DE19705460A1

DE19705460A1 - Maschinenanlage mit Rotationskolbenmaschine als Wärmekraftmaschine oder Kaltluftkältemaschine mit Wärmezu- oder -abfuhr außerhalb der Rotationskolbenmaschine

Info

Publication number: DE19705460A1
Application number: DE1997105460
Authority: DE
Inventors: Graf Von Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 1998-08-20

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschinenanlage mit Rotationskolbenmaschine als Wärmekraftmaschine oder Kaltluftkältemaschine mit Wärmezu- oder -abfuhr außerhalb der Rotationskolbenmaschine.

Wärmekraftmaschinen mit kontinuierlicher Wärmezufuhr und Kaltluftkältemaschinen werden in der Regel als Turbinenanlagen ausgeführt. Insbesondere Maschinen, die nach dem Joule-Prozeß arbeiten, werden nach Art von Gasturbinen ausgeführt.

Ein wesentlicher Nachteil von Turbinenanlagen ist, daß sie erst ab einer Mindestdurchsatzmenge wirtschaftlich arbeiten und dann in der Regel eine konstante Drehzahl erfordern, da sie bei Drehzahlabweichung vom Auslegpunkt eine deutliche Verschlechterung des Maschinenwirkungsgrades erfahren.

Speziell aber für kleinere Durchsatzmengen wären eine sinnvolle und wirtschaftliche Anwendung des Joule-Prozesses wünschenswert. In Heizungsanlagen könnte eine Kraft-Wärme-Kopplung auch bei kleineren Leistungen einen sinnvollen Beitrag zur Energieerzeugung leisten. In Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor - insbesondere mit Ottomotor - könnte eine derartige einfache Wärmekraftmaschine noch den Wärmeinhalt der besonders im Teillastbereich heißen Abgase nutzen, deren Energieinhalt heute ungenutzt verloren geht und zur thermischen Umweltverschmutzung beiträgt.

Auch in Klimaanlagen kann der Jouleprozeß in Anwendung als Kaltluftkältemaschine eine neue besonders umweltfreundliche und sichere Lösung für die Zukunft bieten. Nach Meinung von Fachleuten (vgl. z. B. J. Reichelt; Klimatisierung im mobilen Bereich - jetzt und nach dem Jahre 2000 in [1] Reichelt; Fahrzeugklimatisierung mit natürlichen Kältemitteln; C. F. Müller Verlag 1996) ist das heute eingesetzte Kältemittel R 134a keine Dauerlösung, da es einen Treibhauseffekt von 0,3 besitzt.

In [1] beschreibt Morgenstern den Prozeß einer Kaltluftkältemaschine, wie er aus dem Flugzeugbau bekannt ist und für Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge der deutschen Bundesbahn untersucht wird. Dieser Prozeß arbeitet mit Luft bei vergleichsweise niedrigen Drücken und kann somit als ein zukunftssicheres Konzept für Klimaregelung angesehen werden.

Sowohl für kleine Wärmekraftmaschinen als auch für Kaltluftkältemaschinen werden aber Kolbenkompressoren und Kolbenexpansionsmaschinen verlangt mit hoher Leistungsdichte und geringem Preis. Da aber bisher stets zwei verschiedene Kolbenmaschinen zur Verdichtung und als Kraftmaschine eingesetzt werden, haben derartige Konzepte bisher keine Chance auf eine wirtschaftliche Realisierung.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, ermöglicht die Realisierung des Joule-Prozesses mit einfachsten Kolbenmaschinen innerhalb einer Maschine, die gleichzeitig Kompressor und Expansionsmaschine ist und einen Gaswechsel durch die besondere Ausgestaltung der verwendeten Maschine ermöglicht.

Dies wird dadurch erreicht, daß die Maschine eine Dreh- oder Kreiskolbenmaschine mit Schlupf- oder Kämmeingriff ist, die mit ihrer Förderseite ein Gas verdichtet, und in einen Wärmetauscher WT ausschiebt, mit ihrer Saugseite das verdichtete und in seiner Temperatur geänderte Gas ansaugt und wieder expandiert und ein Gaswechsel des Niederdruckgases durch die Fliehkraftwirkung auf das Gas in den schnell drehenden Läufern erfolgt, indem Altgas nach außen abströmt und Frischgas aus einer achsennahen Öffnung nachgesaugt wird.

Anhand der Fig. 1-3 soll die erfindungsgemäße Lösung vorgestellt werden.

Fig. 1 zeigt die Anordnung des erfindungsgemäßen Konzepts in einer Kaltluftkältemaschine für Klimaanlagen von PKWs.

Eine innenachsige Drehkolbenmaschine 1 mit einem Innenläufer 2, der sich exzentrisch in einem zylindrischen Außenläufer 3 dreht, saugt durch eine Einlaßöffnung 4 in der Seite Umgebungsluft des Umgebungsdruckes 1 bar und der Umgebungstemperatur von z. B. 30°C an. Auf der Förderseite 6 der Drehkolbenmaschine 1 wird die Luft verdichtet und mit einem Druck 3.6 bar und der Temperatur 160°C in einen Wärmetauscher (z. B. den Fahrzeugkühler) gedrückt. Dort wird diese Luft isobar abgekühlt und strömt mit der Temperatur 126°C und dem Druck 3.6 bar zurück in die Drehkolbenmaschine auf deren Saugseite 7, wo sie in der Maschine entspannt wird und dadurch den Druck 1 bar bei der Temperatur von 4°C erreicht. Durch die Fliehkraftwirkung auf die kalte Luft in den schnell drehenden Läufern, wird diese nach außen durch die Auslaßöffnung 5 geschleudert und strömt in einen Mischraum 8, wo sie mit warmer Umgebungsluft auf eine gewünschte Raumtemperatur gebracht wird.

