Anwendungsgebiete
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Der Energieerzeuger ist als Antriebsaggregat in mobilen Einrichtungen (Fahrzeuge,
Schiffe, Flugzeuge) sowie in stationären Anlagen (Kleinkraftwerke) für die
Kraftstromerzeugung und für die Wärmeversorgung anstelle von Heizkesselanlagen
einsetzbar. Demzufolge gibt es eine Antriebs- und eine Heizungsvariante.
Bekannter Stand der Technik
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Es gibt bisher nur Maschinen und Anlagen die zur Energieerzeugung fossile
Brennstoffe verbrauchen, die Uranspaltung anwenden oder die von der Natur gegebenen
Potentiale wie Wind- und Gezeitenkraft, Erdwärme, Sonnenstrahlung u. a. nutzen,
nicht aber bei der Erzeugung mechanischer Arbeit die einmalig zugeführte Energie
vervielfachen können.
Problem
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Der bisherige Stand der Technik basiert auf der Vorstellung, daß es eine Maschine
oder Apparatur die nach einer einmaligen Energiezufuhr selbständig und periodisch
mechanische Arbeit verrichtet nicht geben kann, da gemäß den beiden Hauptsätzen
der Wärmelehre immer nur ein Teil der zugeführten Energie in nutzbare Arbeit
umgesetzt werden kann weil bei dieser Umsetzung stets irreversible Vorgänge wie Reibungs-
und Wärmeverluste auftreten die einen nicht mehr weiter nutzbaren Energieverlust
darstellen.
Lösung des Problems
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Zur Lösung des Problems wurde ein thermodynanischer Kreisprozeß konzipiert, der
so gestaltet ist, daß die bei der Energieumsetung auftretenden Reibungsverluste in
eine Nutzung einbezogen werden wodurch die Schlußfolgerungen aus dem 1. und 2.
Hauptsatz der Wärmelehre (womit das Problem eigentlich erst entstanden ist) als
"ad absurdum" (widersinnig) bewiesen sind. In diesem reflexiblen Kreisprozeß
dessen TS-Diagramm in Figur (1) dargestellt ist erfolgt die einmalige Wärmezufuhr
mit einem genügend großen Temperaturunterschied gegenüber der
Anfangstemperatur des Prozesses (der Verdichtungsendtemperatur des Arbeitsmediums). Dabei
wird während der Arbeitsleistung des Betriebsmediums dafür gesorgt, daß die hohe
Zuführungstemperatur als Arbeitstemperatur erhalten bleibt was dadurch möglich ist,
daß nur Einschubarbeiten geleistet werden und die Druckabsenkungen als reine
Drosselungen erfolgen. Ferner führen die bei der Arbeitsleistung auftretenden
irreversiblen Vorgänge der Reibungsverluste zur weiteren Temperaturerhöhung des
Arbeitsmediums da das Gehäuse der Arbeitsmaschine nicht gekühlt sondern
wärmegedämmt ist. Das hat zur Folge, daß die Austrittstemperatur des Arbeitsmediums
höher ist als dessen Eintrittstemperatur. Hierdurch ist es als weitere Folge möglich
mittels eines dafür konstruierten Temperatuwechslers im Gegenstrom die anfangs
erwähnte hohe Zuführungstemperatur der Arbeitsmaschine aus deren Abluftstrom
zur Verfügung zu stellen; so daß es nach Anwärmung der Materialmassen nicht
mehr erforderlich ist Wärme von außen zu zuführen um die konzipierte Arbeitsleistung
periodisch aufrecht zu erhalten.
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Temperaturwechsler und Arbeitsmaschine (Rollkolben-Rotationsmaschine) sind in
gesonderten Patentanmeldungen beschrieben.
Ausführungsbeispiel Antriebsvariante
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Figur (2) zeigt das Funktionsschema der Antriebsvariante mit dem Arbeitsmedium
Außenluft. Die im Beispiel angegebenen Drücke und Temperaturen gelten nur für die
hier durchgerechnete Variante.
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Im einstufigen Rollkolbenverdichter [1] der wassergekühlt wird erfolgt die
Verdichtung der Außenluft auf den Enddruck 7,2 bar mit n = 1,365. Die Luft hat dann eine
Endtemperatur von rund +215°C. Bei einer konzipierten Durchsatzmenge von ≙ = 1 kg/s
und einem Gesamtwirkungsgrad von η = 0,8 ergibt sich eine erforderliche
Antriebsleistung von 268,5 kW. Im Sommer wenn die Außentemperatur +30°C beträgt sinkt
die Durchsatzmenge bei gleicher Antriebaleistung auf ≙ = 0,95 kg/s.
