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Querverweis auf zusammenhängende Anmeldungen
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Diese Anmeldung ist am 29. Dezember 2015 als eine Internationale PCT-Patentanmeldung eingereicht worden und beansprucht die Priorität der
indischen Patentanmeldung Nr. 4024/DEL/2014 , eingereicht am 30. Dezember 2014, wobei diese Anmeldung hier in ihrer Gesamtheit als Referenz dient.
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme zur Rückgewinnung von Abwärme. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Rückgewinnung der Abwärmeenergie mit einem Expander vom Roots-Typ.
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Hintergrund
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In vielen Verfahren, bei welchen Energie erzeugt oder in nützliche Arbeit umgewandelt wird, wie z. B. bei einem Antriebsaggregat, wird notwendigerweise Abwärmeenergie erzeugt. Typischerweise wird eine derartige Abwärmeenergie an die Umgebung abgegeben. In einer Anwendung wird Abwärmeenergie von einem Verbrennungsmotor erzeugt. Die Abgase aus dem Motor weisen eine hohe Temperatur und einen hohen Druck auf und werden typischerweise ohne jedes Energierückgewinnungsverfahren an die Umgebung abgegeben. Wahlweise sind einige Ansätze vorgestellt worden, um die ausschüssige Energie wiederzugewinnen und die zurückgewonnene Energie in dem gleichen oder in getrennten Verfahren wiederzuverwenden. Jedoch besteht weiterhin ein Bedarf nach einer Effizienzerhöhung der Energierückgewinnung.
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Zusammenfassung
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Es wird ein optimierter mechanischer Expander bzw. eine optimierte Fluidausdehnungsvorrichtung mit einer verzögerten Öffnungszeitsteuerung offenbart. In einem Aspekt umfasst der Expander ein Gehäuse mit einer inneren Struktur, die ein Innenraumvolumen, einen Einlass und einen Auslass festlegt. Ebenfalls beinhaltet der Expander ein Paar paralleler wendelförmiger Rotoren, die innerhalb des Gehäuses in einer gegenläufig drehenden berührungslosen Ausgestaltung angeordnet sind. Jeder der Rotoren kann eine Mehrzahl von Flügeln aufweisen, wobei jeder Flügel einen Scheitel festlegt, der sich zwischen einem vorderen Ende und einem hinteren Ende erstreckt. Die Rotoren sind innerhalb des Gehäuses drehbar, um ein Transportvolumen zwischen einem vorlaufenden Flügelscheitel, einem nachlaufenden Flügelscheitel und der inneren Gehäusestruktur auszubilden. In dem optimierten Entwurf rotieren die Rotoren abwechselnd sequentiell durch eine Einlassstellung, bei der das Transportvolumen zu dem Gehäuseeinlass hin offen ist, durch eine geschlossene Stellung, bei der das Transportvolumen zu dem Gehäuseauslass hin verschlossen ist, sowie durch eine Auslassstellung, bei der das Transportvolumen zu dem Gehäuseauslass hin offen ist. In einem Aspekt rotieren die Rotoren von der geschlossenen Stellung zu der Auslassstellung. Während dieser Drehphase bildet sich eine erste Öffnung zwischen der inneren Gehäusestruktur und dem vorlaufenden Flügelscheitel benachbart zu dem vorderen Ende aus. Nachfolgend bildet sich eine zweite Öffnung zwischen der inneren Gehäusestruktur und dem vorlaufenden Flügelscheitel zwischen der ersten Öffnung und dem hinteren Ende des vorlaufenden Flügelscheitels aus, wobei die zweite Öffnung ausgebildet wird, nachdem die erste Öffnung mindestens teilweise ausgebildet worden ist. Nach einer weiteren Rotation bildet sich eine dritte Öffnung zwischen der Gehäuseseitenwand und dem vorlaufenden Flügelscheitel zwischen der zweiten Öffnung und dem hinteren Ende des vorlaufenden Flügelscheitels aus, wobei die dritte Öffnung ausgebildet wird, nachdem die zweite Öffnung mindestens teilweise ausgebildet worden ist.
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In einem Aspekt verfügt der mechanische Expander über ein Öffnungsprofil einschließlich einer anfänglichen Öffnungsphase, gefolgt von einer sekundären Öffnungsphase, wobei während der anfänglichen Öffnungsphase nur die erste Öffnung ausgebildet und vergrößert wird, und wobei während der sekundären Öffnungsphase sowohl die erste wie die zweite Öffnung vergrößert werden. In einem Beispiel ist die erste Vergrößerungsrate einer gesamten Öffnungsfläche während der anfänglichen Öffnungsphase kleiner als eine zweite Vergrößerungsrate der gesamten Öffnungsfläche während der sekundären Öffnungsphase, was in einer verzögerten Zeitsteuerung der Rotoren resultiert.
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Eine Vielzahl weiterer Aspekte wird in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Diese Aspekte können sich auf einzelne Merkmale sowie auf Kombinationen von Merkmalen beziehen. Es versteht sich, dass sowohl die obige allgemeine Beschreibung wie die nachfolgende ausführliche Beschreibung ausschließlich exemplarisch zu verstehen sind und die breiten Konzepte, auf denen die hier offenbarten Ausführungsformen beruhen, nicht begrenzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einer volumetrischen Fluidausdehnungsvorrichtung, die Merkmale aufweist, welche beispielhafte Aspekte gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen.
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2 ist eine schematische Seitenansicht der in 1 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung.
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3 ist eine schematische Endansicht eines Stufeneinlasses der in 1 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung.
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4 ist ein Schema, das geometrische Parameter der Rotoren der in 1 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung darstellt.
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5 ist eine perspektivische Draufsicht auf ein physikalisches Beispiel der in den 1–4 dargestellten volumetrischen Fluidausdehnungsvorrichtung.
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6 ist eine perspektivische Unteransicht der in 5 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung.
