing.
Ein computergesteuertes oder elektronisch gesteuertes Verfahren zum Betreiben eines thermoelektrischen Wandlers, wie weiter oben oder weiter unten beschrieben, ist vorgesehen.A computer-controlled or electronically controlled method for operating a thermoelectric converter, as described above or below, is provided.
Die Volumenänderungselemente können derart gesteuert werden, dass während einer Kompression des Arbeitsmediums dieses zumindest teilweise kondensiert und während einer anschließenden Expansion verdampft. Das Arbeitsmedium kann während der Kompression auch ganz kondensieren.The volume change elements can be controlled in such a way that the working medium condenses at least partially during compression and evaporates during a subsequent expansion. The working medium can also completely condense during compression.
Der thermoelektrische Wandler kann mechanische/elektrische Energie in Wärmemengen bei gewissen Temperaturen umwandeln (Funktion als Wärmepumpe), oder kann Wärmemengen bei gewissen Temperaturen in elektrische/mechanische Energie umwandeln (Funktion als Wärmekraftmaschine), oder kann Wärmemengen bei gewissen Temperaturen in Wärmemengen bei gewissen anderen Temperaturen umwandeln (Funktion wie bei Kombination aus Wärmepumpe mit Wärmekraftmaschine oder wie bei Vuilleumiermaschine). Durch die Verwendung der Vorrichtung, wie weiter oben oder weiter unten beschrieben, können so hohe Wirkungsgrade erzielt werden, außerdem ist die effiziente Nutzung oder Erzeugung auch von kleinen Temperaturunterschieden möglich wegen der guten und direkten Kopplung des Arbeitsmediums an die Flüssigkeit als Wärmeträger bzw. Wärmetransportmedium.The thermoelectric converter can convert mechanical/electrical energy into amounts of heat at certain temperatures (function as a heat pump), or can convert amounts of heat at certain temperatures into electrical/mechanical energy (function as a heat engine), or can convert amounts of heat at certain temperatures into amounts of heat at certain other temperatures convert (function like a combination of heat pump with heat engine or like a Vuilleumier machine). By using the device, as described above or below, high efficiencies can be achieved, and the efficient use or generation of even small temperature differences is possible because of the good and direct coupling of the working medium to the liquid as a heat transfer medium or heat transport medium.
Die Funktion eines solchen Verfahrens ist im Folgenden am Beispiel des Stirling-Prozesses in der Funktion als Wärmepumpe erläutert. Das im Verfahren verwendete Arbeitsmedium, hier ein Gas, wird in einem ersten Schritt in einem ersten Volumen weitgehend isotherm komprimiert. Dabei gibt es Wärmemengen an eine erste Flüssigkeitsmenge ab, die sich folglich erwärmt.The function of such a process is explained below using the example of the Stirling process in the function of a heat pump. The working medium used in the process, here a gas, is largely isothermally compressed in a first volume in a first step. This releases quantities of heat into a first quantity of liquid, which consequently heats up.
In einem zweiten Schritt wird das Arbeitsmedium aus dem Teilvolumen verdrängt, das sich zusammen mit dieser ersten Flüssigkeitsmenge im ersten Volumen befindet. Es strömt über eine (gasdichte) Verbindung in ein zweites Volumen, das eine zweite Flüssigkeitsmenge enthält. Während dieses Strömens in das zweite Volumen nimmt das Arbeitsmedium weitgehend die Temperatur der Flüssigkeit und Volumenbegrenzungselemente des zweiten Volumens an, indem es Wärmemengen an die Wand der Verbindung abgibt oder von ihr aufnimmt. Dieser Temperaturangleich des Arbeitsmediums während des Wechsels von einem Volumen in das andere, der wichtig für das Erreichen eines guten Wirkungsgrads ist, kann verbessert werden, wenn ein sogenannter Regenerator in der Verbindung verwendet wird, der eine möglichst große Oberfläche aufweist, mit der das Arbeitsmedium während des Durchströmens in Kontakt (und so in thermischer Kopplung) stehen kann. Beim Durchströmen des Arbeitsmediums durch den Regenerator gibt dieses in der einen Richtung Wärmemengen an den Regenerator ab, der diese quasi zwischenspeichert. Beim Durchströmen in die andere Richtung nimmt das Arbeitsmedium dann Wärmemengen vom Regenerator wieder auf. Im Regenerator bildet sich folglich über dessen Länge ein Temperaturgradient aus und der Regenerator erreicht auf der den beiden Volumina angrenzenden Seiten jeweils eine Temperatur, die weitgehend der in den Volumina vorherrschenden Temperaturen entspricht.In a second step, the working medium is displaced from the partial volume, which is located in the first volume together with this first amount of liquid. It flows through a (gas-tight) connection into a second volume that contains a second amount of liquid. During this flow into the second volume, the working medium largely assumes the temperature of the liquid and volume-limiting elements of the second volume by giving off amounts of heat to or absorbing them from the wall of the connection. This temperature adjustment of the working medium during the change from one volume to the other, which is important for achieving good efficiency, can be improved if a so-called regenerator is used in the connection, which has the largest possible surface area with which the working medium can interact during the flow through can be in contact (and thus in thermal coupling). As the working medium flows through the regenerator, it releases quantities of heat in one direction to the regenerator, which essentially stores it temporarily. When flowing through in the other direction, the working medium then absorbs quantities of heat from the regenerator. Consequently, a temperature gradient is formed in the regenerator along its length and the regenerator reaches a temperature on the sides adjacent to the two volumes that largely corresponds to the temperatures prevailing in the volumes.
