DE19533249C1

DE19533249C1 - Turbomachine for generating mechanical work from thermal energy and a method for generating mechanical work from thermal energy with such a turbomachine

Info

Publication number: DE19533249C1
Application number: DE19533249A
Authority: DE
Inventors: Josef Lechner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-09-08
Filing date: 1995-09-08
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2015-09-09

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine zur Erzeugung von mechanischer Arbeit aus Wärmeenergie beliebigen Ursprungs und ein Verfahren zur Erzeugung von mechanischer Arbeit aus Wärmeenergie mit einer solchen Strömungsmaschine Sie betrifft ferner die Verwendung einer Strömungsma schine in einem Kraftfahrzeug und in einer Wasserkraftma schine.The present invention relates to a fluid flow machine for Generation of mechanical work from any heat energy Origin and a method of producing mechanical Work from thermal energy with such a turbomachine It also affects the use of a flow measure machine in a motor vehicle and in a hydropower plant seem.

Bei bekannten Wärmekraftmaschinen wird für einen wirtschaft lichen Betrieb und zur Erreichung eines möglichst hohen Wir kungsgrades ein hohes Wärmegefälle benötigt. Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, beispielsweise mittels Clausius-Rankine-Prozeß oder den im Uhrzeigersinn durchlaufenden Carnot-Prozeß, sind bekannter maßen kleiner als eins. In der Praxis werden Wirkungsgradwer te von bis ca. 35% bis 40%, in einigen Sonderfällen bis ca. 50%, erzielt. Zum Erreichen von wirtschaftlichen Wirkungs gradwerten sind insbesondere bei Strömungsmaschinen, welche gegen den Arbeitsdruck nicht dicht sind, wie beispielsweise Turbinen, ein hohes Wärme- bzw. Druckgefälle erforderlich.In known heat engines for an economy operation and to achieve the highest possible us a high heat gradient is required. The efficiency when converting thermal energy into mechanical energy, for example using the Clausius-Rankine process or the im Clockwise continuous Carnot process, are better known measured less than one. In practice, efficiency levels are from up to approx. 35% to 40%, in some special cases up to approx. 50% achieved. To achieve economic impact Degree values are especially in turbomachinery, which are not tight against the working pressure, such as Turbines, a high heat or pressure drop required.

Die Umwandlung von Wärmeenergie mit relativ niedrigem Tempe raturniveau bzw. kleinem Wärmegefälle in mechanische Energie, hat bisher aufgrund von zu geringfügiger Umsetzungsrate und anderen Unzulänglichkeiten wie sehr aufwendigen und umfang reichen Anlagen, beispielsweise die Benötigung von überdimen sionalen Wärmetauscherflächen, kaum eine größere wirtschaft liche Dimension erreicht.The conversion of thermal energy with a relatively low temperature temperature level or small heat gradient in mechanical energy, has so far due to insufficient conversion rate and other shortcomings such as very elaborate and extensive rich systems, for example the need for oversized sional heat exchanger surfaces, hardly a larger economy dimension reached.

In der DE 34 45 785 A1 wird ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie niedriger Temperatur in mechanische Arbeit vor geschlagen, bei welchem in einem Kreislauf ein Kältemittel unter Arbeitsdruck verdampft und nachfolgend in einer Ent spannungsmaschine teilweise oder ganz verflüssigt wird. Mit dem bei der Entspannung entstehenden Drehmoment wird zum Bei spiel ein Elektrogenerator angetrieben. Das verflüssigte Käl temittel wird anschließend unter Zuhilfenahme einer Konden satpumpe auf den Verdampfungsdruck verdichtet und zurück zum Verdampfer befördert.DE 34 45 785 A1 describes a method for converting Low temperature thermal energy before mechanical work beaten, in which a refrigerant in a circuit evaporated under working pressure and subsequently in a Ent voltage machine is partially or completely liquefied. With the torque generated during the relaxation becomes an accessory game powered by an electric generator. The liquefied calf The remedy is then with the help of a condom sat pump compressed to the evaporation pressure and back to Evaporator transported.

Die DE 43 04 688 A1 beschreibt eine Niedrigtemperatur-Wärme kraftmaschine, in welcher in einem geschlossenen Kreislauf ein flüssiges Arbeitsmedium mittels einer Pumpe unter hohem Druck in einen Verdampfer befördert, dort unter Wärmezufuhr verdampft und nachfolgend in einer Arbeit leistenden Entspan nungsmaschine unter hohem Druckabfall entspannt und verflüs sigt wird.DE 43 04 688 A1 describes low-temperature heat engine in which in a closed cycle a liquid working medium by means of a pump under high Pressure is conveyed to an evaporator, there under the supply of heat evaporates and then relaxes in a job machine under high pressure drop relaxed and liquefied sigt.

Wegen sehr geringer Wirkungsgrade erscheint eine wirtschaft liche Anwendung dieser Vorschläge nicht realisierbar. Ferner muß berücksichtigt werden, daß die erforderliche Wärmeenergie für bekannte Niedrig-Temperaturenergiesysteme zwar leichter und umweltschonender verfügbar ist, jedoch aufgrund sehr niedriger Wirkungsgrade ein Vielfaches an Wärmeenergie zum Betrieb verbraucht wird.An economy appears because of very low efficiency application of these proposals is not feasible. Further must be considered that the required thermal energy lighter for known low-temperature energy systems and is available more environmentally friendly, but because of very low efficiencies a multiple of thermal energy for Operation is consumed.

Weiterhin ist bekannt, daß der Niedrigtemperatur-Flachplat ten-Stirlingmotor, Bauart Kolin, zwar bereits bei der sehr geringen Temperaturdifferenz von ca. 10K bis 15K die Eigen reibung überwindet und läuft; Leistung und Wirkungsgrad müs sen für eine ökonomische Erzeugung von mechanischer Energie noch wesentlich verbessert werden. It is also known that the low-temperature flat plate ten-Stirling engine, type Kolin, already with the very low temperature difference of approx. 10K to 15K the Eigen friction overcomes and runs; Performance and efficiency must for the economical generation of mechanical energy still be significantly improved.

Auch die Erzeugung von mechanischer Energie aus der in der Umgebung vorhandenen Wärmeenergie (Anergie), indem bei der Energieumsetzung diesem Energiereservoir Wärmeenergie ent zogen wird, hat bisher keine nennenswerte Bedeutung erlangt. Allerdings erfolgt eine Wärmeenergieentnahme aus dem Umge bungswärmereservoir zur Gewinnung nutzbarer Wärmeenergie in bedeutendem Ausmaß bei Wärmepumpensystemen.The generation of mechanical energy from the in the Existing thermal energy (anergy) by the Energy conversion ent this energy reservoir thermal energy has not been of significant importance. However, thermal energy is extracted from the surrounding area Exercise heat reservoir for obtaining usable thermal energy in significant extent in heat pump systems.

Aus der DE 36 41 122 ist eine Antriebseinheit bekannt, die mittels eines Clausius-Rankine-Prozesses aus Wärmeenergie niedriger Temperatur und Wertigkeit elektrische Energie ge winnt. Dabei wird ein Arbeitsmittel in einem Verdampfer ver dampft und über eine Einlaßleitung zu einem Expander geführt. Der Expander ist als Drehantrieb ausgelegt, in welchem der Druck des gasförmigen Arbeitsmittels adiabatisch abgebaut wird, wodurch über eine Antriebswelle und einen Generator elektrische Energie erzeugt wird. Das Arbeitsmittel wird an schließend über Leitungen zu einem Kondensator geleitet, wo es durch einen Kühlkreislauf gekühlt und verflüssigt wird und anschließend über eine Umwälzpumpe zurück zum Verdampfer ge leitet wird. Mit dieser Vorrichtung lassen sich wirtschaft lich nutzbare Leistungen erbringen, sie weist jedoch eine re lativ platzraubende Ausgestaltung auf.From DE 36 41 122 a drive unit is known which using a Clausius-Rankine process from thermal energy low temperature and value electrical energy ge wins. Here, a working fluid is ver in an evaporator vapors and passed through an inlet line to an expander. The expander is designed as a rotary drive, in which the Adiabatically reduced pressure of the gaseous working fluid is, which means a drive shaft and a generator electrical energy is generated. The work equipment is on finally passed over lines to a capacitor where it is cooled and liquefied by a cooling circuit and then ge via a circulation pump back to the evaporator is leading. With this device can be economically provide usable services, but it shows a right relatively bulky design.

Wärmerohre, wie sie z. B. aus Chemie-Ing.-Techn., 42 Jahrg. 1970, Nr. 15, S. 977 ff. bekannt sind, werden seit geraumer Zeit als kompakte Wärmetransporteinrichtungen mit extrem hohem Wärmetransportvermögen eingesetzt. Sie sind in einem weiten Temperaturbereich zur Wärmeübertragung einsetzbar, wobei sie sich insbesondere dadurch auszeichnen, daß ihre Funktionsfähigkeit auch noch bei minimalen Temperaturdiffe renzen zwischen dem zu kühlenden Bereich und dem kühlenden Bereich gewährleistet ist, d. h. der Wärmetransport im Inneren des Wärmerohrs läuft nahezu isotherm ab.Heat pipes, such as z. B. from chemical engineering, 42 year. 1970, No. 15, pp. 977 ff. Have been known for some time Time as compact heat transport devices with extreme high heat transfer capacity used. You are in one wide temperature range can be used for heat transfer, whereby they are characterized in particular by the fact that their Functionality even with minimal temperature differences boundaries between the area to be cooled and the cooling area Area is guaranteed, d. H. the heat transfer inside the heat pipe runs almost isothermally.

In einem Wärmerohr wird ein Arbeitsstoff in einem Ver dampfungsabschnitt durch das Zuführen von Wärme verdampft und strömt über eine Transportzone zu einem Kondensationsbereich, in welchem der Arbeitsstoff unter Abgabe der zuvor aufgenom menen Verdampfungswärme wieder kondensiert. Die durch diesen Druckgradienten verursachte Gasströmung kann Geschwindkeiten erreichen, die im Bereich der Schallgeschwindigkeit des Ar beitsgases liegen. Die Rückführung der kondensierten Flüssig keit erfolgt durch Kapillarstrukturen im Inneren des Wärme rohres.In a heat pipe, a working material in a ver evaporated section by the application of heat and flows over a transport zone to a condensation area, in which the working substance is given up on delivery of the previously condensed heat of vaporization again. The through this Pressure gradients caused by gas flow can be velocities reach that in the range of the speed of sound of the Ar lie gas. The return of the condensed liquid speed occurs through capillary structures inside the heat pipe.