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7 ist eine Draufsicht der in 5 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung.
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8 ist eine Unteransicht der in 5 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung.
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9 ist eine Vorderansicht der in 5 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung.
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10 ist eine Querschnittsansicht der in 5 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung entlang der in 9 dargestellten Linie A-A.
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11 ist eine Querschnittsansicht der in 5 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung entlang der in 9 dargestellten Linie B-B.
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12 ist eine Querschnittsansicht der in 5 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung entlang der in 9 dargestellten Linie C-C.
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13 ist eine perspektivische Unteransicht eines Modells der in 5 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung, wobei sich die Rotoren in der Fluidausdehnungsvorrichtung in einer ersten Drehstellung befinden.
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13A ist eine perspektivische Unteransicht der in 13 dargestellten Modellansicht, jedoch mit entfernten Rotoren, sodass nur die Innenflächen der Fluidausdehnungsvorrichtung dargestellt sind.
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14 ist eine Unteransicht des Modells der in 13 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung.
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14A ist eine Unteransicht der in 14 dargestellten Modellansicht, jedoch mit entfernten Rotoren, sodass nur die Innenflächen der Fluidausdehnungsvorrichtung dargestellt sind.
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15 ist eine perspektivische Unteransicht des Modells der in 13 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung.
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16 ist eine vergrößerte perspektivische Unteransicht des Modells der in 13 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung, wie in 15 angegeben.
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17 ist eine Unteransicht des Modells der in 13 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung, wobei sich die Rotoren in der Fluidausdehnungsvorrichtung in einer zweiten Drehstellung befinden.
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18 ist eine vergrößerte Unteransicht des Modells der in 17 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung, wie in 17 angegeben.
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19 ist eine perspektivische Unteransicht des Modells der in 13 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung, wobei sich die Rotoren in der Fluidausdehnungsvorrichtung in einer dritten Drehstellung befinden.
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20 ist eine Unteransicht des Modells der in 19 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung, wobei sich die Rotoren in der dritten Drehstellung befinden.
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21 ist eine perspektivische Unteransicht des Modells der in 13 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung, wobei sich die Rotoren in der Fluidausdehnungsvorrichtung in einer vierten Drehstellung befinden.
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22 ist eine Unteransicht des Modells der in 21 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung, wobei sich die Rotoren in der vierten Drehstellung befinden.
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23 ist eine perspektivische Unteransicht des Modells der in 13 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung, wobei sich die Rotoren in der Fluidausdehnungsvorrichtung in einer fünften Drehstellung befinden.
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24 ist eine Unteransicht des Modells der in 23 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung, wobei sich die Rotoren in der fünften Drehstellung befinden.
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25 ist ein Graph, der ein Öffnungsprofil der in 5 dargestellten Fluidausdehnungsvorrichtung zeigt.
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Ausführliche Beschreibung
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Die modernen Anforderungen an brennstoffeffiziente Fahrzeuge und Antriebsaggregate haben zu der Entwicklung von hybriden Energieerzeugungs- und Antriebssystemen geführt. Im Allgemeinen kombinieren solche Systeme ein Antriebsaggregat wie z. B. einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle mit einem Elektromotor, um das Fahrzeug anzutreiben. Sowohl der Verbrennungsmotor wie die Brennstoffzelle stoßen Abgase mit hoher Temperatur als ein Nebenprodukt des dort jeweils verwendeten Energieerzeugungszyklus aus. Das Abgas mit hoher Temperatur stellt eine von dem Energieerzeugungszyklus verloren gegangene Energie dar, die im Falle einer Rückgewinnung für eine Verbesserung der Zykluseffizienz und somit des diesen Zyklus verwendenden Antriebssystems verwendet werden könnte. Ebenfalls sind Verbesserungen in anderen Anwendungen, zum Beispiel in der Marine- und Agrarindustrie erwünscht. Ein weiteres Beispiel stellen stationäre Generatoreinheiten dar.
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Fluidausdehnungsvorrichtungen beinhaltende Systeme
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Auf 1 Bezug nehmend ist ein Fahrzeug 10 mit Rädern 12 zur Bewegung auf einer geeigneten Straßenoberfläche dargestellt. Das Fahrzeug 10 umfasst ein Energieerzeugungssystem 14. Das System 14 beinhaltet ein Antriebsaggregat 16, das einen Energieerzeugungszyklus verwendet. Das Antriebsaggregat 16 verwendet eine spezifizierte Menge an Sauerstoff, der ein Teil eines Ansaugluftstroms sein kann, um Energie zu erzeugen. Das Antriebsaggregat 16 erzeugt ebenfalls Abwärme, z. B. in der Form eines Abgases mit hoher Temperatur in einer Abgasleitung 17, als Nebenprodukt des Energieerzeugungszyklus. In einer Ausführungsform ist das Antriebsaggregat 16 ein Verbrennungsmotor, z. B. vom Funkenzündungs- oder Kompressionszündungstyp, der ein Gemisch aus Brennstoff und Luft verbrennt, um Energie zu erzeugen. In einer Ausführungsform kann das Antriebsaggregat 16 eine Brennstoffzelle sein, die chemische Energie aus einem Brennstoff mittels einer chemischen Reaktion mit Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel in Elektrizität umwandelt.
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Ferner kann das Fahrzeug 10 eine Energierückgewinnungsvorrichtung, z. B. eine volumetrische Fluidausdehnungsvorrichtung 20 beinhalten, die für eine verbesserte Effizienz des Antriebsaggregats 16 die Abwärme von dem Aggregat wiedergewinnt.