In einem dritten Schritt wird das Arbeitsmedium im zweiten Volumen weitgehend isotherm expandiert. Dabei nimmt es Wärmemengen aus der Flüssigkeit auf, die sich im zweiten Volumen befindet und hält so seine Temperatur weitgehend konstant auf dem Niveau, das auch weitgehend der Temperatur der Flüssigkeit im zweiten Volumen entspricht.In a third step, the working medium in the second volume is expanded largely isothermally. It absorbs amounts of heat from the liquid that is in the second volume and thus keeps its temperature largely constant at a level that largely corresponds to the temperature of the liquid in the second volume.
In einem vierten Schritt wird das Arbeitsmedium aus dem zweiten Volumen verdrängt und strömt über dieselbe Verbindung wie in Schritt Zwei wieder zurück in das erste Volumen, wobei es beim Durchströmen durch die Verbindung und durch den möglichen Regenerator wieder weitgehend die Temperatur annimmt, die im ersten Volumen vorherrscht.In a fourth step, the working medium is displaced from the second volume and flows back into the first volume via the same connection as in step two, whereby as it flows through the connection and through the possible regenerator it again largely assumes the temperature that in the first volume prevails.
Im Anschluss beginnt der Kreisprozess wieder von vorne beim ersten Schritt. Für diese Funktion als Wärmepumpe muss mechanische Energie aufgebracht werden, um diesen Kreisprozess aufrecht zu erhalten und entsprechende Wärmemengen der einen Flüssigkeit zuzuführen und der anderen Flüssigkeit abzuführen. Diese kann z.B. durch einen elektrischen Antrieb erfolgen.The cycle then starts again from the beginning with the first step. For this function as a heat pump, mechanical energy must be applied in order to maintain this cycle and to supply appropriate amounts of heat to one liquid and to remove it from the other liquid. This can be done, for example, by an electric drive.
Dieser Kreisprozess kann auch in umgekehrter Richtung durchlaufen werden, so dass der Stirling-Prozess zur Realisierung einer Wärmekraftmaschine verwendet wird. In diesem Fall findet die Expansion des Arbeitsmediums in einem ersten Volumen in Kontakt mit einer ersten Flüssigkeit statt, und die Kompression des Arbeitsmediums findet in einem zweiten Volumen in Kontakt mit einer zweiten Flüssigkeit statt, wobei die erste Flüssigkeit wärmer als die zweite ist.This cycle can also be carried out in the opposite direction, so that the Stirling process is used to create a heat engine. In this case, the expansion of the working medium takes place in a first Volume in contact with a first liquid, and the compression of the working medium takes place in a second volume in contact with a second liquid, the first liquid being warmer than the second.
Wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung in Form des Stirling-Prozesses umgesetzt, so kann es sich dabei um einen Alpha-, Beta- oder Gamma-Stirling-Prozess handeln. Auch bei der Umsetzung in Form eines anderen Kreisprozesses wie z.B. dem Ericsson-Prozess oder dem Clausius-Rankine-Prozess, sind unterschiedliche Varianten der Prozessführung möglich. Im Gegensatz zum Stirling-Prozess findet beim Clausius-Rankine-Prozess auch ein Phasenübergang im Arbeitsmedium statt (Wechsel des Aggregatzustands von gasförmig zu flüssig und umgekehrt). Bei der vorliegenden Erfindung sind auch Mischformen der Prozesse möglich, beispielsweise ein Stirling-Prozess, bei dem ein Teil des Arbeitsmediums während der Kompression und Expansion verdampft bzw. kondensiert.If the method of the present invention is implemented in the form of the Stirling process, it can be an alpha, beta or gamma Stirling process. Different variants of process management are also possible when implemented in the form of another circular process such as the Ericsson process or the Clausius-Rankine process. In contrast to the Stirling process, in the Clausius-Rankine process a phase transition also takes place in the working medium (change of the aggregate state from gaseous to liquid and vice versa). In the present invention, mixed forms of the processes are also possible, for example a Stirling process in which part of the working medium evaporates or condenses during compression and expansion.
Kurze FigurenbeschreibungShort character description
Die beigefügten Figuren stellen beispielhaft zum besseren Verständnis und zur Veranschaulichung Aspekte und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt:
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1 eine 3D-Ansicht einer ersten Ausführungsform eines thermodynamischen Wandlers, -
2 einen Längsschnitt der Vorrichtung der1 , -
3 einen Querschnitt (Schnitt A-A) durch die erste Hauptkammer, -
4 einen Querschnitt (Schnitt B-B) durch die zweite Hauptkammer, -
5 eine 3D-Ansicht des ersten Rotors zusammen mit den Verbindungselementen, -
6 eine alternative Ausführungsform des ersten Rotors mit zusätzlichen Wärmetauscherelementen, -
7 eine zweite Ausführungsform eines thermodynamischen Wandlers, -
8 einen ersten Querschnitt (Schnitt A-A) durch die erste Hauptkammer, -
9 einen zweiten Querschnitt (Schnitt B-B) durch die erste Hauptkammer, -
10 eine dreidimensionale Ansicht der Rotoren zusammen mit den gasdurchlässigen Verbindungselementen, -
11 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines thermodynamischen Wandlers, -
12 einen ersten Querschnitt (Schnitt A-A) durch die erste Hauptkammer, -
13 einen zweiten Querschnitt (Schnitt B-B) durch die zweite Hauptkammer, -
14 einen Drehkolben einer alternativen Ausführungsform, -
15 den Drehkolben der 14 in einer dreidimensionalen Ansicht, -
16 eine weitere Ausführungsform eines thermodynamischen Wandlers und -
17 eine dreidimensionale Ansicht der Hubkolben, Verdrängerkolben, der Verbindungselemente, des Exzenters und des Kugellagers.
