DE1948244A1

DE1948244A1 - Vorrichtung zur Umwandlung kalorischer Energie in mechanische Energie

Info

Publication number: DE1948244A1
Application number: DE19691948244
Authority: DE
Inventors: Schroeder Dr Johann; Van Witteveen Roland Anto Otto
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-09-30
Filing date: 1969-09-24
Publication date: 1970-04-16
Also published as: DE1948244B2; DK126516B; BE739549A; FR2019214A1; SE351460B; NO122162B; GB1290866A; US3651637A; CH504619A; NL6813986A

Description

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Dipl.-Ing. ERICH ·;. WALTHER ¹

Anmelder: N. V. PHiLiPS' GLOMP-;;FA3fl|fl(fl|

Akte: PHN- 3495 Anmeldung vom ι 23. Sept. 1969

"Vorrichtung zur Umwandlung kalorischer Energie in mechanis ehe Energi e".

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung kalorischer Energie in mechanische Energie, insbesondere einen Heissgasmotor, der mindestens einen Raum niedrigerer mittlerer Temperatur, in dem ein Arbeitsmedium komprimiert werden kann, und mindestens einen mit diesem in Verbindung stehenden Raum höherer, mittlerer Temperatur enthält, in dem das Arbeitsmedium expandiert werden kann, wobei in der Verbindung zwischen jedem Paar dex' erwähnten Räume ein Wärmeaustauscher vorzugsweise ein Regenerator vorgesehen ist, durch den das Arbeitsmedium

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hin- und herfliessen kann, um auf dem hege vom Kompressionsraum zum Expansionsraum Wärme aufzunehmen und in der umgekehrten Richtung Wärme abzugeben, wobei weiterhin ein mit einer Kühlmediumzufuhr und -abfuhr versehener Kühler vorgesehen ist, der Wärme dem Arbeitsmedium entzieht, das sich in demjenigen Teil der Vorrichtung befindet, der auf der dem Kompressionsraum zugewandten Seite des Wärmeaustauschers liegt, und ein Heizsystem vorhanden ist, das Wärme dem Arbeitsmedium in demjenigen Teil der Vorrichtung zuführt, der auf der dem Expansionsraum zugewandten Seite des Wärmeaustauschers liegt, welches Heizsystem mindestens ein Reaktion&gefäss mit einem bei der Betriebstemperatur flüssigen Metall oder Gemisch aus MetaLlen und mindestens einen Behälter mit einem verflüssigten Oxydationsmittel enthält, das mit der im Reaktionsgefäss vorhandenen Flüssigkeit unter Entwicklung von Wärme chemisch derart reagieren kann, dass die Reaktionsprodukte bei der im Reaktionsgefäss vorherrschenden Temperatur und bei dem betreffenden Druck fest und/oder flüssig sind, welches Gefäss durch mindestens eine Zufuhrleitung mit dem Reaktionsgefäss in Verbindung steht, wobei eine Regelvorrichtung vorhanden ist, um dem Reaktionsgefäss eine dosierte Menge des Oxydationsmittels zuzuführen.

Bei bekannten Vorrichtungen vorerwähnter Art, die ausser Heissgasmotoren z.B. auch Gasturbinen sein können, durchläuft ein Arbeitsmedium einen thermo-dynami«=

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sehen Zyklus. Das Arbeitsmedium wird dann bei niedriger Temperatur in einem Kompressionsraum zusammengedrückt und darauf bei hoher Temperatur in einem Expansionsraum expandiert. Um den Kompressionsraum »uf einer hinreichend niedrigen Temperatur zu halten_t wird mittels eines von einem Kühlmedium durchflossenen Kühlers dem Arbeitsmedium Wärme entzogen, während zum Auf recht erha.l ten der Temperatur des Mediums im Expansionsraum mittels eines Heizsystems dem Arbeitsmedium Wärme zugeführt wird. Bemerkenswert bei dem in dieser Vorrichtung verwendeten Heizsystem istf dass es unabhängig von der Umgebung der Vorrichtung Wärme liefern kann. Dies bedeutet, dass dieses Heizsystem Wärme liefert, ohne Verbrennungsluft zu verbrauchen und ohne Verbrennungsgase abzugeben. Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eignet sich daher besonders gut zur Verwendung an Stellen, wo keine Verbrennungsluft vorhanden ist und/oder an Stellen, wo Luftverschmutzung durch Abgase unzulässig ist.

