DE19719190A1 - Warmwassermotor zur Wandlung von thermischer in elektrische Energie - Google Patents

Description

Die Umwandlung von thermischer in mechanische oder elektrische Energie ist bisher unökologisch (Verbrennungsmotoren), unökonomisch (Dampfmaschinen) oder technisch problematisch (Heißgasmotoren, Stirlingmaschinen). Stirlingma­ schinen haben vor allem den Nachteil, mit hohen Temperaturunterschieden arbei­ ten zu müssen, um ein schnelles Abkühlen bzw. Aufwärmen desselben Aus­ dehnungsmediums zu erreichen. Wärmetauscher, die diesen Zweck erfüllen, sind kostspielig, und die dazugehörigen Dichtungen, Kolben und andere Materialien können offenbar selbst mit heutiger Technik noch nicht in ausreichender Qualität hergestellt werden. Eine annähernd zufriedenstellende Leistung kann bisher nur von Anlagen erbracht werden, die ausschließlich Strahlungswärme umsetzen.

Mit dem Warmwassermotor werden die genannten Probleme umgangen, indem Zahl und Größe der Wärmetauscher und der treibenden Kolben soweit erhöht wird, daß das Ausdehnungsmedium jeweils genügend Zeit bekommt, um alle zu­ geführte Energie umzuwandeln. Der Prozeß geht zwar langsamer vonstatten, aber der einzelne Druckzylinder kann sehr viel größere Kraft aufbauen, und die Gleichmäßigkeit des Ölumlaufs bleibt durch die größere Zahl dieser Ausdeh­ nungs- und Druckelemente erhalten. Durch die geringen Geschwindigkeiten wer­ den die Probleme des Stirlingprozesses weitestgehend ausgeschaltet. Diese sind: Dissipation durch Druck-, Gas- und Reibungsverluste, Totraumeffekt, geringer Regeneratorwirkungsgrad, Wärme- und Pendelverluste ungünstige Kolbensteue­ rung und hohe Gasgeschwindigkeit.

Der Verfahrensablauf ist folgender: Das Ausdehnungsmedium wird zunächst von warmem Wasser umflossen. Der Computer öffnet das Ventil (6) und - sobald das warme Wasser die gesamte Kammer ausfüllt - das Ventil (8), so daß die Kreis­ läufe getrennt bleiben. (Es wäre jedoch auch eine Vermischung unproblematisch für den Fall, daß das kalte Wasser aus einem Heizungsrücklauf und das warme aus dem -vorlauf abgezweigt wurde. Dann könnte das abgehende gemischte Wasser ohne Energieverluste als nächstes wieder zur Primärenergiequelle, in dem Fall der Heizung, geleitet werden, so daß also im Wasserkreislauf nur noch die Zuläufer vom Computer gesteuert werden müßten.)

Sobald das Ausdehnungsmedium in Zylinder des Ölkreislaufs Druck aufgebaut hat, der durch eine Feder (4) gespeichert wird (Fig. 2), kann die Computer­ steuerung jederzeit durch Öffnen des entsprechenden Ventils den Druck zum An­ trieb des Ölkreislaufs (2) freigeben (Fig. 3). Die Ventile der einzelnen Elemente werden nacheinander und dabei zeitlich so gesteuert, daß ein möglichst gleichmä­ ßiger Ölkreislauf gewährleistet ist.

Das Ventil schließt sich, nachdem der Druck gefallen ist, und das Ausdehnungs­ element wird sofort von kaltem Wasser umflossen. Die Kraft wird nun in der an­ deren Richtung in der Feder gespeichert; in Ölzylinder entsteht ein Unterdruck (Fig. 4), und das Einlaßventil des Ölzylinders öffnet sich zeitlich so gesteuert, daß der Kreislauf diesmal durch Sog angetrieben wird (Fig. 5).

Für den Fall, daß große Kräfte und nur kurze Wege zu erwarten sind, wie etwa in der Variante mit dem eingespannten Stahlblech, könnte auf dem Übertragungs­ weg zum Öldruckzylinder eine Übersetzung verwendet werden.