Durch die Benutzung von Kapillarkräften ist das Wärmerohr un abhängig von jedem äußeren mechanischen oder elektrischen An trieb, hat keine beweglichen Teile und dementsprechend eine sehr hohe Lebensdauer.By using capillary forces, the heat pipe is un depending on any external mechanical or electrical type driven, has no moving parts and accordingly one very long life.

Aus der JP 61 223 204 A ist eine Strömungsmaschine nach dem Ober begriff des Patentanspruches 1 bekannt. In dieser Strömungsma schine wird ein einziger Arbeitsstoff verwendet, der in der Rück führungsvorrichtung kondensiert wird.From JP 61 223 204 A is a turbomachine according to the upper Concept of claim 1 known. In this flow measure a single working material is used in the rear guide device is condensed.

Aus der DE 29 27 636 A1 ist eine Strömungsmaschine bekannt, die in einem Kraftfahrzeug als Antriebseinheit eingesetzt werden soll.From DE 29 27 636 A1 a turbomachine is known, which in a motor vehicle is to be used as a drive unit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren unter Ausnutzung des Wirkungsprinzips eines Wärmerohres zu verwirklichen, um aus Wärmeenergie allgemein, besondere jedoch aus Wärmeenergie niedriger Wertigkeit und Temperatur, sowie aus dem Potential der Umgebungswärmeener gie, die Erzeugung von mechanischer Energie wirtschaftlich und umweltfreundlich zu ermöglichen und eine Verwendung für eine solche Vorrichtung anzugeben, wobei die Vorrichtung von einfacher Bauart sein soll.The invention has for its object a device and a method using the principle of action of a To realize the heat pipe, in general from thermal energy, special, however, from thermal energy of low value and Temperature, as well as from the potential of the ambient heat gie, the generation of mechanical energy economically and environmentally friendly to enable and use for to specify such a device, the device of should be of simple construction.

Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 24, Verwendungen nach den Ansprüchen 26 bis 31, gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a fluid machine according to claim 1, a method according to claim 24, uses according to the Claims 26 to 31, solved. Developments of the invention are specified in the subclaims.

Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile liegen in der Mög lichkeit, mechanische Energie aus Wärmeenergie beliebiger Art wirtschaftlich und umweltfreundlich zu erzeugen. Insbesondere kann mit der Neuerung Wärmeenergie niedriger Temperatur und Wertigkeit, auch mit geringsten Temperaturdifferenzen, sowie Umgebungswärmeenergie, vorteilhaft in mechanische Energie umgewandelt werden. Da bei der erfindungsgemäßen Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie die dem energielie fernden Medium entzogene Wärmeenergie nach Nutzung früher oder später der Natur meist als Wärmeenergie wieder zufließt, ist die Energiebilanz insgesamt nahezu neutral, ohne einer nennenswerten Abgabe von Abfallswärme oder anderer schädli cher Substanzen in die Atmosphäre. Einen weiteren wesentli chen Vorteil gegenüber bisherigen Verfahren bildet die Tatsa che, daß zur Energieumwandlung eine gegebene Temperaturdiffe renz bzw. eine Wärmesenke, zwar von Vorteil ist, jedoch zum Betrieb des erfindungsgemäßen Kreisprozesses nicht zwingend erforderlich ist, da die Kompensation vom Kreislauf selbst bewerkstelligt werden kann.The advantages associated with the invention lie in the possibility mechanical energy from thermal energy of any kind to produce economically and environmentally friendly. Especially can with the innovation thermal energy low temperature and Value, even with the slightest temperature differences, as well Ambient thermal energy, advantageous in mechanical energy being transformed. Since in the conversion according to the invention from thermal energy to mechanical energy removed heat energy after use earlier or later mostly flows back into nature as heat energy, the overall energy balance is almost neutral, without one significant release of waste heat or other harmful substances into the atmosphere. Another essential The fact that the procedure is an advantage over previous processes is che that a given temperature difference for energy conversion renz or a heat sink, is an advantage, but for Operation of the cycle according to the invention is not mandatory is necessary because the compensation from the circuit itself can be accomplished.

Weitere Vorteile der Neuerung sind die Einsparung von be grenzt vorhandener Primärenergie, sowie die ungefährliche Art der Energieumwandlung.Further advantages of the innovation are the saving of be limits existing primary energy, as well as the harmless nature of energy conversion.

Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Es zeigen:The following is a description of exemplary embodiments based on the figures. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausfüh rungsform der Erfindung mit einer Axial-Turbine und Rückführung des flüssigen internen Arbeits stoffs vom Kondensator zum Verdampfer mittels einer Kapillarschicht, Fig. 1 is a schematic representation of a first exporting approximately of the invention with an axial turbine and returning the liquid internal working substance from the condenser to the evaporator by means of a wicking layer,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Radial- Turbine und Rückführung des flüssigen, internen Arbeitsstoffes vom Kondensator zum Verdampfer durch eine Pumpe, Fig. 2 is a schematic representation of a further embodiment of the invention having a radial turbine and returning the liquid, internal agent from the condenser to the evaporator by a pump,

Fig. 3 einen Querschnitt der Radialturbine der in Fig. 2 und Fig. 4 dargestellten Ausführungsformen, und Fig. 3 shows a cross-section of the radial turbine of the embodiments shown in Fig. 2 and Fig. 4, and

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Aus führungsform der Erfindung mit einer Radial-Tur bine und Rückführung des flüssigen, internen Ar beitsstoffes vom Kondensator zum Verdampfer durch eine Kapillarstruktur. Fig. 4 is a schematic representation of a further embodiment of the invention with a radial turbine and recycling of the liquid, internal Ar beitsstoffes from the condenser to the evaporator through a capillary structure.

Mit Bezug auf Fig. 1 wird nun eine Ausführungsform einer Strömungsmaschine zur Erzeugung mechanischer Arbeit aus Wär meenergie beschrieben. With reference to FIG. 1, an embodiment of a turbomachine for generating mechanical work from thermal energy is now described.

Die Strömungsmaschine in der in Fig. 1 gezeigten Ausfüh rungsform weist einen geschlossenen Arbeitsraum 6 in Form eines an beiden Enden durch eine erste und eine zweite Sei tenwand 6a, 6b abgeschlossenen Hohlzylinders mit quadrati schem, rechteckigem oder kreisförmigem Querschnitt auf.The turbomachine in the embodiment shown in FIG. 1 has a closed working space 6 in the form of a hollow cylinder closed at both ends by a first and a second side wall 6 a, 6 b with a square, rectangular or circular cross section.

In diesem geschlossenen Arbeitsraum ist ein erster Abschnitt als Verdampfungsabschnitt 1 im Bereich der ersten Seitenwand 6a an einem ersten Ende des Hohlzylinders vorgesehen. Diesem Verdampfungsabschnitt 1 gegenüberliegend ist ein Kondensa tionsabschnitt 3 im Bereich einer zweiten Seitenwand 6b an einem zweiten Ende des Hohlzylinders vorgesehen. Zwischen dem Verdampfungsabschnitt 1 und dem Kondensationsabschnitt 3 be findet sich ein Transportabschnitt 2. Entlang der Innenseite des Mantels 6c des Hohlzylinders sind zwischen dem Kondensa tionsabschnitt 3 und dem Verdampfungsabschnitt 1 Kapillar strukturen 4 angeordnet, die den Verdampfungsabschnitt 1 und den Kondensationsabschnitt 3 miteinander verbinden. Im Inne ren des geschlossenen Arbeitsraums befindet sich ein interner Arbeitsstoff.In this closed work space, a first section is provided as an evaporation section 1 in the region of the first side wall 6 a at a first end of the hollow cylinder. This vaporizing section 1 is opposite a Kondensa tion section 3 in the area of a second side wall 6 b provided on a second end of the hollow cylinder. Between the evaporation section 1 and the condensation section 3 there is a transport section 2 . Along the inside of the jacket 6 c of the hollow cylinder between the condensation section 3 and the evaporation section 1 capillary structures 4 are arranged, which connect the evaporation section 1 and the condensation section 3 with each other. There is an internal working material inside the closed work area.

Entlang des Mantels 6c des Hohlzylinders bzw. diesen um schließend und im Bereich des Kondensationsabschnitts 3 und des Verdampfungsabschnitts 1 sind außerhalb des geschlossenen Arbeitsraums Wärmetauscher 10a und 10b angeordnet, die mit dem Kondensationsabschnitt 3 bzw. dem Verdampfungsabschnitt 1 thermisch gekoppelt sind.Along the jacket 6 c of the hollow cylinder or this to close and in the area of the condensation section 3 and the evaporation section 1 , heat exchangers 10 a and 10 b are arranged outside the closed working space, which are thermally coupled to the condensation section 3 and the evaporation section 1, respectively.

In dem abgeschlossenen Arbeitsraum 6 zirkuliert der interne Arbeitsstoff, wodurch ein erster Kreislauf der Vorrichtung gebildet wird.The internal working material circulates in the closed working space 6 , whereby a first circuit of the device is formed.

In diesen Merkmalen gleicht die Vorrichtung einem Wärmerohr und weist damit auch dessen Eigenschaften auf.In these features, the device resembles a heat pipe and thus also has its properties.

Im Transportbereich 2 ist eine Axialturbine bzw. Schrauben turbine als Arbeitsturbine 5 vorgesehen, deren Rotationsachse koaxial zur Zylinderachse verläuft. In the transport area 2 , an axial turbine or screw turbine is provided as the working turbine 5 , the axis of rotation of which runs coaxially with the cylinder axis.

Die Arbeitsturbine 5, die eine Umwandlungseinrichtung zur Umwandlung kinetischer Energie in mechanische Arbeit dar stellt, ist auf einer Antriebsachse 7, die entlang der Rota tionsachse der Arbeitsturbine 5 verläuft, befestigt. Diese Antriebsachse 7 ist im Inneren des geschlossenen Arbeitsraums 6 drehbar gelagert und über eine Magnetkupplung 8 mit einem außerhalb des geschlossenen Arbeitsraums 6 angeordneten Elek trogenerator 9 verbunden. Dabei stellt die Magnetkupplung 8 eine Übertragungsvorrichtung zur Übertragung der durch die Umwandlung von Wärmeenergie erzeugten mechanischen Arbeit dar, während der Generator 9 einen Nutzer der mechanischen Energie darstellt.The power turbine 5 , which is a conversion device for converting kinetic energy into mechanical work, is attached to a drive axis 7 , which runs along the axis of rotation of the power turbine 5 . This drive shaft 7 is rotatably supported in the interior of the closed work space 6 and connected via a magnetic coupling 8 to an electric generator 9 arranged outside the closed work space 6 . The magnetic coupling 8 represents a transmission device for transmitting the mechanical work generated by the conversion of thermal energy, while the generator 9 represents a user of the mechanical energy.