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In einer Ausführungsform und wie in
1 dargestellt wird ein ORC-Kreislauf (Organic Rankine Cycle) für den Antrieb der Fluidausdehnungsvorrichtung
20 verwendet. In einer derartigen Ausführungsform wird ein Leitungssystem
1000 einschließlich eines Wärmetauschers
18 bereitgestellt, das Wärme von der Abgasleitung
17 zu einem Arbeitsfluid
12 überträgt, welches anschließend zu der volumetrischen Fluidausdehnungsvorrichtung
20 geliefert wird. Das Arbeitsfluid
12 kann ein Lösungsmittel wie z. B. Ethanol, n-Pentan oder Toluol sein. Ferner ist ein Kondensator
19 bereitgestellt, der eine Niederdruckzone für das Arbeitsfluid
12 erzeugt und somit eine Stelle, an der das Arbeitsfluid
12 kondensieren kann. Wenn es kondensiert ist, kann das Arbeitsfluid
12 über eine Pumpe
17 dem Wärmetauscher
18 zugeführt werden. Eine ausführlichere Beschreibung eines ORC-Systems, das für den Antrieb einer Energierückgewinnungsvorrichtung
20 verwendet wird, ist in der Internationalen PCT-Patentanmeldung mit der Nummer
WO 2013/30774 und dem Titel Volumetric energy recovery device and systems (Volumetrische Energierückgewinnungsvorrichtung und Systeme) beschrieben. Die Anmeldung
WO 2013/30774 dient hier in ihrer Gesamtheit als Referenz. Die volumetrische Fluidausdehnungsvorrichtung
20 kann auch in einem direkten Abgaswärme-Rückgewinnungsverfahren verwendet werden, wobei das Abgas das Arbeitsfluid
12 ist, wie in der
Internationalen PCT-Anmeldung mit der Nr. 2014/107407 offenbart, die hier in ihrer Gesamtheit als Referenz dient. Weitere Expandersysteme sind in der Internationalen PCT-Anmeldung mit der Nr.
WO 2014/117159 offenbart, die hier ebenfalls in ihrer Gesamtheit als Referenz dient.
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In einem Aspekt kann die Fluidausdehnungsvorrichtung 20 auch eine Leistungsausgabevorrichtung 25 umfassen, die zur Übertragung nützlicher Arbeit von der Fluidausdehnungsvorrichtung 20 ausgelegt ist. Eine derartige mechanische Arbeit, die durch die Rotation der (später erläuterten) Abtriebswelle 38 der Fluidausdehnungsvorrichtung 20 erzeugt wird, kann je nach Bedarf zu beliebigen Elementen oder Vorrichtungen zugeführt werden. Beispielsweise kann die Abtriebswelle 38 direkt oder indirekt mit einem weiteren Antriebsaggregat, einer weiteren Fluidausdehnungsvorrichtung, einem Turbolader, einem Lader, einem Generator, einem Motor, einer hydraulischen Pumpe und/oder einer pneumatischen Pumpe mittels Zahnrädern, Riemen, Ketten oder anderen Strukturen verkoppelt sein. In einigen Beispielen kann die zurückgewonnene Energie in einer Energiespeichervorrichtung wie z. B. einer Batterie oder einem Akku gespeichert werden, und die Energiespeichervorrichtung kann die gespeicherte Energie bei Bedarf abgeben. In weiteren Beispielen kann die zurückgewonnene Energie zu dem Antriebsaggregat 16 zurückgeführt werden, indem die Abtriebswelle der Vorrichtung 20 mechanisch mit einer Energieeingangsstelle 17 (z. B. einer Kurbelwelle eines Motors) verkoppelt wird. Ebenfalls kann eine Energieübertragungsverbindung 25 zwischen dem volumetrischen Fluidexpander 20 und dem Antriebsaggregat 16 eingesetzt werden, um für eine verbesserte Passung zwischen den Drehzahlen des Antriebsaggregats 16 und der Abtriebswelle der Vorrichtung 20 zu sorgen. In einigen Ausführungsformen kann die Energieübertragungsverbindung 25 als ein Planetengetriebe konfiguriert sein, um zwei Ausgänge für das Antriebsaggregat 16 sowie für einen Generator bereitzustellen.
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Fluidausdehnungsvorrichtung – Allgemeiner Aufbau
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Auf die
2–
4 Bezug nehmend ist eine volumetrische Fluidausdehnungsvorrichtung
20 gemäß der vorliegenden Erfindung in schematischer Form dargestellt. Die
5–
12 zeigen eine physikalische Ausführungsform der Fluidausdehnungsvorrichtung
20. Wie dargestellt beinhaltet die Fluidausdehnungsvorrichtung
20 ein Hauptgehäuse
102, das einen ersten Arbeitsfluiddurchgang
106 festlegt, der sich zwischen einem ersten Einlass
108 und einem ersten Auslass
110 erstreckt. Die Fluidausdehnungsvorrichtung
20 kann auch mit Abteilungen
150,
152 ausgerüstet werden, um Lager, Steuerräder und/oder Stufengetriebe zu beherbergen, wie dies beispielsweise in der PCT-Veröffentlichung
WO 2014/117159 erläutert ist. In dem Arbeitsfluiddurchgang
106 ist ein Paar ineinandergreifender Rotoren
30,
32 angeordnet. Jedes Paar ineinandergreifender Rotoren
30,
32 ist derart konfiguriert, dass sich die Rotoren
30,
32 überlappen oder verzahnen und synchron in entgegengesetzten Richtungen rotieren.