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1 a 3D view of a first embodiment of a thermodynamic converter, -
2 a longitudinal section of the device1 , -
3 a cross section (section AA) through the first main chamber, -
4 a cross section (section BB) through the second main chamber, -
5 a 3D view of the first rotor together with the connecting elements, -
6 an alternative embodiment of the first rotor with additional heat exchanger elements, -
7 a second embodiment of a thermodynamic converter, -
8th a first cross section (section AA) through the first main chamber, -
9 a second cross section (section BB) through the first main chamber, -
10 a three-dimensional view of the rotors together with the gas-permeable connecting elements, -
11 a longitudinal section through a third embodiment of a thermodynamic converter, -
12 a first cross section (section AA) through the first main chamber, -
13 a second cross section (section BB) through the second main chamber, -
14 a rotary piston of an alternative embodiment, -
15 the rotary piston of the14 in a three-dimensional view, -
16 another embodiment of a thermodynamic converter and -
17 a three-dimensional view of the reciprocating pistons, displacer pistons, the connecting elements, the eccentric and the ball bearing.
Ausführliche FigurenbeschreibungDetailed character description
Die
Die
Durch eine zweite Zulaufleitung 5 und eine zweite Ablaufleitung 6 kann eine zweite Flüssigkeit 16 in das Innere des Gehäuses 2 hineinströmen bzw. wieder herausströmen. Die Lagerböcke 13, 14 dienen auch zur Aufnahme der ersten bzw. zweiten Zu- und Ablaufleitungen 3, 4, 5, 6 für die erste bzw. zweite Flüssigkeit 15, 16. Im Längsschnitt sind auch die beiden Kugellager 17, 18 dargestellt, über die das Gehäuse 2 drehbar gelagert ist, wobei die Drehachse der Rotoren 8, 9 parallel, aber nicht deckungsgleich zur Drehachse des Gehäuses 2 ist. Die Rotoren 8, 9 sind also exzentrisch zur Drehachse des Gehäuses 2 gelagert. Das Gehäuse 2 ist im Inneren in sechs Kammern 20, 21, 22, 23, 24, 25 unterteilt, die jeweils rotationssymmetrisch sind. In der einen innenliegenden Kammer 20, die auch als erste Hauptkammer 20 bezeichnet wird, befindet sich der exzentrisch zum Gehäuse 2 gelagerte erste Rotor 8 und in der anderen innenliegenden Kammer 21, die auch als zweite Hauptkammer 21 bezeichnet wird, befindet sich der exzentrisch zum Gehäuse 2 gelagerte zweite Rotor 9. Die Rotoren 8, 9 sind nicht mit dem Gehäuse 2 verbunden und können innerhalb der Kammern 20, 21 rotieren.A
In der ersten Hauptkammer 20 sind bewegliche Begrenzungselemente angeordnet, von denen zwei 41, 44 zu erkennen sind, und deren Funktion in der
In der
Über die erste Zulaufleitung 3, die Kammer 22 und erste Öffnungen 80 kann erste Flüssigkeit 15 kontinuierlich in die erste Hauptkammer 20 und damit in deren Volumina (siehe
Die zweite Flüssigkeit 16 kann über die zweite Zulaufleitung 5, die Kammer 24 und dritte Öffnungen 83 in die zweite Hauptkammer 21 zufließen und über vierte Öffnungen 84, die Kammer 25 und die zweite Ablaufleitung 6 wieder abfließen.The
Die Rotoren 8, 9 haben innenliegend ein konisches Profil, sodass Flüssigkeit, die in das Innere der Rotoren 8, 9 gelangt, über enge, jeweils außenliegende erste bzw. zweite Spalte 85, 86 abfließen kann.The
Die
Der erste Rotor 8 unterteilt die erste Hauptkammer 20 in sechs Volumina 31, 32, 33, 34, 35, 36, die jeweils von einem Teil des Gehäuses 2 sowie dem ersten Rotor 8 und relativ zum ersten Rotor 8 beweglichen Begrenzungselementen 41, 42, 43, 44, 45, 46 begrenzt sind, die zusammen sogenannte Volumenbegrenzungselemente bilden.The
Ein Volumen kann sowohl das Arbeitsmedium (ein Gas, ein Gasgemisch oder ein Gemisch aus Gas(en) mit Flüssigkeitsnebel) als auch eine Flüssigkeit enthalten und durch die Volumenbegrenzungselemente bis auf Spalte oder Öffnungen für den Zu- oder Abtransport des Arbeitsmediums oder der Flüssigkeit begrenzt sein. Diese Spalte oder Öffnungen können derart bemessen oder derart mit anderen Volumina verbunden sein, dass während eines Kompressions- oder Expansionsvorgangs nur ein sehr geringer Druckverlust dadurch verursacht wird, dass die Flüssigkeit durch diese Spalte oder Öffnungen aus dem Volumen herausströmt oder in das Volumen hineinströmt (<10% der Flüssigkeitsmenge im Volumen). Durch den direkten Kontakt des Arbeitsmediums mit der Flüssigkeit ist gewährleistet, dass das Arbeitsmedium sehr effektiv thermisch an die Flüssigkeit gekoppelt ist.A volume can contain both the working medium (a gas, a gas mixture or a mixture of gas(es) with liquid mist) and a liquid and can be limited by the volume limiting elements except for gaps or openings for the inflow or outflow of the working medium or liquid . These gaps or openings can be sized or connected to other volumes in such a way that during a compression or expansion process only a very small pressure loss is caused by the liquid flowing out of the volume or flowing into the volume through these gaps or openings (< 10% of the amount of liquid in volume). The direct contact of the working medium with the liquid ensures that the working medium is thermally coupled to the liquid very effectively.