Zur Rückführung der im Kondensationsabschnitt 3 freiwerdenden Wärme in dem Verdampfungsabschnitt 1 ist ein zweiter Kreis lauf vorgesehen. Im Bereich des Verdampfungsabschnitts 1 ist entlang des Mantels 6c des Hohlzylinders und außerhalb des geschlossenen Arbeitsraums 6 ein Kondensator 12 vorgesehen, der über den Mantel mit dem Verdampfungsabschnitt 1 thermisch gekoppelt ist. Ferner ist im Bereich des Kondensationsab schnitts 3 entlang des Mantels 6c des Hohlzylinders und außerhalb des geschlossenen Arbeitsraums 6 ein Verdampfer 11 vorgesehen, der über dem Mantel mit dem Kondensationsab schnitt 3 thermisch gekoppelt ist.To return the heat released in the condensation section 3 in the evaporation section 1 , a second circuit is provided. In the area of the evaporation section 1 , a condenser 12 is provided along the jacket 6 c of the hollow cylinder and outside the closed working space 6 , which is thermally coupled to the evaporation section 1 via the jacket. Furthermore, an evaporator 11 is provided in the area of the condensation section 3 along the jacket 6 c of the hollow cylinder and outside the closed working space 6 , which is thermally coupled to the section 3 with the condensation section 3 .

Ferner ist zusätzlich außerhalb des geschlossenen Arbeits raums 6 ein Verdichter 13 und ein Drosselorgan 14 vorgesehen. Dabei ist der Verdampfer 11 mit seinem Eingang mit einem Aus gang des Drosselorgans 14 verbunden. Der Verdichter 13 ist mit seinem Ausgang mit einem Eingang des Kondensators 12 ver bunden. Der Kondensator 12 ist mit seinem Ausgang mit einem Eingang des Drosselorgans 14 verbunden.Furthermore, a compressor 13 and a throttle element 14 is additionally provided outside the closed working space 6 . The evaporator 11 is connected with its input to an output from the throttle member 14 . The compressor 13 is connected with its output to an input of the capacitor 12 connected. The output of capacitor 12 is connected to an input of throttle element 14 .

Der Verdampfer 11, Verdichter 13, Kondensator 12 und das Drosselorgan 14 bilden eine Wärmerückführeinrichtung, die in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform als Wärmepumpe ausge staltet ist. Mit dieser Art der Wärmerückführung wird erreicht, daß der Aufwand an mechanischer Energie für die Rückführung nur ein Bruchteil beträgt, gegenüber einem System, bei welchem der gasförmige Arbeitsstoff zur Temperaturanhebung und Temperaturabsenkung lediglich verdichtet und entspannt würde. In dieser Wärmepumpe wird ein externer Arbeitsstoff zirkuliert.The evaporator 11 , the compressor 13 , the condenser 12 and the throttle element 14 form a heat recirculation device which is designed as a heat pump in the embodiment shown in FIG. 1. With this type of heat recovery, it is achieved that the expenditure of mechanical energy for the return is only a fraction, compared to a system in which the gaseous working substance would only be compressed and relaxed for raising and lowering the temperature. An external working fluid is circulated in this heat pump.

Im Betrieb wird in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Strömungsmaschine zur Erzeugung mechanischer Arbeit aus Wärmeenergie dem Verdampfungsabschnitts im Innern des ge schlossenen Arbeitsraums 6 über den Wärmetauscher 10b äußere Wärmeenergie zugeführt. Durch das Zuführen äußerer Wärmeener gie wird der interne Arbeitsstoff verdampft. Der verdampfte Arbeitsstoff strömt mit hoher Geschwindigkeit durch den Transportbereich 2, in dem sich die Arbeitsturbine 5 befindet, zum Kondensationsabschnitt 3.In operation, the turbomachine is supplied to the evaporation portion in the interior of ge closed working chamber 6 via the heat exchanger 10 b of external heat energy to generate mechanical work from heat energy as shown in Fig. 1 embodiment. The internal working fluid is evaporated by the supply of external heat energy. The evaporated working material flows at high speed through the transport area 2 , in which the working turbine 5 is located, to the condensation section 3 .

Durch das Überströmen der Arbeitsturbine 5 durch den dampf förmigen internen Arbeitsstoff wird die in Form von Volumen ausdehnarbeit erhaltene kinetische Energie des strömenden Ar beitsstoffs in mechanische Arbeit umgewandelt, indem die Ar beitsturbine 5 in Rotation versetzt wird. Durch die Rotation der Arbeitsturbine 5 wird die so gewonnene mechanische Arbeit über die an der Antriebsachse 7 befestigte Magnetkupplung 8 an den Generator 9 abgeführt.By overflowing the working turbine 5 by the vaporous internal working substance, the kinetic energy of the flowing working fluid obtained in the form of volume expansion work is converted into mechanical work by setting the working turbine 5 into rotation. Due to the rotation of the working turbine 5 , the mechanical work thus obtained is carried away to the generator 9 via the magnetic coupling 8 attached to the drive shaft 7 .

Der interne Arbeitsstoff wird nach dem Überströmen der Ar beitsturbine 5 im Kondensationsbereich 3 kondensiert und an schließend über die Kapillarstruktur 4, die beispielsweise als mehrlagiges Metallnetz ausgestaltet ist, entlang der Längswände durch die kapillaren Saugkräfte bzw. den Kapil lardruck zurück in den Verdampfungsbereich geführt. Die bei der Kondensation entstehende Kondensationswärme kann bei Be darf ganz oder teilweise durch den Wärmetauscher 10b an ein kühlendes Medium, z. B. die Außenluft abgegeben werden.The internal working fluid is condensed after overflowing the Ar beitsturbine 5 in the condensation area 3 and then finally via the capillary structure 4 , which is designed, for example, as a multilayer metal network, is guided along the longitudinal walls by the capillary suction forces or the capillary pressure back into the evaporation area. The heat of condensation generated during the condensation can be completely or partially by the heat exchanger 10 b to a cooling medium, for. B. the outside air is released.

Die bei der Kondensation des internen Arbeitsstoffs in Kon densationsabschnitt 3 frei werdende Kondensationswärme wird vorzugsweise über die thermische Kopplung des Verdampfers 11 mit dem Kondensationsabschnitt 3 dem Verdampfer 11 zugeführt. Dadurch wird im Verdampfer 11 ein externer Arbeitsstoff ver dampft. Dieser verdampfte externe Arbeitsstoff wird im Ver dichter 13 zum Erreichen eines vorbestimmten Kondensations drucks und einer vorbestimmten Kondensationstemperatur kom primiert. Der so komprimierte externe Arbeitsstoff wird dem Kondensator 12 zugeführt, in dem der komprimierte externe Arbeitsstoff rekondensiert wird. Die dabei frei werdende Kon densationswärme des externen Arbeitsstoffs, die zumindest teilweise der Kondensationswärme des internen Arbeitsstoffs entstammt, wird über die thermische Kopplung durch den Mantel 6c im Bereich des Verdampfungsabschnitts 1 dem Verdampfungs abschnitt 1 zur Unterstützung der Verdampfung des internen Arbeitsstoffs rückgeführt.The condensation heat released in the condensation of the internal working substance in the condensation section 3 is preferably supplied to the evaporator 11 via the thermal coupling of the evaporator 11 with the condensation section 3 . As a result, an external working substance is evaporated in the evaporator 11 . This vaporized external working fluid is compressed in the compressor 13 to achieve a predetermined condensation pressure and a predetermined condensation temperature. The external working material compressed in this way is fed to the condenser 12 , in which the compressed external working material is recondensed. The thus released Kon densationswärme the external working material, which at least partially originates from the condensation heat of the internal working material, is c via the thermal coupling through the shell 6 in the region of the evaporation section 1 the evaporation section 1 to support the evaporation returned the internal working material.

Anschließend wird der externe Arbeitsstoff über ein Drossel organ 14 zum Verdampfer 11 zurückgeführt. Dabei dient das Drosselorgan 14 der Entspannung des kondensierten Arbeits stoffs auf den Verdampfungsdruck, bzw. als Flußwiderstand zur Aufrechterhaltung des Kondensationsdrucks im Kondensator 12. Gegebenenfalls kann auf das Drosselorgan 14 verzichtet werden oder die gewünschte Drosselwirkung, bzw. Entspannungswirkung durch eine geeignete Ausgestaltung der Verbindung zwischen Verdampfer 11 und Kondensator 12, z. B. durch eine Rohrleitung mit geeignetem Durchmesser erzielt werden.Then the external working fluid is returned to the evaporator 11 via a throttle organ 14 . The throttle element 14 serves to relax the condensed working substance to the evaporation pressure or as a flow resistance to maintain the condensation pressure in the condenser 12 . If necessary, the throttle element 14 can be dispensed with or the desired throttling effect or relaxation effect can be achieved by a suitable configuration of the connection between the evaporator 11 and the condenser 12 , e.g. B. can be achieved by a pipe with a suitable diameter.

Beispielsweise können als interner und als externer Arbeits stoff das Arbeitsmittel R134a (Tetraflourethan) verwendet werden. Die flüssige R134a kann z. B. bei 0°C durch die Zufuhr externer Wärmeenergie verdampft werden, dadurch ergibt sich eine Volumenzunahme von beispielsweise 0.77 dm³/kg auf 69 dm³/kg bei einem Druck von ca. 2,9 10⁵ Pa (2,9 bar).For example, as internal and as external work used the working fluid R134a (tetrafluoroethane) will. The liquid R134a can e.g. B. at 0 ° C by the supply external heat energy are evaporated, this results in a volume increase of, for example, 0.77 dm³ / kg to 69 dm³ / kg at a pressure of approx. 2.9 10⁵ Pa (2.9 bar).

Dabei wird der im Verdampfer 11 verdampfte externe Arbeits stoff (R134a) im Verdichter 13 um ca. 0.6 bar verdichtet. Dies verursacht eine Temperaturerhöhung um ca. 7K und bezogen auf die Sättigungstemperatur um ca. 5K.The external working material (R134a) evaporated in the evaporator 11 is compressed in the compressor 13 by approximately 0.6 bar. This causes a temperature increase of approx. 7K and based on the saturation temperature of approx. 5K.