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Die verdichtete Luft gelangt danach in den Temperaturwechsler [3] wo sie im
Gegenstrom bis auf + 560°C erhitzt wird und über den Druck- und Temperaturbehälter [4]
der auch als Anfahrbehälter dient in den 6-stufigen Rollkolbenmotor mit p3 = 7,035 bar
einströmt. Hier wird dieser Druck in den einzelnen Stufen unterschiedlich bis auf
insgesamt 1,14 bar herabgesetzt wobei nur die Einschubarbeiten in jeder Stufe geleistet
werden und die Drosselungen jeweils in den Verbindungskrümmern zur nächsten Stufe
erfolgen. Die Luft verläßt den Rollkolbenmotor mit +600°C und gelangt anschließend
in den Temperaturwechsler wo sie ihre Wärme bis auf +255°C an die frisch verdichtete
Druckluft abgibt. Die verbleibende Restwärme wird mit der Fortluft nach außen
abgegeben. Die erzielbare theoretische Leistung beträgt 457 kW von denen bei einem
Gesamtwirkungsgrad von ηges = 0,729 bei der maximalen Drehzahl von n = 3600 min-1 als effektive
Leistung 333 kW übrig bleiben. Der Gesamtwirkungsgrad setzt sich zusammen:
- 1. aus ηL den Luftreibungsverlusten. Sie entstehen durch die Reibung der Luft am
Rotorgehäuse, an den Rollkolben, sowie durch die plötzlichen Strömungsumlenkungen
und Geschwindigkeitsumsetzungen beim Eintritt in die einzelnen Stufen.
- 2. aus ηSP den Spaltverlusten infolge der beidseitigen zwischen Rotor, Rollkolben und
Gehäuse vorhandenen Spalte von je 0,2 mm. Durch diese strömt ein geringer Teil der
Druckluft unter Expansion in Richtung Druckgefälle dem Rotor und den rotierenden
Rollkolben voraus.
- 3. aus ηA dem Ausströmverlust. Das Ausströmen der Druckluft aus den einzelnen Stufen
in die nachgeordneten Drosselkammern mit den Drosselblechen erzeugt einmal
kurzzeitige Expansions-Gegendrücke (Staudrücke) solange bis die
Expansionsgeschwindigkeit auf die normale Ausschubgeschwindigkeit gesunken ist und danach in den
Anschlußkrümmern bis zur nächsten Stufe die normalen Ausschubwiderstände.
- 4. aus ηRR den Rollreibungsverlusten der unter dem Druck der Fliehkräfte an der Innenwand
des Gehäuses abrollenden Rollkolben.
- 5. schließlich aus ηLR der Lagerreibung.
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Es verbleiben somit P = (333 - 268,5) kW = 64,5 kW bisher als gewonnene
Antriebsleistung. Je höher die Drehzahl wird desto schlechter ergibt sich der Gesamtwirkungsgrad
von dem für die Temperaturerhöhung des Arbeitsmediums Luft η' = 0,904 bis 0,881,
(1 - η') = 0,096 - 0,119 der indizierten Leistung in Anrechnung gebracht werden können.
Dadurch ergibt sich, daß die Austrittstemperatur der entspannten Luft aus dem
Rollkolbenmotor höher ist als die Eintrittstemperatur. In diesem Beispiel sind es Δt = 40 K, sodaß die
Luft mit rund +600°C in den Temperaturwechsler eintritt und diesen nach erfolgter
Wärmeabgabe mit +255°C verläßt wonach sie über den Auspuff ins Freie gelangt.
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Der Anfahrbehälter [4] hat die Aufgabe beim Hochfahren des Aggregates auf maximale
Drehzahl kurzzeitig die erforderliche Eintrittstemperatur und den Eintrittsdruck für den
Betrieb des Rollkolbenmotors [2] zur Verfügung zu stellen. Er ist mit einer elektrischen
Heizpatrone ausgestattet die von einer der beiden Batterien [10] gespeist wird.