Innerhalb jedes Volumens 31-36 befindet sich jeweils ein Teilvolumen 51, 52, 53, 54, 55, 56, das mit einem Arbeitsmedium (z.B. Luft) gefüllt ist, sowie ein Teil der ersten Flüssigkeit 15. Die erste Flüssigkeit 15 wird durch die Zentrifugalkräfte jeweils nach außen beschleunigt. Die Begrenzungselemente 41-46 werden von Schlitzen im ersten Rotor 8 geführt und sind darin radial frei beweglich. Sobald der erste Rotor 8 mit ausreichender Geschwindigkeit rotiert, werden die Begrenzungselemente 41-46 von der Fliehkraft radial nach außen gedrückt, bis sie die Außenwand des Gehäuses 2 erreichen. So verhindern sie, dass erste Flüssigkeit 15 von einem Volumen (z.B. 31) in ein benachbartes Volumen (z.B. 32) fließen kann.Within each volume 31-36 there is a
Alternativ ist auch die Nutzung von Federn o.ä. denkbar, um die Begrenzungselemente 41-46 von innen gegen das Gehäuse 2 zu drücken.Alternatively, it is also conceivable to use springs or the like to press the limiting elements 41-46 against the
Die
Der zweite Rotor 9 in der zweiten Hauptkammer 21 ist identisch zu dem ersten Rotor 8 aufgebaut. Im Vergleich zum ersten Rotor 8 ist der zweite Rotor 9 aber um einen gewissen Winkel gedreht auf der Achse 10 befestigt.The
Der zweite Rotor 9 unterteilt die zweite Hauptkammer 21 in sechs Volumina 61, 62, 63, 64, 65, 66, die jeweils von einem Teil des Gehäuses 2 sowie dem zweiten Rotor 9 und relativ zum zweiten Rotor 9 beweglichen Begrenzungselementen 47, 48, 49, 50, 60, 70 begrenzt sind, die zusammen sogenannte Volumenbegrenzungselemente bilden.The
Innerhalb jedes Volumens 61-66 befindet sich jeweils ein Teilvolumen 71, 72, 73, 74, 75, 76, das mit einem Arbeitsmedium (z.B. Luft) gefüllt ist, sowie ein Teil der zweiten Flüssigkeit 16. Die zweite Flüssigkeit 16 wird durch die Zentrifugalkräfte jeweils nach außen beschleunigt. Die Begrenzungselemente 47, 48, 49, 50, 60, 70 werden von Schlitzen im zweiten Rotor 9 geführt und sind darin radial frei beweglich. Sobald der zweite Rotor 9 mit ausreichender Geschwindigkeit rotiert, werden die Begrenzungselemente 47, 48, 49, 50, 60, 70 von der Fliehkraft radial nach außen gedrückt, bis die Außenwand des Gehäuses 2 erreichen. So verhindern sie, dass zweite Flüssigkeit 16 von einem Volumen (z.B. 61) in ein benachbartes Volumen (z.B. 62) fließen kann.Within each volume 61-66 there is a
Alternativ ist auch die Nutzung von Federn o.ä. denkbar, um die Begrenzungselemente 47, 48, 49, 50, 60, 70 von innen gegen das Gehäuse 2 zu drücken.Alternatively, the use of springs or the like is also conceivable in order to press the limiting
Jeweils ein Volumen (z.B. 31) aus der ersten Hauptkammer 20 ist mit jeweils einem Volumen (z.B. 63) aus der zweiten Hauptkammer 21 mittels eines der gasdurchlässigen Verbindungselemente 57 verbunden, sodass durch das Arbeitsmedium aus dem Teilvolumen (z.B. 51) der ersten Hauptkammer 20 in das Teilvolumen (z.B. 73) der zweiten Hauptkammer 21 kontinuierlich ein Druckausgleich stattfindet. Diese Verbindungselemente 57 können mit einem Regeneratormaterial gefüllt sein, z.B. Stahlwolle oder eine anderes Material (bevorzugt Metall), das gasdurchlässig ist und eine große Oberfläche aufweist, damit es sehr schnell Wärmemengen mit dem vorbeiströmenden Fluid austauschen kann.Each volume (e.g. 31) from the first
Anhand von
Im Folgenden werden nun die vier Schritte des Kreisprozesses anhand der beiden Volumina 31 und 63 der ersten Hauptkammer 20 bzw. der zweiten Hauptkammer 21 erläutert. In den anderen Volumina (32 mit 64, 33 mit 65, 34 mit 66, 35 mit 61, 36 mit 62) läuft der Kreisprozess analog ab, jedoch phasenverschoben im Vergleich zu den Volumina 31 und 63. Es handelt sich hier also um einen sechsfachen Alpha-Stirling-Prozess.The four steps of the cycle will now be explained below using the two
In der in den
Bei diesem Prozess wird also die erste Flüssigkeit 15 erwärmt und die zweite Flüssigkeit 16 abgekühlt. Für die Kompression muss über die Rotation der Rotoren 8, 9 dabei mechanische Energie aufgewendet werden, wodurch die Rotoren gebremst werden, und durch die Expansion werden die Rotoren 8, 9 angetrieben und so beschleunigt.In this process, the
Sofern die zweite Flüssigkeit 16 wärmer ist als die erste Flüssigkeit 15, werden die Rotoren durch die Expansion des Arbeitsmediums stärker beschleunigt als sie durch die Kompression des Arbeitsmediums gebremst werden. Sofern diese Energiedifferenz größer ist als die mechanische Reibung im System inkl. der Strömungsverluste der Flüssigkeiten kann damit der Motor 7 angetrieben werden und elektrische Energie erzeugen.If the