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Wenn das Arbeitsfluid 12 den Einlass 108, die ineinandergreifenden Rotoren 30, 32 und den jeweiligen Auslass 110 durchläuft, wird das Arbeitsfluid 12 einem Druckabfall unterzogen, der den Rotoren 30, 32 eine Drehbewegung vermittelt und mechanische Arbeit erzeugt, die zurück in das Antriebsaggregat 16 eingeführt werden kann. Dementsprechend ist der Einlassdurchgang 108 dazu ausgelegt, dass das Arbeitsfluid 12 mit einem Eintrittsdruck zugeführt werden kann, während der entsprechende Einlassdurchgang 110 dazu konfiguriert ist, das Arbeitsfluid 12 mit einem Austrittsdruck abzuführen, der niedriger als der Eintrittsdruck ist. In einer derartigen Konfiguration tritt das Arbeitsfluid 12 in den Einlass 108 unter einem ersten Druck ein und tritt aus dem Auslass 110 unter einem zweiten Druck aus, der niedriger als der erste Druck ist. In einer Ausführungsform beträgt der Druckabfall von dem Einlass 108 zu dem Auslass 110 zwischen etwa 2 bar und etwa 10 bar, und beispielsweise 5 bar.
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Jeder der Rotoren
30,
32 ist, wie am einfachsten aus
3 ersichtlich, mit einer Mehrzahl von Flügeln versehen. Wie dargestellt kann jeder Rotor
30,
32 mit drei Flügeln,
30-1,
30-2,
30-3 im Falle des Rotors
30 bzw.
32-1,
32-2,
32-3 im Falle des Rotors
32 versehen sein. Wie dargestellt bildet jeder der Flügel
30-1 bis
30-3 und
32-1 bis
32-3 eine jeweilige Spitzen- oder Scheitelkante
30-1a bis
30-3a und
32-1a bis
32-3a aus. Obgleich drei Flügel für jeden Rotor
30 und
32 dargestellt sind, kann jeder der beiden Rotoren jede beliebige Anzahl von Flügeln aufweisen, die gleich oder größer als zwei ist. Beispielsweise ist in der PCT-Veröffentlichung
WO 2013/30774 ein geeigneter Rotor mit vier Flügeln dargestellt.
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Wie dargestellt ist die Anzahl an Flügeln für jeden Rotor 30 und 32 die gleiche. Dies steht im Unterschied zum Aufbau typischer Rotationsschraubenvorrichtungen und anderer ähnlich konfigurierter Rotationsvorrichtungen, die eine ungleiche Anzahl an Flügeln aufweisen (z. B. ein eingreifender Rotor mit ”n” Flügeln und ein aufnehmender Rotor mit ”n + 1” Flügeln). Weiterhin besteht eines der Unterscheidungsmerkmale der Ausdehnungsvorrichtung 20 darin, dass die Rotoren 30 und 32 identisch beschaffen sind, während die Rotoren 30, 32 derart gegenüberliegend angeordnet sind, dass von einem axialen Ende aus gesehen die Flügel eines Rotors im Uhrzeigersinn verdreht sind, während die Flügel des ineinandergreifenden Rotors gegen den Uhrzeigersinn verdreht sind. Wenn dementsprechend ein Flügel des Rotors 30, wie z. B. der Flügel 30-1 mit Bezug auf den Einlassdurchgang 24 vorläuft, läuft ein Flügel des Rotors 32, wie z. B. der Flügel 30-2 mit Bezug auf den Einlassdurchgang 24 und somit mit Bezug auf einen Strom des Hochdruckfluids 12 nach.
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Wie oben erwähnt sind der erste und der zweite Rotor 30 und 32 verzahnt und diese greifen für eine einheitliche Rotation kontinuierlich ineinander ein. In einer Ausführungsform sind die Flügel jedes Rotors 30, 32 entlang der Länge L der Rotoren 30, 32 verdreht oder wendelförmig angeordnet. Die Länge L kann als der Abstand zwischen einem ersten Ende 30a, 32a und einem zweiten Ende 30b, 32b der jeweiligen Rotoren 30, 32 definiert werden. Bei der Drehung der Rotoren 30, 32, dichten die Flügel an den Scheitelkanten das Fluid 12 mindestens teilweise gegen die innere Struktur bzw. Oberfläche 33 des Gehäuses 102 ab, um ein Transportvolumen 35, 37 auszubilden, wobei an diesem Punkt eine Ausdehnung des Fluids 12 nur bis zu dem Ausmaß auftritt, das durch eine Leckage ermöglicht wird, was eine Ineffizienz in dem System darstellt. Im Unterschied zu einigen Ausdehnungsvorrichtungen, die das Volumen des Fluids verändern, wenn es abgedichtet ist, fällt das zwischen den Flügeln und der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33 des Gehäuses ausgebildete Transportvolumen 35, 37 konstant aus, wenn das Fluid 12 die Länge der Rotoren 30, 32 durchläuft. Dementsprechend wird die Ausdehnungsvorrichtung 20 als eine ”volumetrische Vorrichtung” bezeichnet, da sich das abgedichtete bzw. teilweise abgedichtete Fluidvolumen nicht verändert, wobei das Arbeitsfluid 12 generell nicht verringert oder verdichtet wird.
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Im Betrieb werden die Rotorwellen 38, 40, die an den Rotoren 30 bzw. 32 angebracht sind, durch das Arbeitsfluid 12 rotiert, wenn das Fluid einer Ausdehnung von dem Arbeitsfluid 12 mit einem höheren ersten Druck zu dem Arbeitsfluid 12 mit einem niedrigeren zweiten Druck unterzogen wird. Dementsprechend sind die Wellen 38, 40 dazu ausgelegt, die Arbeit bzw. Energie aufzunehmen, die von der Ausdehnungsvorrichtung 20 während der Ausdehnung des Fluids 12 erzeugt wird, welche zwischen dem Einlassdurchgang 108 und dem jeweiligen Einlassdurchgang 110 stattfindet. Wie oben erläutert wird die Arbeit von den Wellen 38, 40 als Ausgangsdrehmoment von der Ausdehnungsvorrichtung 20 durch die Ausgabevorrichtung 25 übertragen.