Beim Überströmen der Arbeitsturbine 5 durch den internen Ar beitsstoff trägt die freie Durchtrittsfläche der Turbine 5 dazu bei, daß ein ungehindertes Hochfahren des Kreislaufs in der Anfangsphase eintreten kann. Die Regelung der Rotations geschwindigkeit der Turbine 5 erfolgt beispielsweise durch regelbare bzw. verstellbare Turbinenleitschaufeln oder Tur binenlaufschaufeln. Dabei dient das entsprechend dem Wir kungsgrad η der Turbine 5 verbleibende und nicht umgesetzte Energievolumen der Aufrechterhaltung des Kreislaufs.When overflowing the working turbine 5 by the internal Ar beitsstoff the free passage surface of the turbine 5 contributes to the fact that an unimpeded start-up of the circuit can occur in the initial phase. The rotation speed of the turbine 5 is regulated, for example, by adjustable or adjustable turbine guide vanes or turbine blades. The remaining and unconverted energy volume corresponding to the degree of efficiency η of the turbine 5 serves to maintain the circuit.

Der Antrieb des Verdichters 13 kann ganz oder teilweise aus der von der Turbine 5 gewonnenen Arbeit, z. B. über den Gene rator 9, erfolgen oder alternativ durch äußere Quellen, z. B. über eine Netzversorgung.The drive of the compressor 13 can be wholly or partly from the work obtained by the turbine 5 , for. B. on the gene rator 9 , or alternatively by external sources, for. B. via a mains supply.

In Fig. 1 ist eine erstes Ausführungsbeispiel einer Strö mungsmaschine mit einer Axialturbine 5 dargestellt, während die Rückführvorrichtung eine Kapillarstruktur 8 ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß bei einer solchen Anordnung die Rückführvorrichtung auch als Kondensatpumpe ausgebildet sein kann, die sich dann jedoch außerhalb des geschlossenen Arbeitsraums 6 befindet. Da Axialturbinen aus Gründen der besseren Energieumsetzung häufig zur Umsetzung hoher Leistun gen verwendet werden, wird eine Strömungsmaschine, bei der die Umwandlungseinheit als Axialturbine ausgestaltet ist, be vorzugterweise mit einer Kondensatpumpe als Rückführeinrich tung betrieben, wenn zu befürchten ist, daß die Rückführkapa zität der Kapillarstruktur bzw. Kapillarschicht zum Erreichen der gewünschten Leistung nicht ausreichend groß ist. Dagegen werden Radialturbinen bevorzugterweise zur Umsetzung kleine rer Leistungen eingesetzt, sie erzeugen jedoch eine größere Druckdifferenz, so daß sich der Einsatz von Kapillarstruktu ren bzw. -schichten vorteilhaft anbietet.In Fig. 1, a first embodiment of a flow machine with an axial turbine 5 is shown, while the feedback device is a capillary structure 8 . However, it should be pointed out that with such an arrangement, the return device can also be designed as a condensate pump, which is then however located outside the closed working space 6 . Since axial turbines are often used to implement high powers for reasons of better energy conversion, a turbomachine in which the conversion unit is designed as an axial turbine is preferably operated with a condensate pump as a return device if there is reason to fear that the return capacity of the capillary structure or capillary layer is not sufficiently large to achieve the desired performance. In contrast, radial turbines are preferably used to implement small power, but they generate a larger pressure difference, so that the use of capillary structures or layers is advantageous.

Als internes, wie externes Arbeitsmittel ist jeder Stoff ge eignet, unter der Voraussetzung, daß der Arbeitsstoff im Ar beitstemperaturbereich seinen Aggregatzustand von der flüssi gen Phase in die dampfförmige Phase und umgekehrt, zu ändern in der Lage ist, d. h. deren Schmelzpunkt unterhalb und deren kritische Temperatur oberhalb der möglichen Arbeitstemperatur liegt. Every material is suitable as internal and external work equipment is suitable, provided that the substance in the Ar at the working temperature range its physical state from the liquid phase to the vapor phase and vice versa is able to H. their melting point below and their critical temperature above the possible working temperature lies.

Je nach Temperatur- und Druckniveau können beispielsweise Ar beitsstoffe eingesetzt werden, wie sie in der Kältetechnik oder bei Wärmerohren bekannt sind, wie Ammoniak, Propane, Butane, FCKW, HFCKW, FKW, HFKW, CO₂, SO₂, u. a., aber auch Wasser und Alkohole, sowie azeotrope Gemische, ferner als Hochtemperaturarbeitsstoff niedrigschmelzende Metalle wie zum Beispiel K, Na, Li, Hg, Pb.Depending on the temperature and pressure level, Ar be used as in refrigeration or are known in heat pipes, such as ammonia, propanes, Butanes, CFCs, HCFCs, CFCs, HFCs, CO₂, SO₂, and. a., but also Water and alcohols, as well as azeotropic mixtures, further as High-temperature working materials, low-melting metals such as Example K, Na, Li, Hg, Pb.

Als Kapillarschichten für den Flüssigkeitsrücktransport vom Kondensations- zum Verdampfungsbereich können solche einge setzt werden, wie sie z. B. bei Wärmerohren bekannt sind, bei spielsweise Filz, Metallnetze, Wandnuten -rillen, Gewindege füge, längs ausgerichtete Metallwhiskers, Stahlwolle, u. a..As capillary layers for the liquid return from Condensation to the evaporation area can be such be set as they are e.g. B. are known for heat pipes, at for example felt, metal nets, wall grooves, grooves, threads join, longitudinally aligned metal whiskers, steel wool, u. a ..

Um bei der Kapillarstruktur eine hohe Wirkung zu erzielen, wird als weitere Ausbildung in Arbeitsstellung der Vorrich tung der Verdampfungsabschnitt 1 oben und der Kondensations abschnitt 3 unten angeordnet, so daß der Flüssigkeitsrück transport neben dem Kapillardruck zusätzlich durch die Schwerkraft unterstützt wird. Gegebenenfalls kann die Schwer kraft sogar zum alleinigen Rücktransport der Arbeitsflüssig keit ausreichen.In order to achieve a high effect in the capillary structure, the evaporation section 1 above and the condensation section 3 below are arranged as further training in the working position of the device, so that the liquid return transport is additionally supported by gravity in addition to the capillary pressure. If necessary, the force of gravity can even be sufficient to return the working fluid alone.

Ferner können für den Flüssigkeitsrücktransport vorteilhaft eine Kapillarstruktur 4 und/oder eine Flüssigkeitspumpe 15 angeordnet werden, wobei bei niedrigen Druckunterschieden die Kapillarschicht und bei höheren Druckunterschieden die Pumpe wirksam sein kann. Dabei ist bei höheren Druckunterschieden, soweit erforderlich, eine Rückfließsperre in der Kapillar schicht vorgesehen oder es wird vollständig auf die Kapillar schicht 4 verzichtet.Furthermore, a capillary structure 4 and / or a liquid pump 15 can advantageously be arranged for the liquid return transport, wherein the capillary layer can be effective at low pressure differences and the pump can be effective at higher pressure differences. At higher pressure differences, if necessary, a non-return valve is provided in the capillary layer or the capillary layer 4 is completely dispensed with.

Durch den äußeren Wärmerückführkreislauf (11, 12, 13, 14) wird die Aufrechterhaltung des internen Kreislaufs zur Energieer zeugung durch die Rückführung der Kondensationswärme auch bei geringsten Temperaturdifferenzen gewährleistet. Neben übli chen Wärmequellen, wie z. B. Abwärme, können auch natürliche Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Medien genutzt werden, z. B. Luft-Wasser, Luft-Erdreich etc. Wie beim Wärme rohr, bei dem der Wärmestrom umkehrbar ist, ist auch in der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine die Energieerzeugung trotz einer z. B. jahres- bzw. tageszeitlich bedingten Umkehr des Temperaturgradienten weiter möglich. Wird die Strömungs maschine mit einer Wärmerückführvorrichtung und/oder mit einer äußeren Kondensatrückführung betrieben, so ist deren Zirkulationsrichtung selbstverständlich dem entsprechenden Temperaturgradienten anzupassen.The external heat recirculation circuit ( 11 , 12 , 13 , 14 ) ensures that the internal circuit for generating energy is maintained by recycling the heat of condensation even with the smallest temperature differences. In addition to übli chen heat sources such. B. waste heat, natural temperature differences between different media can be used, for. As air-water, air-soil, etc. As with the heat pipe, in which the heat flow is reversible, the energy generation in spite of a z. B. annual or daily reversal of the temperature gradient is still possible. If the flow machine is operated with a heat recirculation device and / or with an external condensate return, its direction of circulation must of course be adapted to the corresponding temperature gradient.

Bei der Verdampfung im Verdampfungsabschnitt 1 dehnt sich der interne Arbeitsstoff entsprechend den spezifischen Volumina des flüssigen und dampfförmigen Aggregatzustandes aus, zum Beispiel bei R134a (bei 0°C) um das ca. 90-fache, bei Am moniak (bei minus 5°C) um das ca. 225-fache, bei Wasser (bei 100°C) um das ca. 1600-fache Volumen.During evaporation in evaporation section 1 , the internal working substance expands according to the specific volumes of the liquid and vaporous state of matter, for example with R134a (at 0 ° C) by approx. 90 times, with ammonia (at minus 5 ° C) about 225 times, with water (at 100 ° C) about 1600 times the volume.

Die bei der Verdampfung im Verdampfungsabschnitt 1 wirkende Volumenvergrößerung erfolgt über die Volumenausdehnungsarbeit und entspricht der äußeren Verdampfungswärme. Da sich der Verdampfungsvorgang zusammensetzt aus der inneren Ver dampfungswärme, die zur Überwindung der molekularen Anzie hungskräfte notwendig ist und der äußeren Verdampfungswärme, welche die bei der Volumenvergrößerung geleistete Arbeit ver richtet, bildet die äußere Verdampfungswärme die beim Ver dampfungsprozeß entstehende Volumenausdehnungsarbeit, die in Verbindung mit den weiteren Verfahrensschritten, das nutz bringend anwendbare Energiepotential darstellt.The increase in volume during evaporation in the evaporation section 1 takes place via the volume expansion work and corresponds to the external heat of evaporation. Since the evaporation process is composed of the internal heat of evaporation, which is necessary to overcome the molecular attraction forces, and the external heat of vaporization, which does the work done in increasing the volume, the external heat of vaporization forms the volume expansion work that occurs during the evaporation process, which in conjunction with the further process steps, which represents the usable, applicable energy potential.