Das Metall oder das Metall gemisch in dem Reaktionsgefäss kann durch eines oder mehrere der Metalle Li, Na, K, Mg, Al und/oder eines oder mehrere der- seltenen Erdmetalle gebildet werden. Diese Metalle und insbesondere Kombinationen derselben haben den Vorteil eines verhältnismässig niedrigen Sclunelzpunktes und einer grossen Wärmeentwicklung pro Volumeneinheit. Das Oxydationsmittel kann z.B. durch ein Halogen oder eine Halogenverbind,-ung,

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insbesondere eine Fluorverbindung gebildet werden, die bed Zimmertemperatur unter Druck flüssig gemacht werden kann. Das Oxydationsmittel wird in dem gasförmigen Zustand dem Reaktionsgefäss dosiert zugeführt, in dem das Oxydationsmittel unter Wärmeentwicklung mit dem Metall reagiert, wodurch Salze entstehen, die bei der Betriebstemperatur fest und/oder flüssig sind.

Es ist bekannt, das Oxydationsmittel im flüssigen Zustand im Gefäss zu speichern, wobei der Dampfdruck hinreichend hoch ist, um das Oxydationsmittel in Gasform dem Reaktionsgefäss zufliessen zu lassen. Um den erwünschten Dampfdruck aufrechtzuerhalten, muss zum Frsetzen des abgeführten Dampfes eine bestimmte Menge Flüssigkeit verdampft werden. Dazu muss Wärme zugeführt werden. Da der Dampfdruck der meisten, geeigneten Arten von Oxydationsmitteln auch bei 0° C noch ausreicht, um durch seinen eignen Druck dem Reaktionsgefäss zuzufliessen, könnte die erforderliche WKrme direkt aus der Uiagebungsluft oder, beim Antrieb eines Fahrzeuges, aus dem umgebenden Wasser aufgenommen werden. Ee können dabei jedoch unter Umständen Schwierigkeiten auf treten, welche die Wärmezufuhr stören. Wenn z.B. die umgebungstemperatur nahe» 0° C ist, liegt die Möglichkeit vor, dass sich auf den Wärmeaustauschflächen Eis ablagert, da das die Wärme liefernde Medium (Luft oder Wasser) abgekühlt wird, so dass das Wasser oder" das in feuchter Luft vorhandene Wasser friert.

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Dadurch wird die Wärmeübertragung auf das Oxydationsmittel stark gehemmt, so dass der Dampfdruck herabsinkt und kein gasförmiges Oxydationsmittel mehr dem Reaktionsgefäss zufliessen kann. Ferner wird infolge Schwankungen der Umgebungstemperatur auch die Temperatur und so ait der Dampfdruck des Oxydationsmittels schwanken, was die Regelung der Zufuhr von Oxydationsmitteln an das Reaktionsgefäse stark beeinträchtigt.

Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung zur Umwandlung von kalorischer Energie in mechanische Energie zu schaffen, bei der die vorerwähnten Schwierigkeiten vollkommen beseitigt werden»

Di· Vorrichtung ist zu diesem Zweck dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Abfuhr des Kühlmediums von den Kühler Mindestens eine Leitung anschließet, der wenigstens ein Teil des Kühlmediums zugeführt werden kann und die in thermische« Kontakt mit de« Behälter des verflüssigten OxydAtionstnittels ist.

Das Kühlmedium hat in Kühler die Verlustwaree des thermodynamisehen Kreislaufs des Arbeitsmediume aufgenommen und hat somit' eine höhere Temperatur angenommen. Indem dieses Kühlmedium in thermische Berührung "i* dem flüssigen Oxydationsmittel gebracht wird, lässt sich leicht mittels eines sehr einfachen Wärmeaustauschers hinreichende Wärme dem Oxydationsmittel zuführen, ohne daas die Gefahr des Frierens des Kühlmediums an den War-

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aeaustauschflachen auftritt.