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In einem Aspekt der Geometrie der Ausdehnungsvorrichtung 20 verfügt jeder der Rotorflügel 30-1 bis 30-3 und 32-1 bis 32-3 über eine Flügelgeometrie, wobei die Verdrehung jedes der ersten und zweiten Rotoren 30 und 32 entlang seiner im Wesentlichen übereinstimmenden Länge L konstant ausfällt. Wahlweise können die Flügel 30, 32 auch ohne eine Verdrehung bereitgestellt werden, obgleich dann ein Effizienzabfall zu erwarten ist.
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Wie schematisch in 4 dargestellt ist ein Parameter der Flügelgeometrie der Schrägungswinkel SW. Definitionshalber sollte sich verstehen, dass nachfolgende Bezüge auf einen ”Schrägungswinkel” der Rotorflügel den Schrägungswinkel an dem Teilkreisdurchmesser TD (oder Teilkreis) der Rotoren 30 und 32 bezeichnen. Der Begriff Teilkreisdurchmesser und seine Bestimmung versteht sich für die Fachleute auf dem Gebiet der Getriebe- und Rotortechnik und wird im Folgenden nicht weiter erläutert werden. Wie hier verwendet kann der Schrägungswinkel SW wie folgt berechnet werden: Schrägungswinkel (SW) = (180/pi·arctan(TD/Führung)), wobei: TD = Teilkreisdurchmesser der Rotorflügel; und Führung = die Flügellänge, die der Flügel benötigt, um die Verdrehung von 360 Grad zur vervollständigen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Führung eine Funktion des Verdrehwinkels und der Länge L der Flügel 30 bzw. 32 ist. Für die Fachleute versteht sich, dass der Verdrehwinkel die Winkelverlagerung des Flügels in Grad ist, die bei einer ”Reise” entlang der Länge des Flügels von dem hintersten Ende des Rotors zu dem vordersten Ende des Rotors auftritt. In einer Ausführungsform beträgt der Verdrehwinkel etwa 120 Grad, obgleich der Verdrehwinkel auch mehr oder weniger Grad betragen kann, wie z. B. 160 Grad.
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Da der Einlassdurchgang 108 das Fluid 12 sowohl zu den vorlaufenden wie zu den nachlaufenden Oberflächen jedes Rotors 30, 32 zuführt, bewerkstelligt das Fluid 12 an der Ausdehnungsvorrichtung 20 sowohl eine positive wie eine negative Arbeit. Zur Illustration stellt 3 dar, dass die Flügel 30-2, 30-3, 32-2, und 32-3 jeweils dem Fluid 12 durch die Einlassdurchgangsöffnung 108 ausgesetzt werden. Jeder der Flügel weist eine vorlaufende Oberfläche und eine nachlaufende Oberfläche auf, wobei beide Oberflächen dem Fluid an verschiedenen Rotationspunkten des zugeordneten Rotors ausgesetzt sind. Die vorlaufende Oberfläche ist diejenige Seite des Flügels, die sich zuvorderst befindet, wenn sich der Rotor in einer Richtung R1, R2 dreht, während die nachlaufende Oberfläche diejenige Seite des Flügels ist, die der vorlaufenden Oberfläche gegenüberliegt. Beispielsweise dreht sich der Rotor 30 in einer Richtung R1, wodurch sich eine Seite 30-1a als die vorlaufende Oberfläche des Flügels 30-1 und eine Seite 30-1b als die nachlaufende Oberfläche ergibt. Wenn sich der Rotor 32 in einer Richtung R2 entgegen der Richtung R1 dreht, sind die vorlaufenden und nachlaufenden Oberflächen spiegelbildlich angeordnet, sodass die Seite 32-1a die vorlaufende Oberfläche des Flügels 32-1 ist, während die Seite 32-1b die nachlaufende Oberfläche darstellt.
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Allgemein gesprochen trifft das Fluid 12 auf die nachlaufenden Oberflächen der Flügel auf, wenn diese die Einlassdurchgangsöffnung 24b durchlaufen, und positive Arbeit wird an jedem Rotor 30, 32 geleistet. Unter dem Begriff ”positive Arbeit” wird verstanden, dass das Fluid 12 eine Rotation der Rotoren in der erwünschten Richtung bewerkstelligt: Die Richtung R1 für den Rotor 30 und die Richtung R2 für den Rotor 32. Wie dargestellt funktioniert das Fluid 12 dazu, eine positive Arbeit an der nachlaufenden Oberfläche 30-1b des Rotors 30-1 zu übermitteln. Ebenfalls übermittelt das Fluid 12 positive Arbeit an der nachlaufenden Oberfläche 32-2b des Rotors 32-2. Jedoch trifft das Fluid 12 auch auf die vorlaufenden Oberflächen der Flügel auf, zum Beispiel auf die Oberflächen 30-3a und 32-1a, wenn diese die Einlassdurchgangsöffnung durchlaufen, wodurch negative Arbeit an jedem Rotor 30, 32 bewerkstelligt wird. Unter dem Begriff ”negative Arbeit” wird verstanden, dass das Arbeitsfluid 12 eine Rotation der Rotoren entgegengesetzt zu der erwünschten Richtung R1, R2 bewerkstelligt.
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Optimierte Fluidausdehnungsvorrichtung
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Die in den 5–12 dargestellte beispielhafte Ausführungsform der Fluidausdehnungsvorrichtung 20 umfasst eine Gehäuseauslasskonfiguration, die bezüglich einer gesteigerten Leistung optimiert ist, indem die Art und Weise definiert und gesteuert wird, mit der das Transportvolumen 35, 37, welches durch die innere Gehäusestruktur bzw. Oberfläche 33 und die Rotoren 30, 32 festgelegt wird, zu dem Gehäuseauslass 110 hin geöffnet wird. Im Betrieb der Fluidausdehnungsvorrichtung 20 rotieren die Rotoren 30, 32 wechselweise durch eine Einlassstellung, bei der das Transportvolumen 35, 37 zu dem Gehäuseeinlass hin offen ist, durch eine geschlossene Stellung, bei der das Transportvolumen 35, 37 generell zu dem Gehäuseauslass verschlossen ist, und durch eine Auslassstellung, bei der das Transportvolumen 35, 37 zu dem Gehäuseauslass hin offen ist. Wie weiter oben erwähnt ist ein gewisses Maß an Leckage des Arbeitsfluids 12 zwischen den Flügelscheitelkanten und der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33 des Gehäuses 102 möglich, da dort ein kleiner Abstand oder Spalt dazwischen vorliegen kann. Diesbezüglich geben die Begriffe ”geschlossen” oder ”abgedichtet” mit Bezug auf die geschlossene Stellung der Rotoren 30, 32 an, dass das Arbeitsfluid 12 daran gehindert wird, aus dem Transportvolumen 35, 37 durch irgendeinen Pfad auszutreten, der nicht durch den Abstand zwischen den Rotoren 30, 32 und dem Gehäuse 102 gebildet wird.