Die bei der Verdampfung geleistete Volumenausdehnungsarbeit beträgt: "Druck mal Differenz aus spezifischem Volumen des Dampfes und der Flüssigkeit" und ist bei allen hier in Frage kommenden Arbeitsstoffen wesentlich kleiner als das Energie volumen der inneren Verdampfungswärme. Bezogen auf die Ge samtverdampfungswärme beträgt die äußere Verdampfungsarbeit je nach Medium und Arbeitsbereich ca. 9% bis 13%. Analog hierzu erfolgt bei der Kondensation des Arbeitsstoffes im Kondensationsbereich 3, und gegebenenfalls bereits teilweise am Ausgang der Turbine 5, die etwa gleiche Volumenverkleine rungsarbeit. The volume expansion work performed in the evaporation is: "pressure times the difference between the specific volume of the vapor and the liquid" and is much smaller than the energy volume of the internal heat of evaporation for all working materials in question here. Based on the total heat of evaporation, the external work of evaporation is approx. 9% to 13% depending on the medium and work area. Analogously, in the condensation of the working substance in the condensation area 3 , and possibly already partially at the outlet of the turbine 5 , the approximately same volume reduction work.

In der Arbeitsturbine 5 wird entsprechend deren Wirkungs grades die kinetische Energie des Arbeitsstoffes in Rotati onsenergie umgewandelt, wobei am Turbinenausgang der Ar beitsstoff bereits teils kondensieren kann. Um dabei einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, wird eine hohe Arbeits dampfgeschwindigkeit angestrebt, beispielsweise durch Ver wendung von Arbeitsstoffen mit geringerer Verdampfungswärme und hohem Dampfvolumen, da bei steigender Mediengeschwin digkeit das Energievolumen im Gegensatz zum Druck exponen tiell steigt. Die durch eine Strömung an einem Körper er brachte Leistung P kann durch die sogenannte Windformel ab geschätzt werden, dabei giltIn the power turbine 5 , the kinetic energy of the working substance is converted to onenergy in accordance with the degree of effectiveness thereof, the working substance already being able to condense at the turbine outlet. In order to achieve a high degree of efficiency, a high working steam speed is aimed for, for example by using materials with lower heat of vaporization and high steam volume, since the volume of energy increases exponentially in contrast to pressure as the media speed increases. The power P brought about by a flow on a body can be estimated from the so-called wind formula

P = 1/2 c A D v³,P = 1/2 c A D v³,

wobei c den spezifischen Strömungswiderstandsbeiwert dar stellt, D ist die Dichte des strömenden Mediums in kg/m³, A die größte der Strömung entgegenstehende Querschnittsfläche des Körpers in m² und v die Relativgeschwindigkeit zwischen Körper und Medium in m/s.where c is the specific drag coefficient represents, D is the density of the flowing medium in kg / m³, A the largest cross-sectional area opposing the flow of the body in m² and v the relative speed between Body and medium in m / s.

Die Komprimierung des äußeren Arbeitsmittels im Verdichter 13 erfolgt um einen möglichst begrenzten Betrag, daraus resul tiert für diesen Teilprozeß eine sehr hohe Carnotsche Lei stungszahl ε. Beispielsweise ergibt sich bei einer Arbeits stoffverdichtung, welche eine Temperaturerhöhung von T1 = 5°C auf T2 = 10°C bewirkt:
ε = T2/(T2-T1) = 278K/(278K - 273K) = 55,6.The compression of the external working medium in the compressor 13 takes place by an amount which is as limited as possible, resulting in a very high Carnot power rating ε for this sub-process. For example, with a work material compression, which causes an increase in temperature from T1 = 5 ° C to T2 = 10 ° C:
ε = T2 / (T2-T1) = 278K / (278K - 273K) = 55.6.

Dem Kreisprozeß steht dadurch eine 55,6-fache Wärmeenergie für den interne Verdampfungsvorgang zur Verfügung, als bei der Arbeitsstoffverdichtung im Verdichter 13 an mechanischer Arbeit verbraucht wurde.As a result, the cycle process has 55.6 times the thermal energy available for the internal evaporation process when mechanical work was consumed in the compression of the working medium in the compressor 13 .

Dieser Teilprozeß bietet somit die Möglichkeit, mit äußerst geringfügigem Energieaufwand, nämlich bezogen auf das Ver dampfungswärmepotential, mit ca. 1/55,6 = 1,8% an mechani scher Energie, die im Kondensationsabschnitt 3 anfallende Kondensationswärmeenergie, welche ansonsten in die Umwelt entweichen würde, in den Kreisprozeß zurückzuführen und zu sammen mit der von außen über den Wärmetauscher 10b zugeführ ten Wärmeenergie den Verdampfungsprozeß im Verdampfungsab schnitt 1 zu betreiben.This sub-process thus offers the possibility of extremely low energy consumption, namely based on the Ver vampfungswärmepotential, with about 1 / 55.6 = 1.8% of mechanical energy, the accumulating in the condensation section 3 condensation heat energy, which otherwise escape into the environment would be attributed to the cyclic process and together with the heat energy supplied from the outside via the heat exchanger 10 b th operating the evaporation process in the section 1 Verdampfungsab.

Bei Gegenüberstellung der erzielbaren mechanischen Energie aus dem dampfförmigen internen Arbeitsstoff, mit der für die Aufrechterhaltung des Kreislaufs benötigten kinetischen Ener gie, wie die Antriebsenergie für den Verdichter 13 und gege benenfalls der Antrieb für die Kondensatpumpe 15 zeigt, daß bei hoher Leistungszahl ein bedeutender interner Energieüber hang erreicht werden kann. Beträgt beispielsweise die Volu menausdehnungsarbeit, wie bereits genannt, 12% der Ver dampfungsarbeit und die Leistungszahl der Verdichtung des externen Arbeitsstoffes, wie ebenfalls an einem Beispiel ge zeigt, ca. 55, so ergibt sich ein interner Energieüberschuß faktor für diesen Teilprozeß von: 55 × 0.12 = 6,6 (ohne Ver luste).When the achievable mechanical energy from the vaporous internal working substance is compared, with the kinetic energy required to maintain the circuit, such as the drive energy for the compressor 13 and, if appropriate, the drive for the condensate pump 15, shows that a significant internal energy is involved at a high coefficient of performance slope can be reached. If, for example, the volume expansion work, as already mentioned, is 12% of the evaporation work and the coefficient of performance of the compression of the external working material, as is also shown in an example, is approx. 55, the internal energy excess factor for this sub-process is: 55 × 0.12 = 6.6 (without losses).

Unter Berücksichtigung leistungsmindernder Faktoren, wie zum Beispiel Reibung, Wärmeverluste, Wirkungsgradverlust der Ar beitsturbine, Energiebedarf für die Kondensatpumpe, sofern anstatt der bereits genannten Kapillarstruktur für den Rück transport des Kondensats eine Flüssigkeitspumpe verwendet wird, besteht noch ein deutlicher Überschuß an Energie, wel che den erfinderischen Kreisprozeß mit der Abgabe von mecha nischer Arbeit nach außen sicherstellt.Taking into account performance reducing factors such as Example friction, heat loss, loss of efficiency of the ar beitsturbine, energy requirement for the condensate pump, if instead of the already mentioned capillary structure for the back used a liquid pump to transport the condensate there is still a clear excess of energy, wel che the inventive cycle with the donation of mecha outside work.

Selbst wenn die bei der externen Arbeitsmittelkomprimierung sich einstellende Leistungszahl als Folge von höherer Ver dichtung- bzw. Temperaturdifferenz weit absinkt, so daß bei spielsweise das Produkt aus Verdampfungswärmeenergie (ca. 9% bis 13%) und der Carnotschen Leistungszahl weniger als 1 er gibt, was einer Leistungszahl von zirka kleiner als 8 ent spricht, bzw. eine dazugehörende Temperaturerhöhung von bis zu ca. 35K bis 40K bedeuten würde (Verluste nicht berücksich tigt), so resultiert immer noch eine beträchtliche Energie einsparung zu eingangs genannten, herkömmlichen Verfahren. Der erfindungsgemäße Kreisprozeß ist daher besonders vorteil haft bei niedrigen Temperaturen und Temperaturdifferenzen sowie bei Energieentnahme aus der Umgebungswärme anzuwenden.Even if it is with external work equipment compression resulting coefficient of performance as a result of higher ver seal or temperature difference drops far, so that at for example the product of heat of vaporization (approx. 9% up to 13%) and Carnot's coefficient of performance less than 1 gives what a coefficient of performance of approximately less than 8 ent speaks, or an associated temperature increase of up to about 35K to 40K (losses not taken into account considerable energy still results Saving compared to the conventional processes mentioned at the beginning. The cycle process according to the invention is therefore particularly advantageous adheres to low temperatures and temperature differences as well as to be used when extracting energy from ambient heat.

Mit Bezug auf Fig. 2 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel der Strömungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung be schrieben. Im Weiteren werden für gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen verwendet und nur die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben.With reference to Fig. 2, a second embodiment of the fluid machine will now be written in accordance with the present invention. The same reference numerals are used for the same components and only the differences from the first embodiment are described.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel weist die Strö mungsmaschine im Transportbereich 2 eine Radialturbine 55 auf.In contrast to the first embodiment, the flow machine in the transport area 2 has a radial turbine 55 .

Dabei ist die Radialturbine so angeordnet, daß ihre Rota tionsachse senkrecht zur Strömungsrichtung des internen Ar beitsstoffes steht. Der Transportbereich 2, der den Ver dampfungsabschnitt 1 und den Kondensationsabschnitt 3 mit einander verbindet weist zur Aufnahme und Lagerung der Ra dialturbine 55 ein Radialturbinengehäuse 56 auf.The radial turbine is arranged so that its axis of rotation is perpendicular to the flow direction of the internal Ar beitsstoffes. The transport area 2 , which connects the vaporization section 1 and the condensation section 3 to one another, has a radial turbine housing 56 for receiving and mounting the Ra dialturbine 55 .