Ein weiterer Vorteil ist der, dass die Temperatur des Oxydationsmittels weniger Schwankungen aufweist, so dass die Regelung der Zufuhr an das Reaktionsgefäss einfacher und besser durchführbar ist.

Bin weiteres, auffälliges Merkmal ist, dass wenn die Vorrichtung eine grössere Leistung liefert und somit mehr Wärme dem Expansionsraum zugeführt werden muss und somit auch mehr Oxydationsmittel geliefert werden soll, wodurch eine höhere Verdampfungsgeschwindigkeit notwendig ist, der thermodynamisch^ Zyklus mehr Wärme auf das Kühlmedium überträgt, welche Wärme wieder zur Verfügung steht, um die erforderliche Verdampfungszunahme zu erzielen. Infolgedessen wird somit auch bei Leistungsregelung der Dampfdruck des Oxydationsmittel sich weniger ändern als bei einer von der Motorbelastung unabhängigen Erwärmung.

Bei einer weiteren, vorteilhaften Ausführungβίο rm der Vorrichtung nach der Erfindung sind in jeder der sich an die Oxydationsmittelbehälter anschliessenden Zufuhrleitungen ein Reduzierventil und ein zwischen diesem Ventil und dem betreffenden Behälter liegender Flüssigkeitsabtrenner vorgesehen, wobei jede der erwähnten Leitungen, durch welche das Kühlmedium flieset, bevor es mit dem betreffenden Oxydationsmittelbehälter in Wärmeaustauschkontakt ist, in thermischer Berührung mit dem

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zugehörenden Reduzierventil und dem Flüsaigkeitsa,btrenner steht. Infolgedessen herrscht an der Stelle des Reduzierventile und des Flüssigkeitsabtrennere stete eine gleiche hohe oder ei» hihere Temperatur vor als in dem zugehörenden OxydationemittelbehÄlter, so dass nicht die Gefahr eintritt, da·· der la Behälter entwickelte Dampf sich im Flüssigkeitsabtrenner oder ±m Reduzierventil wieder kondensiert.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der scheaatisch und nicht masstäblich eine als Helssgasaotor ausgebildete Vorrichtimg zur Umwandlung von kalorischer Energie in mechanische Energie mit den zugehörenden Heizsystem in den Fig. 1 und 2 in zwei Ausführungsformen dargestellt ist.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Zylinder, in dem ein Kolben 2 und ein Verdränger 3 bewegbar sind. Der Kolben 2 und der Verdränger 3 sind durch eine Kolbenstange k bzw. ein· Verdrängerstange 5 mit einem nicht dargestellten Treibwerk verbunden. Zwischen dem Kolben 2 und des Verdränger 3 befindet sich ein Kompressionsraum 6, der durch einen Kfthler 7» einen Regenerator β und einen Erhitzer 9 Bit einem Expansionsraum TO in Verbindung steht. Der Erhitzer hat hier die Form eines Rohrerhitzers, der aus einem Kranz von Rohren 11 besteht, die sich einerseits an den Regenerator 8 und andererseits an einen Ringkanal 12 anechliesson, sowie einem Kranz von Rohren 13, welche

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den Ringkanal 12 mit dem Expansionβraum 10 verbinden. Der Kühler 7 hat eine Zufuhr 15 und eine Abfuhr 16 für Kühlmedium. Der Erhitzer 9 ist in einem Reaktlonsgefäss 17 untergebracht, das mit einem Gemisch aus im wesentlichen Li, Ga gefüllt ist, über dem ein inertes Gas einen Druck auf das Metallgemisch aufrechterhält. Im Behälter 17 ist weiterhin eine elektrische Heizvorrichtung 18 angeordnet, die das Metall zum Schmelzen bringt, wobei ferner ein Rührer 19 vorhanden ist, der mit einem Elektromotor 20 gekuppelt ist und der die Metallschmelze den Erhitzerrohren 11, 13 entlang herumführt.