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Die 13–24 stellen die Wechselwirkung zwischen den Rotoren 30, 32 und der inneren Gehäusestruktur bzw. Oberfläche 33 an verschiedenen Drehpunkten der Rotoren 30, 32 dar, beginnend mit der geschlossenen Stellung des Rotors 32. Der Deutlichkeit halber stellen die 13–24 die innere Struktur bzw. Oberfläche 33 des Gehäuses 102 in den Zeichnungen als die äußerste Lage dar, wobei die Bereiche des Gehäuses 102 jenseits der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33 nicht dargestellt sind. Weiterhin sind in den 13A und 14A die Rotoren 30, 32 nicht dargestellt, sodass die Oberfläche 33 und deren weiter unten erläuterten Oberflächenmerkmale besser verständlich werden. Die innere Struktur bzw. Oberfläche 33 des Gehäuses 102 ist so konfiguriert, dass sie einen Kammerbereich 300 ausbildet, in welchem die Rotoren 30, 32 primär angeordnet sind. In einem Aspekt weist der Kammerbereich 300 ein abgerundetes oder rennstreckenförmiges Querschnittsprofil auf, um die beiden Rotoren 30, 32 aufzunehmen. Ein Auslassbereich 302 ist ebenfalls als ein Bereich der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33 bereitgestellt und so ausgerichtet, dass der Auslassbereich 302 das Ende des Kammerbereichs 300 überlagert und generell orthogonal zu dem Kammerbereich 300 ausgerichtet ist.
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Die innere Struktur bzw. Oberfläche 33 ist ferner mit einem kuppelförmigen Bereich 304 versehen, der den Kammerbereich 300 zusätzlich mit dem Auslassbereich 302 verbindet. Wie dargestellt ist der kuppelförmige Bereich 304 generell v-förmig oder zeltförmig beschaffen und dient zur Kontrolle der Zeitsteuerung der Öffnung der Rotoren 30, 32 in der Auslassstellung. Der kuppelförmige Bereich 304 sorgt auch für ein erhöhtes Volumen, damit das Arbeitsfluid 12 aus dem Transportvolumen 35, 37 und zu dem Auslass 110 entleert werden kann.
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Wie am einfachsten aus 13 ersichtlich erstreckt sich der kuppelförmige Bereich 304 generell lateral über die Breite der Rotoren 30, 32 hinweg von einem ersten Ende 306 zu den lateralen Enden 308 und 310. Der kuppelförmige Bereich 304 ist ferner so dargestellt, dass er sich von dem ersten Ende 306 entlang der Länge der Rotoren 30, 32 und von diesen weg hin zu einem Auslassende 312 benachbart zu dem Auslass 110 erstreckt. Es sei darauf hingewiesen, dass jedes der Enden 306 bis 312 als ein abgerundetes Ende ausgebildet werden kann, das sukzessive mit den Oberflächen des Kammerbereichs 300 und des Auslassbereichs 302 konvergiert. In einem Aspekt legen die Enden 306 und 308 eine Grenzflächenlinie bzw. -zone 314 zwischen dem kuppelförmigen Bereich 304 und dem Kammerbereich 300 fest, während die Enden 306 und 310 eine zweite Grenzflächenlinie bzw. -zone 316 zwischen dem kuppelförmigen Bereich 304 und dem Kammerbereich 300 festlegen. Ähnlich dazu bilden die Enden 306 und 312 eine Grenzflächenlinie bzw. -zone 318, die eine Symmetrieachse für den kuppelförmigen Bereich 304 ausbildet, der sich parallel zu der Länge der Rotoren 30, 32 erstreckt. Die Enden 308 und 312 können eine Grenzflächenlinie bzw. -zone 320 ausbilden, während die Enden 310 und 312 eine Grenzflächenlinie bzw. -zone 322 ausformen können. Wie bezüglich der Enden 306 bis 310 können auch die Grenzflächenlinien bzw. -zonen 314 bis 322 mit einem generell abgerundeten Profil ausgebildet sein. In einem Aspekt lässt sich sagen, dass die Enden 306, 308 und 312, welche die Grenzflächenlinien bzw. -zonen 314, 318 und 320 festlegen, eine erste Oberfläche 304a des kuppelförmigen Bereichs 304 ausbilden, während die Enden 306, 310 und 312, welche die Grenzflächenlinien bzw. -zonen 316, 318 und 322 festlegen, eine zweite Oberfläche 304b des kuppelförmigen Bereichs 304 ausbilden, wobei die erste und die zweite Oberfläche 304a, 304b den kuppelförmigen Bereich 304 festlegen.
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Wie in den 13–14 dargestellt wird der Rotor 32 derart in die geschlossene Stellung gedreht, dass das Transportvolumen 37 zwischen den Flügeln 32-2 (vorlaufend), 32-1 (nachlaufend) und dem Kammerbereich 300 der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33 ausgebildet wird. Diesbezüglich ist das Transportvolumen 37 sowohl von dem Auslassbereich 302 wie von dem kuppelförmigen Bereich 304 so angedichtet, dass kein Arbeitsfluid 12 von dem Transportvolumen 37 zu dem Auslass 110 der Fluidausdehnungsvorrichtung 20 gelangen kann.