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch das Radialturbinenge häuse entlang der Linie V-V in Fig. 2. Das Radialturbinen gehäuse weist einen Einlaß 17, einen Umlaufkanal 20 und einen Auslaß 18 auf. Dabei ist der Einlaß mit dem Ver dampfungsabschnitt 1 und der Auslaß mit dem Kondensations abschnitt 3 verbunden. Im Radialturbinengehäuse 56 befindet sich die Radialturbine 55, die über eine Magnetkupplung 8 mit dem Generator 9 verbunden ist. Die Schaufelblätter 19 der Ra dialturbine 55 sind senkrecht zur Strömungsrichtung des ver dampften Arbeitsstoffes und befinden sich bei der Rotation der Radialturbine zumindest teilweise im Umlaufkanal. Fig. 3 shows a cross section through the radial turbine housing along the line VV in Fig. 2. The radial turbine housing has an inlet 17 , a circulation channel 20 and an outlet 18 . The inlet is connected to the vaporization section 1 and the outlet to the condensation section 3 . The radial turbine 55 is located in the radial turbine housing 56 and is connected to the generator 9 via a magnetic coupling 8 . The blades 19 of the Ra dialturbine 55 are perpendicular to the direction of flow of the evaporated working material and are at least partially in the circulation channel during the rotation of the radial turbine.

Ferner sind in dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungs beispiel keine Wärmetauscher 10a, 10b vorgesehen. Da Radial turbinen vorzugsweise für kleine Leistungen bei sehr kleinen Temperaturdifferenzen eingesetzt werden, kann die Zufuhr der externen Wärmeenergie direkt über den Kondensator 12 erfol gen, ohne daß dabei der Betrieb des Kondensators 12 beein trächtigt wird. Furthermore, in the second embodiment shown in FIG. 2, no heat exchangers 10 a, 10 b are provided, for example. Since radial turbines are preferably used for low power at very small temperature differences, the supply of external thermal energy can be carried out directly via the condenser 12 without affecting the operation of the condenser 12 .

Einen Engpaß der Energieumsetzung bildet der Wärmeübergang vom Arbeitsraum 6 nach außen und umgekehrt. Deshalb sollte die Wandung im Verdampfer- und Kondensationsbereich sehr dünn und für eine große Wärmeübergangsfläche berippt (Austausch rippen 16) sein, sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufwei sen, zum Beispiel Kupfer mit Silberoberfläche, dabei bietet die Silberoberfläche eine zusätzliche Korrosionsbeständig keit. Durch Verwendung von internen und externen Arbeitsstof fen mit möglichst gleichem Druckniveau, beispielsweise bzw. durch Verwendung des gleichen Arbeitsstoffes für beide Berei che, kann ein sehr dünne Wandung mit entsprechend gutem Wär medurchgang realisiert werden.The heat transfer from the work space 6 to the outside and vice versa forms a bottleneck in the energy conversion. Therefore, the wall in the evaporator and condensation area should be very thin and ribbed for a large heat transfer surface (replacement ribs 16 ), as well as high thermal conductivity, for example copper with a silver surface, while the silver surface offers additional corrosion resistance. By using internal and external working materials with the same possible pressure level, for example or by using the same working material for both areas, a very thin wall with a correspondingly good heat transfer can be realized.

Außerdem ist in diesem Ausführungsbeispiel die Rückführung des kondensierten Arbeitsstoffs mittels einer Kondensatpumpe 15 realisiert. Als Kondensatpumpe 15 sind bekannte Flüssig keitspumpen einsetzbar, sie müssen lediglich auf die herr schenden Druck- und Temperaturverhältnisse ausgelegt sein und auf entsprechende Durchsätze regelbar sein.In addition, in this exemplary embodiment, the condensed working fluid is recirculated by means of a condensate pump 15 . As a condensate pump 15 known liquid speed pumps can be used, they only have to be designed for the prevailing pressure and temperature conditions and can be regulated to corresponding throughputs.

Der Betrieb erfolgt in ähnlicher Weise wie in dem mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Als interner und externer Arbeitsstoff werden z. B. Methylalkohol, Propan oder Ammoniak verwendet, wobei externer und interner Arbeits stoff identisch sind. Dabei ergibt sich jedoch zwischen der inneren Verdampfung und der inneren Kondensation eine wesent liche höhere Druckdifferenz so daß die Kondensatpumpe 15 über die Regelung des Durchsatzes gleichzeitig für die Aufrechter haltung eines geeigneten Druckgradienten sorgt. Gleichzeitig ist im Verdichter 13 eine höhere Verdichtung des verdampften externen Arbeitsmittels sowie eine höhere Entspannung in der Drossel 14 erforderlich.The operation takes place in a manner similar to that in the exemplary embodiment described with reference to FIG. 2. As an internal and external working material z. B. methyl alcohol, propane or ammonia are used, external and internal working substance are identical. However, there is between the internal evaporation and the inner condensation a wesent union higher pressure difference so that the condensate pump 15 via the control of the throughput simultaneously ensures the maintenance of a suitable pressure gradient. At the same time, a higher compression of the vaporized external working medium and a higher relaxation in the throttle 14 are required in the compressor 13 .

Der Betrieb der Wärmerückführung wird nun anhand eines Bei spiels für den Fall beschrieben, daß Ammoniak (R 717) als ex terner Arbeitsstoff zirkuliert wird. Die Verdampfung findet im Verdampfer 11 beispielsweise bei 5°C (278 K) und einem Dampfdruck von 5,158 bar (515 800 Pa) statt. Dabei ergibt sich eine Volumenausdehnung von 1,583 dm³/kg (flüssig) auf 0,2428 m³/kg (dampfförmig), dies entspricht einer ca. 154-fachen Volumenzunahme. Im Verdichter 13 findet dann einen Verdich tung von 5,158 bar auf 8,573 bar statt, d. h. das Verdich tungsverhältnis entspricht ca. 1 : 1,67. Aufgrund der Verdich tung folgt eine Temperaturerhöhung um 15°C auf 20°C (293 K), dies entspricht der Sättigungstemperatur. Bei adiabatischer Verdichtung ergäbe sich tatsächlich eine Temperaturerhöhung auf ca. 40°C, diese Überhitzungsspitze ist energetisch jedoch vernachlässigbar. Die anschließende Kondensation im Kondensa tor 12 läuft reziprok zur Verdampfung ab, wobei die Flüssig keit in der Drossel 14 vom Druck 8,573 bar auf 5,158 bar zum Eintritt in den Verdampfer 11 entspannt wird.The operation of the heat recovery will now be described with an example for the case in which ammonia (R 717) is circulated as an external working substance. The evaporation takes place in the evaporator 11, for example at 5 ° C. (278 K) and a steam pressure of 5.158 bar (515 800 Pa). This results in a volume expansion from 1.583 dm³ / kg (liquid) to 0.2428 m³ / kg (vapor), which corresponds to an approximately 154-fold increase in volume. In the compressor 13 , a compression from 5.158 bar to 8.573 bar takes place, ie the compression ratio corresponds to approximately 1: 1.67. Due to the compression, the temperature rises by 15 ° C to 20 ° C ( 293 K), which corresponds to the saturation temperature. With adiabatic compression there would actually be an increase in temperature to approx. 40 ° C, but this peak of overheating is negligible in terms of energy. The subsequent condensation in the capacitor 12 runs reciprocally for evaporation, the liquid speed in the throttle 14 being relieved from the pressure 8.573 bar to 5.158 bar for entry into the evaporator 11 .

Aus diesem Beispiel für den Betrieb des äußeren Kreislaufs ergibt sichFor this example for the operation of the external circuit surrendered

ε = T2/(T2-T1) = 293/(293-278) = 19,6.ε = T2 / (T2-T1) = 293 / (293-278) = 19.6.

Aus diesem Betrieb errechnet sich ein interner Energieüber schußfaktor als Produkt der Volumenausdehnarbeit als Teil der Verdampfungswärme mit der Leistungszahl ε. Für die Volumen ausdehnarbeit ergibt sichAn internal energy transfer is calculated from this operation Shot factor as a product of the volume expansion work as part of the Evaporation heat with the coefficient of performance ε. For the volume expansion work results

515 800 Pa × (0,2426 m³ - 0.001583 m³) = 124,2 kJ,515 800 Pa × (0.2426 m³ - 0.001583 m³) = 124.2 kJ,

dies entspricht ca. 10% der Verdampfungswärme von R 717 (1243 kJ/kg) und somit ergibt sich ein Überschußfaktor vom 0,1 × 19,6 = 1.96.this corresponds to approx. 10% of the heat of vaporization of R 717 (1243 kJ / kg) and thus there is an excess factor of 0.1 × 19.6 = 1.96.

Wird für den inneren Kreislauf ebenfalls Ammoniak als Arbeits mittel verwendet, so herrschen ähnliche Druck- und Temperaturverhältnisse. Wegen des Wärmeübergangs und mög lichen geringfügigen Drosselverlusten können ggf. kleine Ver schiebungen eintreten.Ammonia also becomes working for the internal cycle medium used, there are similar printing and Temperature conditions. Because of the heat transfer and possible minor throttling losses may result in small losses shifts occur.

Im internen Kreislauf überströmt der aus dem Verdampfungsab schnitt 1 austretende Arbeitsdampf die Arbeitsturbine 55 senkrecht zu deren Rotationsachse über den Einlaß 17. Durch den Durchlauf des verdampften Arbeitsstoffes durch den Umlaufkanal 20 wird die Turbine 55 über die Schaufelblätter 19 in Rotation versetzt. Der umgelaufene Arbeitsdampf strömt anschließend über den Auslaß 18 des Radialturbinengehäuses zum Kondensationsbereich.In the internal circuit, the working steam exiting from the evaporating section 1 flows over the working turbine 55 perpendicular to its axis of rotation via the inlet 17th The passage of the vaporized working material through the circulation channel 20 causes the turbine 55 to rotate via the blades 19 . The circulating working steam then flows through the outlet 18 of the radial turbine housing to the condensation area.

Als Radialturbine ist beispielsweise eine Kfz-Abgasturbine geeignet, die bei einem Arbeitsdruck von ca. 0.1 MPa bis 0.2 MPa (1 bis 2 bar) für hohe Gasgeschwindigkeiten und hohe Gas drücke ausgelegt sind. Je nach Aggregatgröße lassen sich damit Wirkungsgrade von 0,4 bis 0,65 erreichen. Der Anlauf der Turbine läßt sich in ähnlicher Weise, wie dies mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, durch verstellbare Ein laßschaufeln steuern.As a radial turbine, for example, a motor vehicle exhaust gas turbine is suitable which is designed for high gas velocities and high gas pressures at an operating pressure of approximately 0.1 MPa to 0.2 MPa (1 to 2 bar). Depending on the size of the unit, efficiencies of 0.4 to 0.65 can be achieved. The start of the turbine can be controlled in a similar manner, as described with reference to FIG. 1, by adjustable inlet blades.