In einem Behälter 21 ist ale Oxydationsmittel Schwefelhexafluorid (SF^) in flüssiger Form gespeichert. Auf der Oberseite schliesst sich an den Behälter 21 eine Leitung 22 an, in.der ein Flüssigkeiteabtrenner 28 vorgesehen ist. Die Leitung 22 schliesst sich u anderen Ende durch jeden der Regelhähne 2k an eine Anzahl von Ausstromdüson 25 an, von denen deutlichkeitshalber bei jedes Hahn 2k nur einer dargestellt ist und die in den Behälter 17 ausmünden. In der Leitung 22 ist zwischen den Flüssigkeitsabtrenner 28 und den Hähnen 2k ein Reduzierventil 27 und ein Puffergefäss 26 vorgesehen.

An die Abfuhr 16 des Kühlers 7 schliesst sich eine Leitung 30 an, die bei 31 und 32 in thermischer Berührung mit dem Reduzierventil 27 und dem Flüssi^keltsabtrenner 28 steht. Weiterhin 1st die Leitung 30 bei 33

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in thermischer Berührung mit dem Behälter 21.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende .

Die Heizvorrichtung 18 schmilzt das Metallgemisch im Behälter 17. Darauf werden Regelhähne Zk geöffnet, wodurch dampfförmiges SFg durch die Ausstromdüsen in den Behälter 17 heiaLnfliesst, wo dieser Dampf unter * Wärmeentwicklung mit dem darin vorhandenen Metall reagiert Die entwickelte Wärme wird dem Erhitz.er 9 .zugeführt. Die zugeführt· Wärme wird von dem Heissgasmotor, in des ein Arbeitsmodium einen thermodynamisehen Zyklus vollführt, in mechanisch· Energie umgewandelt» die von der Kolbenstange k auf ein nicht dargestelltes Getriebe übertragen wird. Dabei nimmt das Arbeitsmedium im Erhitzer 9 Wärme auf, während das Arbeitsmedium im Kühler 7 Wärme dem Kühlmedium abgibt, das durch die Zufuhr 15 zugeführt wird.

Beim Offnen der Regelhähne Zk flieset, wie gesagt, dampfförmiges SFg aus dem Behälter 21 durch die Leitung 22 in den Behälter 17* Dadurch wird der Druck erniedrigt. Der Druck nuss somit durch Verdampfung einer Menge SF^ ergänzt werden. Diese Verdampfung erfordert eine Zufuhr von Wärme. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass an die Abfuhr 16 des Kühlers 7 eine Leitung 30 angeschlossen wird, die bei 33 in thermischer Berührung mit dem Behälter 21 ist. Da die im Kühler 7 aufgenommene Wärme erheblich grössor ist als die zum Verdampfen von SFg

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la Behälter 21 erforderliche Wärme, lieft nicht die Gefahr eines Frierens des Kühlmediums in der Leitung 30 vor. Die Temperatur und somit auch der Druck von SF^ in Behälter 21 werden sehr flelchmässig «ein. Der Dampfdruck von SF^ ist bei Temperaturon über 0° C stets hinreichend hoch, um einen Strom von SFg Damp zum Behälter 17 aufrechtzuerhalten, so dass keine zusätzliche Pumpmittel dazu notwendig sind. Zwischen den Regelhähnen Zk und dem Flüssigkeit sabtrenner 28 ist ein Reduzierventil vorgesehen, in dem der Dampfdruck, der z.B. 30 Atm. betragen kann, auf einen konstanten Druck von z.B. 10 Atm. herabgemindert wird. Die AusstromdUsen 23t haben einen solchen Durchgang, dass'der Druckunterschied zwischen 10 Atm. und dem Druck im Reaktionsgefäss 17 eine eolche Strömungsgeschwindigkeit des SF^ im Auestromnutzen herbeiführt, dass Metallschmelze nicht hineindringen und die Ausströmdüse!! nicht von SF^ angegriffen werden kann. Der augeführte SF^-Strom lässt sich durch Offnen bzw. Schliesaen eines oder mehrerer der Hähne 2h regeln.