Außerdem ist ihm eine elektrisch betriebene Luftpumpe [12] zugeordnet die über einen
Druckschalter stets den erforderlichen Druck bereithält und von der zweiten Batterie versorgt
wird. Die Drehzahl wechselt im Betrieb je nach der auftretenden Belastung zwischen der
Leerlaufdrehzahl von n = 360 min-1 bis zur maximalen Drehzahl n = 3600 min-1 infolge der
in unterschiedlichen Mengen zum Rollkolbenmotor strömenden Betriebsluft. Dies wird
bewekstelligt durch ein Belastungspedal mit Rückholfeder das dieselbe Aufgabe hat wie
das Gaspedal beim Benzinmotor. Wird keine Belastung auf das Pedal ausgeübt so
gestattet die Rückholfeder nur den der Leerlaufdrehzahl entsprechenden Durchlaß durch das
dem Rollkobenmotor vorgeschaltete Magnetventil welches stromlos schließt wenn das
Aggregat abgeschaltet wird damit sich der Druckbehälter [4] der immer unter Druck und
Temperatur entsprechend den Anfahrparametern gehalten wird nicht entleert. Sollten sich
dabei während längerer Stillstandszeiten die Batterien unter einen bestimmten Wert
entladen so sind diese über ihren Spannungsabfall in der Lage das Aggregat selbständig
anzuschalten und mit der Leerlaufdrehzahl so lange zu betreiben bis sie wieder voll auf
geladen sind
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Die Frischluft wird über einen Luftfilter [11] angesaugt. Wenn im Winter die
Außentemperatur unter +15°C und weiter sinkt würde immer mehr Luftmasse angesaugt werden mit
der Folge, daß die Drehzahl über den maximal vorgesehenen Wert steigt. Um das zu
verhindern wird im Ansaugtuftmischer [5] soviel heiße Abluft zugemischt, daß die
Ansaugtemperatur nicht unter + 15°C sinken kann. Das geschieht automatisch durch eine
Temperaturregelanlage mit Regelventil. Die Kühlanlage für den Verdichter nebst Axialventilator
und Kühlmittelpumpe sowie Anlasser und Lichtmaschine und die verbindenden
Rohrleitungen bzw. Luftkanäle vervollständigen die Anlage.
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Besonders platzsparend für den Einsatz in einem PKW wirkt sich die Erhöhung der
Betriebstemperatur, d. h. der Eintristtstemperatur in die erste Stufe der Rollkolben-Rotationsmaschine
aus. Erhöht man diese Temperatur von 833 K = +560°C auf 1,25 × 833 K = 1041 K = +768°C
werden alle spezifischen Volumen um den Faktor 1,25 größer, dafür jedoch verringert sich die
erforderliche Durchsatzmenge erheblich. Natürlich ist hierfür der Einsatz tempraturfesten
Materials für das Gehäuse des Rollkolbenmotors sowie von Hartporzellan-Rollkolben
erforderlich. Um die effektive Leistung von ca. 60 kW zu erhalten genügt eine Durchsatzmenge
von ≙ = 0,4 kg/s woraus sich überschläglich eine Leistung von 1,25 × 0,4 × 333 kW = 166,5 kW
ergibt. Die erforderliche Verdichtungsleistung sinkt auf 0,4 × 268,5 kW = 107,4 kW
woraus eine effektive Leistung von (166,5 - 107,4) kW = 59,1 kW folgt. Die Abmessungen
des Rollkolbenmotors einschl. der verbindenden Rohrleitungen werden um den Faktor
1,25 × 0,4 = 0,5 geringer, d. h. auf die Hälfte reduziert. Da es sich um eine Rotationsmaschine
handelt die keine Ein- und Austrittsventile benötigt ist eine weitere Verringerung der
Abmessungen durch Erhöhung der Drehzahl möglich.
Ausführungsbeispiel Heizungsvariante
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Figur (3) zeigt das Funktionsschema der Heizungsvariante der Unterschued zur
Antriebsvariante besteht darin, daß der Energieerzeuger jetzt nicht mit Außenluft betrieben
wird sondern mit Umluft; d. h. auch es wird keine Fortluft nach außen abgegeben.
Deshalb sind die Betriebsdrücke um ein Mehrfaches höher als bei der Antriebsvariante,
wodurch sich die Volumen wesentlich verringern und alle Abmessungen entsprechend
kleiner werden.
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In seien wesentlichen Bestandteilen Verdichter (1), Rollkolbenmotor (2),
Temperaturwechsler (3), Anfahrbehälter (4), sowie Anlasser (8), Lichtmaschine (9) und
Batterien (10) bleibt das Funktionsschema der Antriebsvariante erhalten. Lediglich die Teile
Ansaugluftmischung (5), Kühlergrill (6), Kühlmittelpumpe (7) und Luftfilter (11)
entfallen wofür andere Aggregate zum Einsatz kommen. Damit läuft die Heizungsvariante
unabhängig von der jeweiligen Außentemperatur. Es wird jetzt ein
Heizungs-Wärmetauscher (6) benötigt der den Heizungskessel bei Heizungsanlagen ersetzt. Er besteht
aus herkömmöichen Spiralrippenrohr-Elementen die einerseits von der Abluft
durchströmt und andrerseits in den Rohren vom Heizungswasser durchflossen werden. Das
Einströmventil mit Belastungspedal vor dem Rollkolbenmotor wird durch ein Regelventil
(7) mit Pausenschalter ersetzt, das seine Regelimpulse von einem Kleinregler (5) erhält
der von einem Temperaturfühler in der Abluft hinter dem Wärmetauscher (6) gesteuert
wird. Diese Abluft ist nun gleichzeitig Zuluft in den Verdichter (1) der gleichzeitig die
Funktion eines Ventilators übernimmt und die Luft durch den Wärmetauscher (6) saugt.