In der zweiten Ausführungsform ist die Rückführvorrichtung als Kondensatpumpe 15 ausgebildet. Wie jedoch bereits erwähnt bietet sich beim Einsatz von Radialturbinen der Einsatz von Kapillarschichten 4 aufgrund der höheren Druckdifferenz vor teilhaft an. Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Er findung, in der der Einsatz von Kapillarschichten beim gleichzeitigen Einsatz von Radialturbinen realisiert ist, zeigt Fig. 4.In the second embodiment, the return device is designed as a condensate pump 15 . However, as already mentioned, the use of capillary layers 4 is particularly advantageous when using radial turbines due to the higher pressure difference. A third embodiment of the present invention, in which the use of capillary layers is realized with the simultaneous use of radial turbines, is shown in FIG. 4.

Mit Bezug auf Fig. 4 wird eine dritte Ausführungsform der Strömungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung beschrie ben. Im Weiteren werden für gleiche Komponenten gleiche Be zugszeichen verwendet und nur die Unterschiede zu den obigen Ausführungsformen beschrieben.With reference to Fig. 4 shows a third embodiment of the fluid machine according to the present invention beschrie ben. In the following, the same reference numerals are used for the same components and only the differences from the above embodiments are described.

In der in Fig. 4 gezeigten Strömungsmaschine sind der Ver dampfungsabschnitt 1 und der Kondensationsabschnitt 3 wie im ersten Ausführungsbeispiel in einem Hohlzylinder gebildet. Dabei ist der Verdampfungsabschnitt 1 vom Kondensationsab schnitt 3 jedoch durch eine Trennwand 21 getrennt. Entlang des Mantels 6c des Hohlzylinders ist eine Kapillarstruktur 4 angebracht, die den Kondensationsbereich 3 und den Ver dampfungsbereich 1 miteinander verbindet.In the turbomachine shown in FIG. 4, the vaporization section 1 and the condensation section 3 are formed in a hollow cylinder as in the first exemplary embodiment. The evaporation section 1 from the section 3 is separated by a partition 21 , however. Along the jacket 6 c of the hollow cylinder, a capillary structure 4 is attached, which connects the condensation region 3 and the evaporation region 1 to one another.

Ferner schließt sich an den Verdampfer 1 ein außerhalb des Zylinders verlaufender Transportbereich 22 an, der rohrartig ausgestaltet ist und ein Radialturbinengehäuse mit einer Ra dialturbine 55 aufweist, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Von diesem führt der rohrartig ausgebildete Transportbereich 22 zum Kondensationsabschnitt 3, so daß der Verdampfungsab schnitt 1 und der Kondensationsabschnitt 3 über den Trans portbereich 22 miteinander verbunden ist.Furthermore, the evaporator 1 is followed by a transport area 22 which extends outside the cylinder and is tubular and has a radial turbine housing with a Ra dialturbine 55 , as shown in FIG. 3. From this, the tubular transport area 22 leads to the condensation section 3 , so that the Verdampfungsab section 1 and the condensation section 3 is connected to each other via the trans port area 22 .

Die übrige Anordnung ist ähnlich wie die, die mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde. Insbesondere ist die Wärmerückführ vorrichtung ähnlich aufgebaut, auf die Ausgestaltung von Rip pen im Kondensationsbereich 3 bzw. Verdampfungsbereich 1 wird jedoch in dieser Ausführungsform verzichtet, da die Kapillar schicht bereits eine Struktur mit sehr großer Wärmetauscher fläche aufweist, die bei Bedarf durch entsprechende Formge bung noch zusätzlich vergrößert werden kann.The rest of the arrangement is similar to that described with reference to FIG. 2. In particular, the heat recirculation device is constructed similarly, but the design of rip pen in the condensation area 3 or evaporation area 1 is dispensed with in this embodiment, since the capillary layer already has a structure with a very large heat exchanger surface, which, if necessary, can be formed by appropriate shaping can also be enlarged.

Der Betrieb entspricht im wesentlichen dem der zweiten Aus führungsform. Im Kondensatorabschnitt 3 wird jedoch der ver dampfte Arbeitsstoff wieder verflüssigt und der flüssige Ar beitsstoff wird dann von der Kapillarschicht 4 aufgenommen und zum Verdampfungsabschnitt 1 wie in der ersten Ausfüh rungsform rückgeführt.The operation corresponds essentially to that of the second embodiment. In the condenser section 3 , however, the evaporated working fluid is liquefied again and the liquid working substance is then taken up by the capillary layer 4 and returned to the evaporation section 1 as in the first embodiment.

Die mit Bezug auf Fig. 4 beschriebene Ausführungsform weist eine Reihe von spezifischen Vorteilen auf. Durch eine sehr kurze Kapillarschicht ist ein kurzer Flüssigkeitstransport gewährleistet, damit treten in der Kapillarschicht nur gerin ge Reibungsverluste auf und die Liefer-, bzw. Rückführinten sität erhöht sich wesentlich. In der Transportzone selbst und insbesondere im Turbinenbereich ist eine Kapillarschicht nicht erforderlich, dadurch vereinfacht sich die Bauweise er heblich. Ferner kann der für die Leistung wichtige Wärmeüber gang besser ausgestaltet werden.The embodiment described with reference to Figure 4 has a number of specific advantages. A very short capillary layer ensures short liquid transport, so that only minor friction losses occur in the capillary layer and the delivery or return intensity increases significantly. A capillary layer is not required in the transport zone itself and in particular in the turbine area, which considerably simplifies the construction. Furthermore, the heat transfer that is important for performance can be better designed.

Selbstverständlich kann die Anordnung nach der dritten Aus führungsform auch mit einer Axialturbine anstelle einer Ra dialturbine vorgesehen werden.Of course, the arrangement after the third off also with an axial turbine instead of a Ra dialturbine are provided.

Bei allen vorgenannten Ausführungsformen können Bauteile, bei welchen wegen der erforderlichen hermetischen Abdichtung des Arbeitsraums mechanische Energie über Magnetkupplungen übertragen wird, vor allem bei kleineren Anlagen vorteilhaft auch im Arbeitsraumbereich angebracht werden, wenn eine Verträglichkeit des Arbeitsstoffs mit den Bauteilen gegeben ist. Nach außen führen dann lediglich gut abdichtbare elektrische Leitungen.In all the above-mentioned embodiments, components can which because of the required hermetic sealing of the Workspace mechanical energy via magnetic couplings transmitted, especially advantageous for smaller systems also be installed in the work area, if one Compatibility of the working material with the components is given is. Then only good sealable lead to the outside electric lines.

Im folgenden wird nun die Verwendung der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine in einem Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahr zeug mit der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine beschrieben.The following is the use of the invention Fluid machine in a motor vehicle and a motor vehicle described with the fluid machine according to the invention.

Kraftfahrzeuge und insbesondere Kraftfahrzeuge mit Verbren nungsmotoren weisen eine Vielzahl von Abwärmequellen auf, de ren Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt werden kann, um so den gesamten Wirkungsgrad der Maschine zu erhö hen.Motor vehicles and in particular motor vehicles with combustion Motors have a variety of waste heat sources, de ren thermal energy can be converted into mechanical energy in order to increase the overall efficiency of the machine hen.

So kann Wärmeenergie bei einem Kraftfahrzeug insbesondere den Auspuffabgasen oder dem Kühlsystem des Fahrzeugs entnommen werden. Dabei sind die Temperaturniveaus, die zur Verfügung stehen allgemein sehr unterschiedlich und reichen von der Ab gastemperatur von ca. 850°C über die Motorkühlung von ca. 70°C bis 110°C und den Fahrtwind, der in etwa der Umgebungs temperatur entspricht.For example, thermal energy in a motor vehicle can Exhaust fumes or taken from the vehicle's cooling system will. Thereby the temperature levels are available are generally very different and range from the Ab gas temperature of approx. 850 ° C via the engine cooling of approx. 70 ° C to 110 ° C and the airstream which is roughly the surrounding temperature corresponds.

Die der Strömungsmaschine zuzuführende Wärmeenergie kann je der der obengenannten Wärmequellen entnommen werden. Dabei kann bei entsprechender Dimensionierung, wenn die umzuwan delnde Wärmeenergie dem Kühlsystem des Motors entnommen wird, der herkömmliche Motorkühler ganz oder teilweise durch die Strömungsmaschine ersetzt werden. Dies ist insbesondere für Strömungsmaschinen der ersten Ausführungsform der Fall, da diese eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und somit Wärme aus dem Kühlsystem schnell ableiten können.The thermal energy to be supplied to the turbomachine can vary of the heat sources mentioned above. Here can with appropriate dimensioning if the umwwan thermal energy is taken from the engine cooling system, the conventional engine cooler completely or partially through the Fluid machine to be replaced. This is especially for Flow machines of the first embodiment the case there these have a very high thermal conductivity and thus Can quickly dissipate heat from the cooling system.

Die durch die Umwandlung von Wärmeenergie erzeugte mechani sche Arbeit kann sofort einer Anwendung zugeführt werden, beispielsweise zum Antrieb der Kurbelwelle oder zusätzlich zum Antrieb eines elektrischen Generators. The mechani generated by the conversion of thermal energy work can be immediately put to an application, for example to drive the crankshaft or additionally to drive an electric generator.

Wird die erfindungsgemäße Strömungsmaschine für einen besse ren Einsatz mit einer Wärmerückführeinrichtung betrieben, so kann der für die Verdichtung des externen Arbeitsmittels not wendige Verdichter 13 z. B. durch die mechanische Arbeit der Abgase (ähnlich wie bei einem Turbolader) oder durch die Lichtmaschine bzw. die Batterie betrieben werden.If the turbomachine according to the invention is operated for a better use with a heat recirculation device, the compressor 13, which is not necessary for the compression of the external working medium, can be used for. B. operated by the mechanical work of the exhaust gases (similar to a turbocharger) or by the alternator or the battery.

Im folgenden wird die Verwendung der erfindungsgemäßen Strö mungsmaschine in einer Wasserkraftmaschine sowie eine Wasser kraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine be schrieben.In the following the use of the Strö mation machine in a hydropower machine as well as a water Engine with the turbomachine according to the invention be wrote.