Um zu vermeiden, dass etwaiges mit dem Dampf mitgeführtes flüssiges SF, in das Reduzierventil 27 gelangt, ist in der Leitung 22 ein Flüasigkeltaabtrenner 28 vorgesehen.

Um zu verhüten, dass das Reduzierventil 27 und der Flüssigkeitsabtrenner 28 kälter als der Behälter 21

werden, wodurch Kondensation von SF^-Dampf im Reduzier-

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ventil und la Flüssigkeitsabtrenner auftreten kann, ist die Kühlmediumleitung bei 31 und 32 in thermischer Berührung mit den Reduzierventil und dem Flüssigkeitsabtrenner.

Das bei 3k die Leitung 30 verlassende Kühlmedium kann gegebenenfalls der Zufuhr 15 des Kühlers 7 zurückgeführt werden, so dass ein geschlossenes Kühlsystems erhalten wird. Zwar muss das Kühlmedium dann noch in thermische Berührung mit der Umgebung oder mit Kühlwasser gebracht werden, da zum Verdampfen von SFg weniger Wärme erfordert wird als im Kühler vom Kühlmedium aufgenommen wird, so das· die überschüssige Wärm· angeführt werden muss. Dae Kühlsystem kann auch von dem offenen Typ sein, wobei das Kühlmedium bei 15 rügeführt wird und bei 3k die Vorrichtung verlaset.

Auf diese Weise wird eine Vorrichtung erhalten, bei der die- Verdampfungswärme für das SF, nicht mehr der Umgebung entzogen wird, so dass nicht mehr die Gefahr vorliegt, dass Eis auf den Wirraeaustauschflachen erzeugt wird, wahrend Temperatur und Druck des SF^ sehr gleichmassig sind.

Fig. 2 zeigt schematisch eine als Heissgasmotor ausgebildete Vorrichtung zur Umwandlung von kalorischer Energie in mechanische Energie, wobei die bereits in Fig. 1 dargestellten Einzelteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Abweichend λ υπ der in Fig. 1 dargestell-

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ten Vorrichtung sind hier zwei Behälter kl und 61 vorgesehen, in denen als Oxydationsmittel flüssiges SF^- gespeichert ist. An diese Behälter schJieesen eich Leitungen kZ bzw. 62 an, in denen Flüssigkeitsabtrenner k8 bzw. 68, Reduzierventile 47 bzw. 67 und Puggergefässe k6 bzw. 66 vorgesehen sind. Diese Leitungen münden am anderen Ende durch Regelventile kk bzw. 6k und AusatromdUsen i»5 bzw. 65 in den Behälter 17 au«, wobei der SF^-Strom durch diese Leitungen mittels der Regelhahne kk bzw. 6k regelbar ist. An die Kühlmediumabfuhr 16 achlieesen eich dann zwei Leitungen 50 und 70 an, die bei 31 bzw. 71 Värae austauschen mit den Reduzierventilen kl bzw. 67 und bei 52 bzw. 72 Bit den FlUseigkeitsabtrennern 48 bzw. 68 und bei 53 bzw. 73 mit den Behältarn k\ bzw. 61. Ferner enthält di· Vorrichtung noch einen Behälter 80 ait einem inerten Gas, das durch die Leitungen 61 und 82 alt Regelhähnen 83 und 8k den Leitungen 02 und k2 zugeführt werden kann. Mittels diese» inerten Gases kann verhütet werden, dass bei niedriger Ausströmgeschwindigkeit des SF^ in Behälter 17 das flüssige Netall in die Leitungen 62 und kZ gelangt. Das zugeführte inerte Gas kann durch das Rückschlagventil 85 und die Pumpe 86 wieder dem Behälter 80 zugeführt werden.