Falls die erste Flüssigkeit 15 wärmer ist als die zweite Flüssigkeit 16 muss der Motor 7 mechanische Energie aufbringen, um die Rotoren 8, 9 anzutreiben - dadurch kann aber die erste Flüssigkeit 15 weiter erwärmt werden und die zweite Flüssigkeit 16 weiter abgekühlt werden, sodass das Verfahren wie eine Wärmepumpe arbeitet. Über die erste Zulaufleitung 3, die Kammer 22 und die Öffnungen 80 (siehe
Die
Die
Die
Auf einem Gestell 101 ist ein Gehäuse 102 montiert, das über Kugellager 111, 112 frei drehbar und konzentrisch zur Achse 110 gelagert ist. Ein Motor 107, der fest mit dem Gestell 101 verbunden ist, kann das Gehäuse 102 und im Inneren des Gehäuses 102 liegende Rotoren 108, 109, als erster und zweiter Rotor 108, 109 bezeichnet, antreiben. Alternativ kann der Motor 107 auch als Generator betrieben werden, um mechanische Energie aus der Rotation der Rotoren 108, 109 in elektrische Energie umzuwandeln.A
Die Achse 110 ist fest und nicht drehbar mit dem Gestell 101 verbunden. Auf dieser Achse 110 sind fest zwei Exzenter 193, 194 montiert, die dafür sorgen, dass die Kugellager 197, 198 eine zur Achse 110 exzentrische Position haben. Über diese beiden Kugellager 197, 198 sind die beiden Rotoren 108, 109 drehbar gelagert, so dass sie eine Rotationsbewegung exzentrisch zur Achse 110 und damit auch exzentrisch zum Gehäuse 102 ausführen können.The
Über Zahnräder 200, 202, die fest mit den Rotoren 108, 109 verbunden sind und über Innenzahnräder 201, 203, die fest mit dem Gehäuse 102 verbunden sind, sind die Rotoren 108, 109 mechanisch derart mit dem Gehäuse 102 gekoppelt, dass die Rotationsgeschwindigkeiten der Rotoren 108, 109 in einem festen Verhältnis zur Rotationsgeschwindigkeit des Gehäuses 102 stehen.The
Die Drehachse 218 des Motors 107 ist fest mit dem Gehäuse 102 verbunden und kann dieses in Rotation versetzen oder Rotationsenergie von ihm aufnehmen, um sie in elektrische Energie umzuwandeln. Über die Zahnräder 200, 202 und die Innenzahnräder 201, 203 ist die Rotationsbewegung der Drehachse 218 des Motors 107 indirekt auch an die Rotationsbewegung der Rotoren 108, 109 gekoppelt.The axis of
Durch eine erste Zulaufleitung 103 und eine erste Ablaufleitung 104 kann eine erste Flüssigkeit 115 in das Innere des Gehäuses 102 hineinströmen bzw. wieder herausströmen. Durch eine zweite Zulaufleitung 105 und eine zweite Ablaufleitung 106 kann eine zweite Flüssigkeit 116 in das Innere des Gehäuses 102 hineinströmen bzw. wieder herausströmen.A
Das Gehäuse 102 ist im Inneren in sechs Kammern 120, 121, 122, 123, 124, 125 unterteilt, die jeweils rotationssymmetrisch sind. In der einen innenliegenden Kammer 120, die auch als erste Hauptkammer 120 bezeichnet wird, befindet sich der exzentrisch zum Gehäuse 102 gelagerte erste Rotor 108 und in der anderen innenliegenden Kammer 121, die auch als zweite Hauptkammer 121 bezeichnet wird, befindet sich der exzentrisch zum Gehäuse 102 gelagerte zweite Rotor 109. Die Rotoren 108, 109 sind nicht mit dem Gehäuse 102 verbunden und können innerhalb der Kammern 120, 121 rotieren.The
In der
Die Strömung der ersten Flüssigkeit 115 durch die Vorrichtung erfolgt in dieser zweiten Ausführungsform durch die Zulaufleitung 104 in die Kammer 122 und von dort über eine erste Leitung 206 in eine Kammer 208 der ersten Hauptkammer 120. Von dort gelangt sie mit einem gewissen Strömungswiderstand über einen Spalt 212 in die Volumina der ersten Hauptkammer 120 (siehe
In gleicher Weise fließt die zweite Flüssigkeit 116 durch die Vorrichtung über die zweite Zulaufleitung 105, die Kammer 124, eine zweite Leitung 207, eine Kammer 209 der zweiten Hauptkammer 121. Von dort gelangt die zweite Flüssigkeit 116 mit einem gewissen Strömungswiderstand über einen Spalt 213 in die Volumina der zweiten Hauptkammer 121. Über einen Spalt 215 kann die zweite Flüssigkeit 216 die Volumina der zweiten Hauptkammer 121 wieder verlassen und gelangt in die Kammer 211, dann durch Öffnungen 217 in die Kammer 125 und verlässt die Vorrichtung durch die zweite Ablaufleitung 106.In the same way, the
Die
Das äußere Begrenzungselement 191 ist derart geformt, dass die sternförmig vom ersten Rotor 108 nach außen abstehenden Elemente mit dem Begrenzungselement 191 dabei immer nur einen sehr feinen Spalt 205 bilden, durch den nur sehr geringe Mengen der ersten Flüssigkeit 115 pro Zeiteinheit fließen können und so während des Betriebs nur ein sehr geringer Flüssigkeitsaustausch bzw. Druckausgleich zwischen benachbarten Volumina (z.B. 131 und 132) stattfinden kann.The outer limiting