Das Konzept hat den zusätzlichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Fahrzeugklimaanlagen, daß es entschieden weniger Leistung am Kompressor verbraucht.

Fig. 2 zeigt den Einsatz einer erfindungsgemäßen innenachsigen Drehkolbenmaschine 10 mit einem Innenläufer 11, der sich exzentrisch in einem zylindrischen Außenläufer 12 dreht (anwendungsgestalteter Wankel-Drehkolbenlader). Wie beim Konzept der Fig. 1 wird Umgebungsluft mit der Temperatur 20°C und dem Druck 1 bar durch eine (achsennahe) Einlaßöffnung 17 angesaugt, auf der Förderseite 14 verdichtet und mit der Temperatur 160°C und dem Druck 3.6 bar in einen Wärmetauscher 13 (im Katalysator oder Auspuff) gedrückt. Dort wird die verdichtete Luft isobar auf z. B. 650°C aufgeheizt und auf der Saugseite 15 wieder entspannt. Wie in Fig. 1 wird durch die Fliehkraftwirkung das Altgas am Umfang durch die Auslaßöffnung 16 nach außen entlassen.

Fig. 3 zeigt die Verwendung einer Drehkolbenmaschine nach Art des bekannten Wankelmotors als erfindungsgemäße Maschine. Zwei Drehventile 24, 25 regeln die Zu-- und Abflußöffnung zum Wärmetauscher 23, während der Ein- und Auslaß der Frisch- und- Altluft durch die besondere Bewegung des Kolbens 26, die eine 4-Taktfähigkeit erlaubt, möglich wird.

Claims

1. Maschinenanlage als Wärmekraftmaschine oder Kaltluftkältemaschine bestehend:

a. aus einer Rotationskolbenmaschine (1; 10; 20), die eine Dreh- oder Kreiskolbenmaschine mit Kämm- oder Schlupfeingriff ist, welche eine innere Verdichtung oder Entspannung von Gasen oder Dämpfen innerhalb der Maschine erlaubt,
insbesondere innenachsige Drehkolbenmaschine mit einem Innenläufer (2; 11), der sich exzentrisch in einem zylindrischen Außenläufer (3; 12) dreht und
b. einem Raum (9; 13; 23) außerhalb der Rotationskolbenmaschine, in dem einem verdichteten Gas oder Dampf Wärme zugeführt oder entzogen werden kann,

dadurch gekennzeichnet,

1. die Rotationskolbenmaschine (1; 10; 20) mit der Förderseite (6; 14; 21) ein Gas oder Dampf niedrigen Drucks innerhalb der Maschine verdichtet und in den Raum (9; 13; 23) preßt,
2. in diesem Raum (9; 13; 23), dem Gas oder Dampf (vorzugsweise kontinuierlich und isobar) Wärme zugeführt oder entzogen wird,
3. die Rotationskolbenmaschine (1; 10; 20) mit der Saugseite (7; 15; 22), das komprimierte Gas oder den Dampf aus dem Raum (9; 13; 23) ansaugt und innerhalb der Maschine entspannt und
4. das entspannte Gas durch die Fliehkraftwirkung auf das Gas in den drehenden Läufern (2, 3; 11, 12) durch einen Auslaß (5; 16) aus der Maschine strömt und aus einem Einlaß (4; 17) Frischgas nachgesaugt wird;
oder durch ein Gebläse im Zuführungskanal oder eine Unterdruckerzeugung im Abführungskanal
oder durch die besondere Kolbenbewegung (26) und/oder Ventile (24, 25) Arbeitsgas aus der Maschine entfernt und Frischgas nachgesaugt wird.

2. Maschinenanlage unter Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationskolben durch ein außerhalb des Arbeitsraums liegendes Getriebe so geführt wird, daß im Arbeitsraum sich drehende Teile untereinander und auch das Gehäuse nicht berühren, aber durch enge Dichtspalte eine Dichtung erreicht wird.

3. Maschinenanlage unter Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine ohne Einspritzung eines Schmier- oder Kühlmittels in den Arbeitsraum betrieben wird (ölfreie Verdichtung).

4. Maschinenanlage unter Patentanspruch 1-3, bei der die Rotationskolbenmaschine eine innenachsige Drehkolbenmaschine (1; 10) mit einem Innenläufer ist, der sich exzentrisch zu einem zylindrischen Außenläufer dreht, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas niedrigen Drucks so von der Seite (4; 17) zugeführt und am Umfang (5; 16) abgeführt wird, daß durch die Fliehkraftwirkung auf das Niederdruckgas in den Läufern ein Gasaustausch erfolgt.

5. Maschine unter Patentanspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rotationskolbenmaschine durch Verschiebung von Steuerkanten oder Ventilverstellung das Durchsatzvolumen p.U. und/oder die Verdichtungshöhe und/oder die Entspannungsweite und/oder die Art der Wärmezu- oder -abfuhr (isochor - gemischt - isobar) im Raum (9; 13; 23) eingestellt werden kann.

6. Maschinenanlage unter Patentanspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß man sie als Kaltluftkältemaschine in Klimaanlagen, insbesondere für mobile Anwendungen eingesetzt wird.

7. Maschinenanlage unter Patentanspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Wärmekraftmaschine mit kontinuierlicher innerer oder äußerer Wärmezufuhr eingesetzt wird.

8. Maschinenanlage unter Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Heißluftmaschine zur Nutzung der Abgaswärme von Verbrennungsmotoren eingesetzt wird.