Obgleich in der Zeichnung der Deutlichkeit halber jede des Zufuhrleitungen k2 bzw. 62 nur durch einen einzigen Regelhahn kk bzw. 6k an nur eine Ausströmdüse

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4 5 bzw. 65 angeschlossen ist, wird einleuchten, dass jede dieser Zufuhrleitungen sich an eine Anzahl von Ausstromstutzen anschliessen kann wobei entweder zwischen jedem Ausstromstutzen und der betreffenden Zufuhrleitung ein ■ Regelhahn vorhanden ist, oder die einer Zufuhrleitung zugehörenden Aussti'omstutzen gruppenweise angeordnet sind, wobei jede Gruppe sich durch einen Regelhahnh an die Zufuhrleitung anschliesst. Auf diese Weise lässt sich durch die Wahl der geöffneten Regelhähne der aus jedem Oxydationsmittelbehälter abgeführte SF^~Strom regeln. Durch diese Regelung der SF,- Entnahme aus jedem der Behälter 41 und 61 und durch eine angemessene Wärmezufuhr an diese Behälter kann der Schwerpunkt des Ganzen im Betrieb nach Wahl stationär gelassen oder verschoben werden.

Die Zeichnung zeigt nur zwei Ausführungsformen der Vorrichtung. Es wird einleuchten, dass eine grosso Anzahl baulicher Abarten innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich sind.

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Claims

PHN 3^95 Patentansprüche:

1. J Vorrichtung zur Umwandlung von kalorischer Energie in mechanische Energie, insbesondere Heissgasmotor, der mindestens einen Raum niedrigerer mittlerer Temperatur, in dem ein Arbeitsmedium komprimiert werden kann, und mindestens einen mit diesem in Verbindung ste-·. hendexi Raum höherer, mittlerer Tempera tui" enthält, in dem das Arbeitsmedium expandiert werden kann, wobei in der Verbindung zwischen jedem Paar dieser Räume ein Wärmeaustauscher, vorzugsweise ein Regenerator vorgesehen ist, durch den das Arbeitsmedium hin- und herfliessen kann* um auf dem Wege von dem Kompressions- xuia Expansionsraum Wärme aufzunehmen und in der umgekehrten Richtung Wärme abzugeben, wobei weiterhin ein mit einer Kühlmediumzufuhr und -abfuhr versehoner Kühler vorgesehen ist, der dem Arbeitsmedium Wärme entzieht, das in demjenigen Teil der Vorrichtung vorhanden ist, der auf der dem Kompressionsraum zugewandten Seite des Wärme»^ustauschers liegt, während ein Heizsystem für die Zufuhr von Wärme an das Arbeitsmedium vorgesehen ist, das in demjenigen Teil der Vorrichtung vorhanden ist, der auf der dem Expansionsraum zugewandten .Seite des Warnieaustauschers liegt, welches Heizsystem mindestens ein Reaktionsgefäss mit einem bei/ der Betriebstemperatur flüssigen Metall oder Gemisch aus Metallen und mindestens einen Behälter mit einem verflüssigten Oxydationsmxttel enthält, das mit der im Reaktions-

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gefäss vorhandenen Flüssigkeit unter Entwicklung* von Wär-

me chemisch derart reagieren kann, dass die Reaktionsprodukte bei der im Reaktionsgefäss vorherrschenden Temperatur und dem Druck fest und/oder flüssig sind, welches Gefäss durch mindestens eine Zufuhrleitung mit dem Reaktionsgefäss in Verbindung steht, wobei eine Regelvorrichtung für die dosierte Oxydationsmittelzufuhr an das Reaktionsgefäss vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass

j sich an die Kühlmediumabfuhr des Kühlers mindestens eine

j Leitung anschliesst, der mindestens ein Teil des Xühlme-

diums zugeführt werden kann und die" Wärme austauscht mit dem Behälter mit dem verflüssigten Oxydationsmittel, weiches Oxydationsmittel derart gewählt ist, dass es bei der Kühlmediumtemperatur einen Dampfdruck aufweist, der höher ist als der Druck im Reaktionsgefäss.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in jeder der sich an die Oxydationsmittelbehälter anschliessenden Zufuhrleitungen ein Reduzierventil und zwischen diesem Ventil und dem betreffenden Behälter ein Flüssigkeitsabtrenner vorgesehen sind, wobei jede der erwähnten, von Kühlmedium durchflossenen Leitungen vor dem Wärmeaustausch mit dem betreffenden Oxydationsmittelbehälter Wärme austauscht mit dem zugehörenden Reduzierventil und dem Flüssigkeitsabtrenner,

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