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Auf die 15–18 Bezug nehmend ist der Rotor 32 (und der Rotor 30) um ein Grad (1°) von der geschlossenen Stellung zu der Auslassstellung hin gedreht worden, sodass sich eine erste Öffnung 400 zwischen dem vorlaufenden Flügel 32-2 und der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33 benachbart zu dem Auslassbereich 302 ausbildet. Wie dargestellt befindet sich die erste Öffnung 400 nahe an dem Auslassende 32b des Rotors 32. Bei dieser Drehstellung des Rotors 32 ist die erste Öffnung 400 die einzige Öffnung zwischen dem Transportvolumen 37 und der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33 und repräsentiert etwa 10% der maximalen Öffnungsfläche für die erste Öffnung 400, bevor zusätzliche Öffnungen zwischen dem Transportvolumen 37 und dem Auslass 110 durch eine weitere Rotation des Rotors 32 erzeugt werden.
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Auf die 19–20 Bezug nehmend ist der Rotor 32 (und der Rotor 30) um weitere zwölf Grad (12°), d. h. insgesamt um dreizehn Grad (13°), verdreht worden, was zu einer weiteren Vergrößerung der ersten Öffnungsfläche 400 führt. Jedoch bleibt die erste Öffnungsfläche 400 immer noch die einzige Öffnung zwischen dem Transportvolumen 37 und der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33. In der in den 19–20 gezeigten Stellung repräsentiert die erste Öffnungsfläche 400 etwa 100% der maximalen Öffnungsfläche für die erste Öffnung 400, bevor zusätzliche Öffnungen zwischen dem Transportvolumen 37 und dem Auslass 110 durch eine weitere Rotation des Rotors 32 erzeugt werden.
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Die 21–22 stellen den Rotor 32 (und den Rotor 30) in einer Stellung dar, die über die in den 19–20 dargestellte Position hinaus gedreht ist, sodass sich eine zweite Öffnung 402 zwischen dem Transportvolumen 37 und der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33 ausbildet und die erste Öffnung 400 weiter vergrößert wird. Wie dargestellt ist der Rotor 32 (und der Rotor 30) um weitere fünf Grad (5°), d. h. insgesamt um achtzehn Grad (18°) von der geschlossenen Stellung verdreht worden. Die zweite Öffnung 402 ist etwa am Mittelpunkt des Rotors 32 und der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33 benachbart zu dem kuppelförmigen Bereich 304 an der Zone bzw. Linie 316 angeordnet.
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Die 23–24 stellen den Rotor 32 (und den Rotor 30) in einer Position dar, die über die in den 21–22 dargestellte Position hinaus verdreht ist, sodass sich eine dritte Öffnung 404 zwischen dem Transportvolumen 37 und der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33 ausbildet und sich die erste und die zweite Öffnung 400, 402 weiter vergrößern. Wie dargestellt ist der Rotor 32 (und der Rotor 30) um weitere fünf Grad (5°), d. h. insgesamt um dreiundzwanzig Grad (23°) von der geschlossenen Stellung verdreht worden. Die dritte Öffnung 404 ist an dem Einlassende 32a des Rotors angeordnet und wird zwischen dem Rotor 32 und der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33 benachbart zu dem Kammerbereich 300 ausgebildet.
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In einer nicht begrenzenden beispielhaften Ausführungsform fallen die Öffnungsflächen
400,
402,
404 an verschiedenen Drehstellungen des Rotors
32 (oder
30) wie in der nachstehenden Tabelle 1 aus.
| Tabelle 1 |
| Drehstellung des Rotors (Grad) | 1. Öffnungsfläche 400 (mm2) | 2. Öffnungsfläche 402 (mm2) | 3. Öffnungsfläche 404 (mm2) |
| 0° | 0 | 0 | 0 |
| 1° | 8,4 | 0 | 0 |
| 2° | 19,2 | 0 | 0 |
| 3° | 30 | 0 | 0 |
| 13° | 80,0 | 0 | 0 |
| 18° | 128,0 | 57,5 | 0 |
| 23° | 171,6 | 154,4 | 6,1 |
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Im Vergleich zu einem Fluidexpander mit einer Standardauslasskonfiguration ist die offenbarte Fluidausdehnungsvorrichtung 20 dazu ausgelegt, eine verzögerte Öffnungszeitsteuerung aufzuweisen, was bedeutet, dass die Ausbildung der Öffnungsfläche zwischen dem Transportvolumen 35, 37 und dem Auslass 110 im Vergleich zu einem Standardentwurf mit einer verringerten Rate auftritt. Auf 25 Bezug nehmend ist eine grafische Darstellung der in der Tabelle 1 dargestellten Daten gezeigt, wobei ein Öffnungsprofil 500 der Ausdehnungsvorrichtung 20 dargestellt ist. Das Öffnungsprofil 500 kann dadurch gekennzeichnet sein, dass es eine anfängliche Öffnungsphase 502 aufweist, während derer sich die erste Öffnung 400 vergrößert und vollständig für die gesamte Öffnungsfläche zwischen dem Rotor 32 und der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33 verantwortlich ist. Die anfängliche Öffnungsphase 502 kann weiter dadurch gekennzeichnet sein, dass sie über einen ersten Bereich 502a und einen zweiten Bereich 502b verfügt, wobei der erste Bereich 502a eine größere Steigung als der zweite Bereich 502b aufweist, was bedeutet, dass sich die erste Öffnung 400 während des ersten Bereichs 502a im Vergleich zu dem zweiten Bereich 502b mit einer höheren Rate vergrößert. Das Öffnungsprofil 500 kann weiter dadurch gekennzeichnet sein, dass es eine sekundäre Öffnungsphase 504 aufweist, während derer sich die zweite und die dritte Öffnung 402, 404 im Zusammenhang mit der Vergrößerung der ersten Öffnung 400 entwickeln und vergrößern. Wie ersichtlich weist die sekundäre Öffnungsphase 504 eine signifikant größere Steigung als die anfängliche Öffnungsphase 502 auf, was den Umstand widerspiegelt, dass sich die Öffnungsfläche während der anfänglichen Öffnungsphase 502 im Vergleich zu der sekundären Öffnungsphase 504 mit einer niedrigeren Rate vergrößert.
