DE19719190C2 - Warmwassermotor zur Wandlung von thermischer in elektrische Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in elektrische Energie, bestehend aus einem Arbeits-Kreislauf mit einem Arbeitsfluid zum Antrieb einer Strömungsmaschine und aus einer Vielzahl von abwechselnd von einem kalten und warmen Medium durchströmten Wärmetauschern, in denen jeweils ein sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums ausdehnendes und zusammenziehendes Ausdehnungselement angeordnet ist, dessen temperaturbedingten Ausdehnungen und Kontraktionen über einen Puffer-Speicher dem Arbeits-Kreislauf zugeführt werden.

Die Umwandlung von thermischer in mechanische oder elektrische Energie ist bisher unökologisch (Verbrennungsmotoren), unökonomisch (Dampfmaschinen) oder technisch problematisch (Heißgasmotoren, Stirlingsmaschinen). Stirlingsmaschinen haben vor allem den Nachteil, mit hohen Temperaturunterschieden arbeiten zu müssen, um ein schnelles Abkühlen bzw. Aufwärmen desselben Ausdehnungsmediums zu erreichen. Wärmetauscher, die diesen Zweck erfüllen, sind kostspielig, und die dazu gehörigen 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.

Aus der US-Patentschrift 4 283 915 ist ein gattungsgemäßer Warmwassermotor zum Umwandeln von thermischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß der Arbeits-Kreislauf unmittelbar über die Puffer-Speicher den Wärmetauschern zugeführt ist. Dies bedeutet, daß die dazu notwendigen zahlreichen und langen Druck- und Saugleitungen wärmeisoliert ausgeführt werden müssen, damit die Anlage funktionsfähig bleibt.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik wird nunmehr vorgeschlagen, daß zur Speicherung einer Kraft jedem Wärmetauscher ein als Feder ausgebildeter Puffer-Speicher zugeordnet ist, wobei jede Feder mit dem Kolben eines Druckzylinders verbunden ist, dessen Arbeitsraum jeweils über steuerbare Ventile über Saug- und Druckleitungen mit einem Arbeits-Ölkreislauf verbunden ist, der eine Turbine mit einem Generator antreibt.

Vorteilhaft ist das sich ausdehnende und zusammenziehende Ausdehnungselement ein eingespanntes Stahlblech, dessen temperaturbedingte Auf- und Zurückwölbung auf die Feder wirkt.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform hat das Ausdehnungselement ein sich ausdehnendes und zusammenziehendes flüssiges oder gasförmiges Medium, dessen Volumenänderung jeweils über einen Druckzylinder der Feder zugeführt ist.

In vorteilhafter Weise kann auch ein Dehnstoffelement Verwendung finden.

Mit dem Warmwassermotor werden die genannten Probleme umgangen, indem Zahl und Größe der Wär­ metauscher und der treibenden Kolben soweit erhöht wird, daß das Ausdehnungsmedium jeweils genügend Zeit bekommt, um alle zugeführte Energie umzuwan­ deln. 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 Ausdehnungs- und Druckelemente erhalten. Durch die geringen Geschwin­ digkeiten werden die Probleme des Stirlingprozesses weitestgehend ausgeschaltet. Diese sind: Dissipation durch Druck-, Gas- und Reibungsverluste, Totraumef­ fekt, geringer Regeneratorwirkungsgrad, Wärme- und Pendelverluste ungünstige Kolbensteuerung und hohe Gasgeschwindigkeit.

Der Verfahrensablauf ist folgender: Das Ausdeh­ nungsmedium wird zunächst von warmem Wasser um­ flossen. Der Computer öffnet das Ventil (6) und - so­ bald das warme Wasser die gesamte Kammer ausfüllt - das Ventil (8), so daß die Kreisläufe getrennt bleiben. (Es wäre jedoch auch eine Vermischung unproblematisch für den Fall, daß das kalte Wasser aus einem Heizungs­ rücklauf und das warme aus dem -vorlauf abgezweigt wurde. Dann könnte das abgehende gemischte Wasser ohne Energieverluste als nächstes wieder zur Primär­ energiequelle, 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 Öl­ kreislaufs Druck aufgebaut hat, der durch eine Feder (4) gespeichert wird (Fig. 2), kann die Computersteuerung jederzeit durch Öffnen des entsprechenden Ventils den Druck zum Antrieb des Ölkreislaufs (2) freigeben (Fig. 3). Die Ventile der einzelnen Elemente werden nacheinander und dabei zeitlich so gesteuert, daß ein möglichst gleichmäßiger Ölkreislauf gewährleistet ist.

Das Ventil schließt sich, nachdem der Druck gefallen ist, und das Ausdehnungselement wird sofort von kal­ tem Wasser umflossen. Die Kraft wird nun in der ande­ ren 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 Übertra­ gungsweg zum Öldruckzylinder eine Übersetzung ver­ wendet werden.

Die Anzahl der Wärmetauscherelemente mit Druck­ zylindern 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 gewünschten Leistung auf der ande­ ren Seite.

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

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

Da die Primärenergie nur Wärme erzeugen muß, können mit dem Warmwassermotor vor allem auch er­ neuerbare Energien für die Stromerzeugung genutzt werden, 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 belie­ bige Heizungsanlage angeschlossen werden.

Der zu erwartende Wirkungsgrad ist wahrscheinlich sehr hoch, da bei genügender Isolierung kaum Abstrah­ lung vorkäme und die mechanischen Verluste wegen der geringen Reibungen und Geschwindigkeiten kaum ins Gewicht fielen. Die nicht genutzte Energie in weiter­ fließenden warmen Wasser würde im Kreislauf verblei­ ben.

Geräusch- und Schadstoffemissionen sind keine zu erwarten. Die Maschine wäre extrem leise und schwin­ gungsarm; aufgrund der äußerst geringen mechani­ schen Beanspruchung gäbe es so gut wie keine Abnut­ zung, was wiederum eine hohe Zuverlässigkeit bedingen sollte.

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

Claims (3)

1. Anordnung zum Umwandeln von thermischer in elektrische Energie, bestehend aus einem Arbeits-Kreislauf mit einem Arbeitsfluid zum Antrieb einer Strömungsmaschine und aus einer Vielzahl von abwechselnd von einem kalten und warmen Medium durchströmten Wärmetauschern, in denen jeweils ein sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums ausdehnendes und zusammenziehendes Ausdehnungselement angeordnet ist, dessen temperaturbedingten Ausdehnungen und Kontraktionen über einen Puffer-Speicher dem Arbeits-Kreislauf zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speicherung einer Kraft jedem Wärmetauscher ein als Feder (4) ausgebildeter Puffer-Speicher zugeordnet ist, wobei jede Feder mit dem Kolben eines Druckzylinders verbunden ist, dessen Arbeitsraum jeweils über steuerbare Ventile über Saug- und Druckleitungen mit einem Arbeits-Ölkreislauf (2) verbunden ist, der eine Turbine (1) mit einem Generator antreibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sich ausdehnende und zusammenziehende Ausdehnungselement ein eingespanntes Stahlblech (9) ist, dessen temperaturbedingte Auf- und Zurückwölbung auf die Feder (4) wirkt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausdehnungselement ein sich ausdehnendes und zusammenziehendes flüssiges oder gasförmiges Medium hat, dessen Volumenänderung jeweils über einen Druckzylinder der Feder (4) zugeführt ist.