Die Ablufttemperatur hinter dem Wärmetauscher (6) gibt zwischen einem Maximal- und
Minimalwert die Regelimpulse für die Fahrweise des Energieerzeugers zwischen Voll- und
Teillast vor. Der Heizungsingenieur gibt lediglich die beim Maximalbedarf gewünschten
Vor- und Rücklauftemperaturen für seine Heizung an. Dabei ist er nicht mehr auf eine
Niedertemperaturheizungsanlage angewiesen, denn die Heizenergie steht ja jetzt quasi
kostenlos zur Verfügung. Er kann auf die früher allgemein üblichen Parameter Vorlauf +90°C,
Rücklauf +70°C zurückgreifen und seine Heizflächen dementsprechend billiger auslegen.
Geht der Heizungsbedarf im Sommer gegen Null so bleibt nur noch der Bedarf für die
Warmwasserbereitung mit +60°C Vorlauftemperatur. Das Regelventil (7) gibt über den
eingebauten Endkontakt dann nur noch 1/10-tel der maximalen Durchflußmenge
entsprechend der Leerlaufdrehzahl frei.
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Gegenüber der Antriebsvariante sind die Drücke etwa um den Faktor 3 erhöht. Die
Ansaugparameter für den Verdichter sind dann: p1 = 3,5 bar, t1 = +105°C = 378 K. Die
Verdichtung erfogt auf p2 = 21,5 bar. Im Temperaturwechsler wird diese Temperatur wieder bis auf
+560°C = 833 K erhöht was gleichzeitig die Eintrittstemperatur in den Rollkolbenmotor bei
p3 = 21,1 bar ist. Als Austrittstemperatur ergeben sich p4 = 4,0 bar, t4 = +600°C. Im TW
erfolgt nun die Wärmeabgabe an die frisch verdichtete Luft bis auf + 394°C = 667 K.
Da das Produkt p × νbzw. Δp × νM gegenüber der Antriebsvariante gleich bleibt ergibt
sich überschläglich wieder bei ≙ = 1 kg/s Luft-Durchsatzmengeeine erzielbare Leistung
von P = 333,0 kW. Die erforderliche Verdichtungsarbeit beträgt jetzt aber ca. 312 kW, so
daß als Antriebsleistung nur noch Peff = (333 - 312) kW = 21 kW verbleiben; die aber
bei weitem nicht für den Betrieb des EE benötigt werden, so daß noch Kraftstrom in das
öffentliche Netz abgegeben werden kann.
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Die erzielbare Heizleistung ergibt sich rechnerisch bei ≙ = 1 kg/s Luftdurchsatz
entsprechend der Temperaturdifferenz Δt = (394 - 105) K = 289 K zu Qeff = 299,1 kJ/s = 299 kW.
Bezugszeichenliste
Fig. 1 T-S-Diagramm Energie-Erzeuger
1-2; I-II Verdichtung
2-3; II-III Wärmezufuhr im Temperaturwechsler
3-4; III-IV Drosselung im Rollkolbenmotor
4-5; IV-V Wärmeabgabe im Temperaturwechsler
5-6; V-VI Wärmeabgabe im Heizungs-Wärmeübertrager
Ausblas ins Freie
Fig. 2 Funktionsschema Antriebsvariante
1 Rollkolbenverdichter
2 Rollkolbenmotor
3 Temperaturwechsler
4 Druck- und Temperaturbehälter
5 Ansaugluftmischung
6 Kühlergrill
7 Kühlmittelpumpe
8 Anlasser
9 Lichtmaschine
10 Batterien
11 Luftfilter
12 Luftpumpe
Fig. 3 Funktionsschema Heizungsvariante
1 Rollkolbenverdichter
2 Rollkolbenmotor
3 Temperaturwechsler
4 Anfahrbehälter
5 Kleinregler
6 Heizungs-Wärmeübertrager
7 Regelventil
8 Anlasser
9 Generator
10 Batterien