Die
Die
Eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Kompression, Expansion, Volumenänderung und/oder Verdrängung eines Fluids, das ein Gas enthält, ist in den
Die
Die mit Arbeitsmedium und der ersten Flüssigkeit 315 gefüllten acht Volumina (zwei davon, nämlich 331a, 331e, sind in der Darstellung zu erkennen) befinden sich hier in der ersten Hauptkammer 320a und der zweiten Hauptkammer 320b des Gehäuses 302. Die mit Arbeitsmedium und der zweiten Flüssigkeit 316 gefüllten acht Volumina (zwei davon, nämlich 371a, 371e, sind in der Darstellung zu erkennen) befinden sich hier in der dritten Hauptkammer 321a und der vierten Hauptkammer 321b des Gehäuses 302.The eight volumes filled with working medium and the first liquid 315 (two of which, namely 331a, 331e, can be seen in the illustration) are located here in the first main chamber 320a and the second
Die Exzenter 393, 394 sind fest mit der feststehenden Achse 310 verbunden, die fest mit dem Gestell 301 verbunden ist.The
Auf dem Exzenter 393 ist das Kugellager 397 befestigt, das die Lage von acht Kolben (zwei davon, nämlich 308a, 308e, sind in der Darstellung zu erkennen) in der ersten Hauptkammer 320a begrenzt, indem es diese durch Berührung daran hindert, sich weiter ins Innere der Vorrichtung zu bewegen. Auf dem Exzenter 394 ist das Kugellager 398 befestigt, das die Lage von sechs Kolben (zwei davon, nämlich 309a, 309e, sind in der Darstellung zu erkennen) in der dritten Hauptkammer 321a begrenzt, indem es diese durch Berührung daran hindert, sich weiter ins Innere der Vorrichtung zu bewegen.The
Da alle der sechzehn Kolben (308a, 308e, 309a, 309e) eine geringere Dichte haben als die erste bzw. zweite Flüssigkeit 315, 316, „schwimmen“ sie auf der entsprechenden Flüssigkeit 315, 316, so dass sie in der Regel auch immer die entsprechenden Kugellager 397, 398 berühren. Die Drehachse 318 des Motors 307 ist fest mit dem drehbar gelagerten Gehäuse 302 verbunden und kann dies in Rotation versetzen oder abbremsen.Since all of the sixteen pistons (308a, 308e, 309a, 309e) have a lower density than the first or
Die erste Hauptkammer 320a umfasst zudem acht Zylinder (zwei davon, nämlich 391a, 391e, sind in der Darstellung zu erkennen). Auch die dritte Hauptkammer 321a umfasst acht Zylinder (zwei davon, nämlich 392a, 392e, sind in der Darstellung zu erkennen).The first main chamber 320a also includes eight cylinders (two of which, namely 391a, 391e, can be seen in the illustration). The third
Die erste Flüssigkeit 315 kann durch eine erste Zuleitung 303 in die erste und zweite Hauptkammer 320a, 320b und durch eine erste Ablaufleitung 304 daraus ausgebracht werden.The
Die zweite Flüssigkeit 316 kann durch eine zweite Zuleitung 305 in die dritte und vierte Hauptkammer 321a, 321b und durch eine zweite Ablaufleitung 306 daraus ausgebracht werden.The
Die acht Volumina 331a, 331e der zweiten Hauptkammer 320b können jeweils mittels gasdurchlässigen Verbindungselementen 357 mit den sechs Volumen 371a, 371e der vierten Hauptkammer 321 b verbunden sein.The eight
Die
Der erste Exzenter 393, auf dem das Kugellager 397 befestigt ist, ist fest mit der Achse 310 verbunden. Das Kugellager 397 begrenzt die Lage der Kolben 308a, 308b, 308c, 308d, 308e, 308f, 308g, 308h, indem es diese durch Berührung daran hindern, sich weiter ins Innere der Maschine zu bewegen.The first eccentric 393, on which the
Rotiert das Gehäuse 302, dann rotieren auch die Zylinder 391a, 391b, 391c, 391 d, 391e, 391f, 391g, 391h, da sie fest mit dem Gehäuse 302 verbunden sind. In den Zylindern 391a-391h können sich die Kolben 308a-308h in radialer Richtung frei bewegen und ihre Lage ist dabei jeweils von dem auf dem Exzenter 393 befestigten Kugellager 397 definiert. Während einer vollständigen Rotation des Gehäuses 302 um 360° vollziehen die Kolben 308a-308h folglich neben ihrer Rotationsbewegung um die Rotationsachse 310 des Gehäuses 302 zusätzlich jeweils eine Periode einer oszillierenden Bewegung in radialer Richtung. Zusammen mit dem Gehäuse 302 und den Zylindern 391a-391h bilden die Kolben 308a-308h die Volumenbegrenzungselemente der Volumina 331a-331h, die jeweils Arbeitsmedium und erste Flüssigkeit 315 enthalten.If the