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Der Unterschied in der Steigung der Phasen 502, 504 kann als die Erzeugung einer verzögerten Öffnungszeitsteuerung der Rotoren 30, 32 interpretiert werden. Dementsprechend fällt mit jedem Grad an Drehung des Rotors 30, 32 die Öffnungsfläche des optimierten Auslassexpanders 20 kleiner aus als diejenige eines Expanders mit einem Standardauslass. In einigen Fällen kann die Öffnungsfläche einer nicht-optimierten Ausdehnungsvorrichtung doppelt so groß oder noch größer als diejenige der offenbarten Vorrichtung 20 nach nur einem einzigen Grad an Drehung von der geschlossenen Stellung ausfallen. Diese Verzögerung der Zeitsteuerung erhöht die Geschwindigkeit des aus der Ausdehnungsvorrichtung 20 austretenden Arbeitsfluids 12 signifikant. Der sich ergebende konzentrierte Hochgeschwindigkeitsstrom am Rotorauslass erzeugt einen Einschlusseffekt, der zu einem Vakuum führt. Dieses Vakuum erhöht den Delta-Druck über den Expanderrotoren 30, 32, wodurch ein höheres Ausgangsdrehmoment bewerkstelligt wird. Ein verzögertes Entlüften an den vorderen und hinteren Scheiteln des Rotors 30, 32 für ein Minimum von 2 bis 3 Grad relativ zu der kleinen Tasche in der Nähe der Mitte des Rotors maximiert den Drehmomentausgang.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass eine Standardauslasskonfiguration dazu führen kann, dass die Öffnung zwischen den Rotoren und dem Gehäuse anfänglich in der Nähe der Rotormitte und anschließend zu der Einlassseite des Rotors hin ausgebildet wird. Diese frühe Öffnung zu dem Einlassende des Rotors kann zu einem erhöhten Rückdruck an dem Rotor durch das Arbeitsfluid führen, was dazu führt, dass das Arbeitsfluid negative Arbeit verrichtet. Im Unterschied dazu öffnet sich die offenbarte Fluidausdehnungsvorrichtung 20 zuerst an der Öffnung 400 benachbart zu dem Auslassende der Rotoren 30, 32, dann an dem mittleren Bereich der Rotoren 30, 32 und schließlich an dem Einlassende der Rotoren 30, 32.
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Die oben genannten Unterschiede sind in (nachstehender) Tabelle 2 illustriert, die einen Vergleich zwischen einem Fluidexpander mit einem nicht-modifizierten bzw. Standardauslass und einem Fluidexpander
20 gemäß obiger Beschreibung anführt.
| Tabelle 2 |
| Entwurfsparameter | Standard-Auslassfluidexpander | Optimierter Auslassfluidexpander 20 |
| Arbeitsfluid | Ethanol | Ethanol |
| Expanderdrehzahl | 10000 | 10000 |
| Drehmoment | 4,98 | 5,13 |
| Expanderleistung | 5,217 | 5,363 |
| Expanderdruck EIN | 3,237 | 3,237 |
| Expanderdruck AUS | 1,841 | 1,841 |
| Mengendurchfluss an Arbeitsfluid | 163,9 | 162 |
| Durchschnittl. Expandereinlasstemp. | 246 | 246 |
| Durchschnittl. Expanderauslasstemp. | 222 | 222 |
| Arbeitsfluidgeschwindigkeit bei 1° Öffnung (m/s) | 403 | 440 |
| Isentropische Effizienz | 55,06% | 57,27% |
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Durch die oben beschriebene Optimierung des Auslassdurchgangs wird der geringstmögliche Grad an Vakuumzug an dem Rotorauslass erzeugt, wodurch nachfolgend die Effizienz und Drehmomenterzeugung maximiert werden. Wie aus obiger Tabelle ersichtlich beträgt die Arbeitsfluidgeschwindigkeit bei 1 Grad an Öffnung für den optimierten Expander 440 m/s, was eine 10%ige Erhöhung der Arbeitsfluidgeschwindigkeit durch die erste Öffnung 400 entspricht. Diese erhöhte Geschwindigkeit des offenbarten Entwurfs trägt zur Entwicklung des leistungserweiternden Vakuumzuges bei und es hat sich gezeigt, dass eine Verbesserung der isentropischen Effizienz von mehr als 2 Prozent bewerkstelligt wird. Diese Verbesserungen werden durch die Steuerung des Standorts sowie der Zeitsteuerung der anfänglichen Öffnung zwischen dem Transportvolumen und der inneren Struktur bzw. Oberfläche 33 erreicht. Beispielsweise wird der Standort der anfänglichen Öffnung (d. h. die erste Öffnung 400, die am vorderen Ende des Rotors angeordnet ist) so gesteuert, dass die durch das Arbeitsfluid 12 verrichtete positive Arbeit maximiert wird. Zusätzlich sind die Rotoren 30, 32 und die innere Gehäusestruktur bzw. Oberfläche 33 so entworfen, dass sich die anfängliche Öffnung mit einer geringstmöglichen Rate über die ersten paar Verdrehgrade der Rotoren 30, 32 aus der geschlossenen Stellung hinweg vergrößert.
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Aus der obigen ausführlichen Beschreibung ergeben sich Modifikationen und Variationen, die erfolgen können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