Die Anzahl der Wärmetauscherelemente mit Druckzylindern hängt ab von der Temperaturdifferenz des Wassers und der Größe der einzelnen Wärmetauscher, also von der insgesamt geleisteten Arbeit auf der einen und/oder von der ge­ wünschten Leistung auf der anderen Seite.

Die verschiedenen Wärmetauscherelemente können räumlich beliebig aufgestellt und angeordnet werden, da sie nur Kabelanschlüsse und Schlauch- bzw. Rohr­ verbindungen besitzen, wodurch ein möglicher größerer Platzbedarf kaum ins Gewicht fiele.

Die zur Herstellung benötigten Materialien wären weder teuer noch wartungsin­ tensiv. Von keinem Bestandteil der Anlage ginge eine Feuer-, Explosions- oder Umweltgefährdung aus. Für den Fall, daß ein Wärmetauscher mit Gas verwendet werden soll, könnte das Gas normale Luft sein.

Da die Primärenergie nur Wärme erzeugen muß, können mit dem Warmwasser­ motor vor allem auch erneuerbare Energien für die Stromerzeugung genutzt wer­ den, ebenso wie Abwärme aus anderen Prozessen, was bisher nur bei extrem hohen Dampftemperaturen und -drücken und geringem Wirkungsgrad möglich war. Der Warmwassermotor kann theoretisch an jede beliebige Heizungsanlage angeschlossen werden.

Der zu erwartende Wirkungsgrad ist wahrscheinlich sehr hoch, da bei genügen­ der Isolierung kaum Abstrahlung vorkäme und die mechanischen Verluste wegen der geringen Reibungen und Geschwindigkeiten kaum ins Gewicht fielen. Die nicht genutzte Energie in weiterfließenden warmen Wasser würde im Kreislauf verbleiben.

Geräusch- und Schadstoffemissionen sind keine zu erwarten. Die Maschine wäre extrem leise und schwingungsarm; aufgrund der äußerst geringen mechanischen Beanspruchung gäbe es so gut wie keine Abnutzung, was wiederum eine hohe Zuverlässigkeit bedingen sollte.

Da für sämtliche Bauteile weder teure Materialien noch spezielle Fertigungsver­ fahren in Frage kommen, dürften sich die Herstellungskosten in einem Rahmen bewegen, der auch eine hohe Wirtschaftlichkeit möglich erscheinen läßt.

Bezugszeichenliste

1 Turbine mit Generator
2 Ölkreislauf
3 Druckausgleichsbehälter
4 Speicherfeder
5 Kaltwasserzulauf
6 Warmwasserzulauf
7 Kaltwasserablauf
8 Warmwasserablauf
9 eingespanntes Stahlblech.

Claims (3)

1. Warmwassermotor zur Wandlung von thermischer in elektrische Energie dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungs- und Kontraktionsarbeit von festen, gasförmigen oder flüssigen Stoffen mittels Kolben in einen Ölkreislauf übertragen wird, der eine Turbine antreibt. Die Ausdehnung und Kontraktion findet gleichzeitig in einer Vielzahl von beliebig großen Wärmetauscherelementen statt und wird jeweils durch das abwechselnde Umströmen mit warmem und kaltem Wasser erreicht. Dabei steuert ein Computer die Verfahrensabläufe der Ventile sowohl des Wasser- als auch des Ölkreislaufs. Statt schneller, kleinkalibriger Zylinder und Kolben arbeiten hier viele große in der von ihnen zur vollen Kraftentwicklung benötigten Zeit.
2. Die Energiewandlung (feste Stoffe) vollzieht sich über ein eingespanntes Stahlblech (9), das sich bei Wärme aufwölbt und bei Kälte zurückzieht und bei der Aufwölbung und der Kontraktion Kraft überträgt, oder beispielsweise durch ein Dehnstoffelement.
3. Die Energiewandlung (flüssige und gasförmige Stoffe) findet in einem Wärmetauscher statt, der die Ausdehnungs- bzw. Kontraktionsarbeit über einen Kolben vermittelt.