Wird in einem Volumen (z.B. 331a) der Kolben (z.B. 308a) durch die Rotation des Gehäuses 302 radial nach außen gedrückt, so verdrängt er auf diese Weise die Flüssigkeit (z.B. 315) im Volumen (z.B. 331a) in Richtung der weiter innen liegenden Hauptkammer (z.B. 320b), so dass diese das an sie angrenzende Arbeitsmedium aus dem Volumen (z.B. 331a) verdrängt in das mit ihm über das Verbindungselement 357 verbundene Volumen (z.B. 371a) und/oder das Arbeitsmedium komprimiert. Das Verbindungselement 357 kann ein Regeneratormaterial enthalten. Sofern die beiden Exzenter 393, 394 durch ihre Lage eine passende Phasenverschiebung jeweils zwischen den beiden Kolben (z.B. 308a und 309a) verursachen, die zwei Volumina begrenzen, die jeweils über ein Verbindungselement 357 miteinander verbunden sind, so lässt sich mit dieser Ausführungsform wieder ein Alpha-Stirling-Kreisprozess in der Anwendung als Wärmepumpe oder als Wärmekraftmaschine realisieren.If the piston (eg 308a) in a volume (eg 331a) is pushed radially outwards by the rotation of the
Die erste Flüssigkeit 315 durchläuft die Maschine durch die erste Zulaufleitung 303, durch die Kammer 322, durch die Öffnungen 380, durch die Volumina 331a-331h, angetrieben durch den Überdruck in den Volumina 331a-331h durch die Spalte zwischen den Kolben 308a-308h und den Zylindern 391a-391h, durch den Innenraum 399 der Hauptkammer 320a, durch die Öffnungen 381, durch die Kammer 323 und durch die erste Ablaufleitung 304. Die zweite Flüssigkeit 316 fließt analog durch die Vorrichtung.The first liquid 315 passes through the machine through the
Die
In der
Wie in der
Die
Die
Die in dem Querschnitt der
In dieser weiteren Ausführungsform ist die Drehachse eines Motors fest mit dem drehbar gelagerten Gehäuse 502 verbunden und kann dessen Rotationsbewegung beschleunigen oder abbremsen. Die Rotationsachse des Gehäuses 502 entspricht der Lage der feststehenden Achse 510. Die Verdichterkolben 510a, 510b haben eine geringere Dichte als die im Gehäuse 502 enthaltenen Flüssigkeiten 515a, 515b, 516a, 516b, die bei Rotation des Gehäuses 502 durch die Zentrifugalkraft radial nach außen gedrückt werden. Daher „schwimmen“ die Verdichterkolben 510a, 510b auf der Flüssigkeit 515a, 515b und werden von ihr radial nach innen verdrängt, bis diese Bewegung durch den auf dem Exzenter 593 gelagerten Kugellager 597 begrenzt wird. Die jeweils radial gegenüberliegenden Hohlkolben 508a, 508b, 509a, 509b sind über gasdurchlässige Verbindungselemente (siehe
Die Volumina 531, 532, 561, 562 werden begrenzt durch die folgenden Volumenbegrenzungselemente: das Gehäuse 502, das in radialer Richtung nach innen sechs Zylinder bildet, und die in den Zylindern beweglich angeordneten Hohlkolben 508a, 508b, 509a, 509b und Verdrängerkolben 510a, 510b. Innerhalb dieser Volumina 531, 532, 561, 562 befinden sich auch die mit dem Arbeitsmedium gefüllten Teilvolumina 551, 571, die von den Flüssigkeiten 515a, 515b, 516a, 516b, den Hohlkolben 508a, 508b, 509a, 509b, den Verdichterkolben 510a, 510b und den Verbindungselementen begrenzt werden.The
Die mit dem Arbeitsmedium gefüllten Teilvolumina 551, 571 sind mit zwei gasdurchlässigen Verbindungselementen miteinander verbunden, wobei die Verbindungselemente ein Regeneratormaterial enthalten können. Durch die durch die Rotation des Gehäuses verursachte Bewegung der Hohlkolben 508a, 509a werden die Teilvolumina 551, 571 abwechselnd verkleinert und vergrößert, wobei ein Teilvolumen (z.B. 551) besonders klein ist, wenn das ihm radial gegenüberliegende Teilvolumen (z.B. 571) besonders groß ist und umgekehrt. Je nach Rotationsrichtung des Gehäuses 502 bildet das Teilvolumen 551 den Expansionsraum eines Beta-Stirling-Prozesses und das Teilvolumen 571 den Kompressionsraum (oder umgekehrt). Dabei wird das Arbeitsmedium abwechseln zwischen den beiden Teilvolumina 551, 571 hin- und herbewegt, wobei es die Verbindungselemente durchströmt. Innerhalb der Teilvolumina 551, 571 ist das Arbeitsmedium jeweils thermisch an eine der Flüssigkeiten 515a, 516b gekoppelt und kann Wärmemengen von diesen aufnehmen oder an sie abgeben. Während des Strömens durch die Verbindungselemente kann es derart erwärmt oder abgekühlt werden, dass es beim Eintreten in die Teilvolumina 551, 571 bereits weitgehend deren Temperatur angenommen hat.The