Auch das Medium Wasser beinhaltet Wärmeenergie, die ein quan titativ hohes Energiepotential aufweist, allerdings mit rela tiv niedrigem Temperaturniveau. Zur Nutzung dieses Wärme potentials, von dem bei herkömmlichen Wasserkraftmaschinen kein Gebrauch gemacht wird, ist die erfindungsgemäße Strö mungsmaschine deshalb gut geeignet, da sie sich auch bei niedrigen Temperaturen und kleinen Temperaturdifferenzen ein setzen läßt. Dabei wird die Wärmeenergie des Wassers, die der Strömungsmaschine als externe Wärmeenergie zur Umwandlung in mechanische Arbeit zugeführt wird bevorzugterweise von dem Wasser getätigt, das die Wasserturbine der Wasserkraftmaschi ne bereits durchflossen hat, oder von z. B. nicht an der Ener gieerzeugung der Wasserkraftmaschine direkt beteiligtem Lauf wasser oder aber auch aus der Umgebungswärme.The medium of water also contains thermal energy, which is a quan titatively high energy potential, but with rela tiv low temperature level. To use this heat potentials, of that in conventional hydropower machines no use is made, the stream according to the invention machine because it is also suitable for low temperatures and small temperature differences lets sit. The thermal energy of the water, which the Fluid machine as external heat energy for conversion into mechanical work is preferably supplied by the Water is done by the water turbine of the hydropower plant ne has already flowed through, or from z. B. not on the Ener Generation of the hydropower engine directly involved run water or from the ambient heat.

Ist die Strömungsmaschine beim Einsatz in einer Wasserkraft maschine mit einer Wärmerückführvorrichtung versehen, was an gesichts der niedrigen Temperaturen und kleinen Temperatur differenzen als die bevorzugte Betriebsform erscheint, so kann die für den Betrieb des Verdichters 13 der Strömungsma schine notwendige mechanische Arbeit dem Generator der Was serkraftmaschine oder aber auch direkt der Turbine der Was serkraftmaschine entnommen werden.If the turbomachine is equipped with a heat recovery device when used in a hydropower machine, which appears to be the preferred mode of operation in view of the low temperatures and small temperature differences, the mechanical work necessary for the operation of the compressor 13 of the turbomachine can be the generator of the water engine or can also be taken directly from the turbine of the water power machine.

Wie vorgenannte Anwendungsbeispiele zeigen, kann die erfin dungsgemäße Strömungsmaschine auch vorteilhaft zur Vergröße rung einer vorhandenen mechanischen Arbeit benutzt werden, wobei der Energiezuwachs aus dem Potential der Wärmeenergie entnahme einer Wärmequelle entstammt. Voraussetzung für diese Energieerweiterung ist eine gegebene Arbeit oder ein bestehendes Drehmoment und eine unmittelbare Wärmequelle mit einer entsprechenden Wärmeentnahmemöglichkeit.As the aforementioned application examples show, the inventions flow machine according to the invention also advantageous for enlargement existing mechanical work can be used, taking the energy gain from the potential of thermal energy taken from a heat source. Requirement for this Energy expansion is a given job or one existing torque and an immediate heat source with a corresponding heat extraction option.

Claims

1. Fluid machine for generating mechanical work from thermal energy with:
a working space ( 6 ) with a heat source connected to the first section ( 1 ) as an evaporation section for evaporating a liquid first working material and, with a heat sink connected second section ( 3 ) as a condensing section for condensing the evaporated first working material, one of the The evaporation section and the condensation section connecting converting device ( 5 , 55 ) for converting the kinetic energy of the vaporous first working substance flowing from the evaporation section ( 1 ) to the condensation section ( 3 ) into mechanical work, and
a return device ( 4 , 15 ) for returning the condensed first working substance from the condensation section ( 3 ) into the evaporation section ( 1 ),
characterized in that
the turbomachine has a heat recirculation ( 11 , 12 , 13 , 14 ) for returning the condensation heat generated in the condensation section ( 3 ) during the condensation of the first working substance into the evaporation section ( 1 ) by means of evaporating and condensing a second working substance.

2. Fluid machine according to claim 1, characterized in that the working space ( 6 ) is designed as a closed hollow cylinder and the conversion device ( 5 ) is arranged within the hollow cylinder between the evaporation and the condensation section.

3. Turbomachine according to claim 1, characterized in that the working space ( 6 ) has an open at its ends Hohlzy cylinder, the evaporation section ( 1 ) and the condensation section ( 3 ) are arranged within the hollow cylinder and from each other by a partition ( 21 ) are separated and the open ends are connected to each other via the conversion device.

4. Turbomachines according to claim 1, characterized in that the evaporation and the condensation section are tubular and that the conversion device is designed as a radial turbine ( 55 ) which is arranged in the connection between the first and the second section.

5. Turbomachine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the conversion device ( 5 ) is out as a flow turbine.

6. Fluid machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the conversion device ( 5 ) is designed as a relaxation machine according to the flow or displacement principle, for. B. as a returning pump.

7. Fluid machine according to one of claims 1 to 6, characterized by a transmission device ( 8 ) through which the mechanical work generated during the conversion of the kinetic energy is transmitted to a user ( 9 ).

8. Fluid machine according to claim 7, characterized in that the transmission device ( 8 ) is a magnetic coupling.

9. Turbomachine according to one of claims 1 to 8, characterized in that the return device ( 4 , 15 ) is at least partially formed as a capillary structure ( 4 ) which delimit the working space inside the working space ( 6 ) and along the walls Walls runs.

10. Turbomachine according to claim 9, characterized in that the capillary structure ( 4 ) consists of felt, metal nets, wall grooves or grooves, threaded structures, longitudinally aligned metal whiskers or steel wool.

11. Turbomachine according to one of claims 1 to 10, characterized in that the condensation section ( 3 ) is arranged in the working position above the evaporation section ( 1 ), so that the return device ( 4 , 15 ) the condensate at least partially under the action of the gravitational force to the evaporator leads back.

12. Fluid machine according to one of claims 1 to 11, characterized in that the return device has a condensate pump ( 15 ).

13. Turbomachine according to one of claims 1 to 12, characterized in that the return device ( 4 ) has a non-return valve.

14. Fluid machine according to one of claims 1 to 13, characterized in that the wall of the working space ( 6 ) is thin at least in the region of the condensation section ( 3 ) and / or in the region of the evaporation section ( 1 ).

15. Fluid machine according to one of claims 1 to 14, characterized in that the wall of the working space ( 6 ) in the region of the condensation section ( 3 ) and in the region of the evaporation section ( 1 ) has a large surface.

16. Fluid machine according to one of claims 1 to 15, characterized in that the wall of the working space ( 6 ) in the area of the condensation section and in the area of the evaporation section is formed from copper and has a silver surface.

17. Fluid machine according to one of claims 1 to 16, characterized in that the surface of the wall of the working space ( 6 ) in the region of the condensation section ( 3 ) and in the region of the evaporation section ( 1 ) is ribbed.

18. Fluid machine according to one of claims 1-17, characterized in that the heat recovery device comprises:
an evaporator ( 11 ) which has an input and an output and which is thermally coupled to the condensation section ( 3 ),
a compressor ( 13 ) which has an input and an output and which is connected on the input side to the output of the evaporator ( 11 ),
a condenser ( 12 ) which has an input and an output, which is thermally coupled to the evaporation section ( 1 ) and which is connected on the input side to the output of the compressor ( 13 ) and on the output side to the input of the evaporator ( 11 ) connected is.

19. Turbomachine according to one of claims 1-18, characterized in that the heat recovery further comprises a throttle element ( 14 ) which has an input and an output and which is on the input side with the output of the capacitor ( 12 ) and from the output side with the Input of the evaporator ( 11 ) is connected.

20. Fluid machine according to one of claims 1 to 19, there characterized by that the second work in the heat recovery device fabric.

21. Fluid machine according to one of claims 1 to 20, characterized in that the condenser ( 12 ) corresponds to the heat recovery device of the heat source ( 10 b).

22. Turbomachine according to one of claims 1 to 21, characterized in that the compressor ( 13 ) of the heat recirculation device is operated in whole or in part by the mechanical work gained on the conversion device ( 5 ).

23. Fluid machine according to one of claims 1 to 23, there characterized by that as the first and / or second working substance a substance from the Group consisting of ammonia, propane, butane, CFC, HCFC, PFC, HFC, CO₂, SO₂, water, alcohols, K, Na, Li Hg and Pb is formed, is used.

24. A method for generating mechanical work with a turbomachine according to claims 1 to 23, comprising the steps:
Evaporation of an internal working material by supplying thermal energy,
Converting the kinetic energy of the vaporized flowing working material into mechanical energy,
Condensation of the vaporized internal working fluid,
Returning the condensed internal working material to the new evaporation,
characterized in that the condensation heat released during the condensation of the first working substance is used to support the evaporation process.

25. A method for generating mechanical work with a turbomachine according to claims 1 to 23, characterized in that the compressor ( 13 ) is operated by the work obtained on the conversion device ( 5 ) and that by the heat recirculation device is required to operate the turbomachine minimal temperature difference is generated.

26. Use of a turbomachine according to one of the claims che 1 to 23 in a motor vehicle, characterized in that the motor vehicle an internal combustion engine, cooling and / or has an exhaust pipe, and that the flow mation machine supplied heat energy of the waste heat of the Ver internal combustion engine, cooling or the exhaust pipe or is taken from a combination thereof.

27. Use of a turbomachine according to one of the claims che 1 to 23 in a motor vehicle, characterized in that the motor vehicle has an internal combustion engine and a cooling system Has stem for cooling the internal combustion engine and that the heat energy of the waste heat supplied to the turbomachine from the cooling system.

28. Use of a turbomachine according to claim 27, characterized in that by cooling the combus machine by the fluid machine on the application an engine cooler can be dispensed with.

29. Use of a turbomachine according to one of claims 1 to 23 in a motor vehicle, characterized in that the motor vehicle has an internal combustion engine, a light machine, an exhaust pipe with an exhaust gas turbine or a battery, and that for operating the compressor of the heat recovery device ( 5 , 10 , 11 , 12 ) necessary mechanical work of the internal combustion engine, the alternator, the exhaust gas turbine, the battery or a combination thereof is removed.

30. Use of a turbomachine according to one of the claims che 1 to 23 in a hydropower, characterized records that the hydropower machine has a water turbine and an electric has generator and that the flow machine led thermal energy is taken from the water that the door has passed through.

31. Use of a turbomachine according to one of claims 1 to 23 in a hydropower machine, characterized in that the hydropower machine has a water turbine and an electric generator and that the mechanical ar necessary for the operation of the compressor ( 5 ) of the heat recirculation device is the electric generator or is taken from the water turbine.