Der Verdrängerkolben 510a führt ebenfalls eine periodische Bewegung in radialer Richtung aus. Dabei verdrängt er die Flüssigkeit 515a derart, dass das Teilvolumen 551 verkleinert oder vergrößert wird. Dadurch ändert sich der Druck in den Teilvolumina 551, 571, wodurch die Kompression und Expansion des Arbeitsgases und folglich dessen Temperaturänderung verursacht wird. Diese Temperaturänderung erfolgt allerdings nur in geringem Maße, da die Teilvolumina 551, 571 thermisch an die Flüssigkeiten 515a bzw. 516a gekoppelt sind und Wärmemengen an diese abgeben können oder von ihnen aufnehmen können und so kontinuierlich ihre Temperatur an die der Flüssigkeiten 515a bzw. 516a anpassen. Durch die Positionierung des Verdrängerkolbens 510a kann die Phasenverschiebung dessen radialer, sinusförmiger Bewegung im Vergleich zur radialen, sinusförmigen Bewegung der Hubkolben 508a und 508b definiert werden. Im dargestellten Fall beträgt die Phasenverschiebung zwischen dem Verdrängerkolben 510a und dem Hohlkolben 509a 60°. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt diese Phasenverschiebung 90°, wobei die Verdrängerkolben 510a, 510b nicht in der gleichen Ebene senkrecht zur Achse (510) liegen müssen wie die Hubkolben 508a, 508b, 509a, 509b. Die Teilvolumina 552, 572 bilden in analoger Weise einen Beta-Stirling-Prozess, wobei die Druckänderung in diesem Fall durch die radiale Bewegung des Verdrängerkolbens 510b verursacht wird.The
Die
Durch diese Anordnung können in der
Weitere Ausführungsformen, bei denen die Expansion und Kompression eines Arbeitsmediums durch eine durch Trägheitskräfte in Schwingung versetzte, rotierende Flüssigkeitsmenge verursacht werden, sind möglich. So kann eine Flüssigkeitsmenge z.B. durch Variation von Fliehkräften durch eine periodisch schwankende Rotationsgeschwindigkeit in Schwingung versetzt werden. Auch ist es möglich, der Rotationsgeschwindigkeit eine weitere periodische Bewegung zu überlagern, z.B. eine Rotation um eine andere Achse, wodurch eine rotierende Flüssigkeitsmenge in eine Schwingungsbewegung versetzt wird.Further embodiments are possible, in which the expansion and compression of a working medium are caused by a rotating quantity of liquid set into oscillation by inertial forces. For example, a quantity of liquid can be caused to oscillate by varying centrifugal forces through a periodically fluctuating rotational speed. It is also possible to superimpose a further periodic movement on the rotation speed, e.g. a rotation about another axis, whereby a rotating amount of liquid is set into an oscillatory movement.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gegeben, dass bei der in den
Neben den hier genannten bevorzugten Ausführungsformen eines Stirling-Prozesses, die in der Funktion als Wärmepumpe oder Wärmekraftmaschine betrieben werden können, besteht eine bevorzugte Ausführungsform auch darin, je eine dieser Ausführungsformen, die als Wärmekraftmaschine arbeitet, mit einer anderen Ausführungsform mechanisch zu koppeln, die als Wärmepumpe arbeitet. So lässt sich damit aus der Nutzung einer Temperaturdifferenz zweier verschiedener Wärmereservoirs (z.B. Umgebungswärme oder Abwärme eines industriellen Prozesses und eine geeignete Wärmesenke) Nutzwärme und/oder Nutzkälte erzeugen. Dies ist mit der hier vorliegenden Erfindung erstrebenswert, da sie durch die effektive Kopplung des Arbeitsmediums an die Flüssigkeit als Wärmeträger auch die Nutzung geringer Temperaturdifferenzen in einer solchen Anwendung erlaubt und so auch Abwärme oder Umgebungswärme nutzbar macht, die nur geringe Temperaturunterschiede zu einer vorliegenden Wärmesenke hat.In addition to the preferred embodiments of a Stirling process mentioned here, which can be operated in the function of a heat pump or heat engine, a preferred embodiment also consists of mechanically coupling one of these embodiments, which works as a heat engine, with another embodiment, which acts as a Heat pump is working. This means that useful heat and/or cold can be generated by using a temperature difference between two different heat reservoirs (e.g. ambient heat or waste heat from an industrial process and a suitable heat sink). This is desirable with the present invention, since it also allows the use of small temperature differences in such an application through the effective coupling of the working medium to the liquid as a heat transfer medium and thus also makes use of waste heat or ambient heat that has only small temperature differences to an existing heat sink .
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2657497 B1 [0005, 0030]EP 2657497 B1 [0005, 0030]
- DE 102018212088 B3 [0006, 0023]DE 102018212088 B3 [0006, 0023]
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US18/196,275 US20230371377A1 (en) | 2022-05-13 | 2023-05-11 | Devices and methods for handling a fluid working medium |
US18/506,649 US20240151215A1 (en) | 2022-05-13 | 2023-11-10 | Devices and methods for converting thermal, mechanical and/or electrical energy quantities |
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