DE19722249A1

DE19722249A1 - Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Kreislauf

Info

Publication number: DE19722249A1
Application number: DE1997122249
Authority: DE
Inventors: Andreas Foerster
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 1998-12-03

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Kreislauf, die mit relativ niedrigen Arbeitstemperaturen Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt.

Hierzu sind eine Vielzahl von Lösungen bekannt, die die Ausdehnung eines Arbeitsmediums bei Temperaturerhöhung in einem Druckraum Über einen Kolben in Bewegung umwandeln. Eine anschließende Abkühlung führt den Kolben in die Ausgangslage zurück. Die erforderlichen Wärmeübertragungen bewirken relativ langsame Kolbenbewegungen, andererseits können ökologische Energien (Sonnenwärme) oder Abwärme genutzt werden.

In der DE PS 35 26 289 ist eine derartige Wärmekraftmaschine beschrieben. Der eigentliche zylinderförmige Arbeitsraum, in dem der Kolben läuft, ist mit zwei Druckräumen verbunden. In diesen befinden sich Wärmetauscher, die das Arbeitsmedium abwechselnd wärmen oder kühlen. Zur Erzielung eines guten Wärmeüberganges bestehen die Wärmeaustauscher aus einer Vielzahl paralleler Rohre. Diese Lösung hat den Vorteil, daß sich das Wärmefluid nicht wesentlich mit dem Kältefluid bei Prozeßwechsel vermischen kann. Ganz kann dieses allerdings innerhalb der Rohre nicht verhindert werden. Weiterhin ist zum Fluidaustausch wegen der kleinen Rohrdurchmesser ein höherer Druck oder längere Zeit erforderlich. Das Volumen des Arbeitsmediums ist durch die zusätzlichen Druckräume groß und verlängert die Erwärmungszeit. Die Antriebseinheit ist insgesamt relativ groß und aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Wärmekraftmaschine mit höherer Taktzahl durch schnelleren Wärmeaustausch zu erzielen.

Eine weitere Aufgabe ist die vollständige Vermeidung des Vermischens der Wärmemedien.

Erfindungsgemäß ist der Druckzylinder von einem Wärmetauschraum mit kreisringförmigem Querschnitt umgeben.

In diesem ist eine sich in Kolbenbewegungsrichtung bewegliche, dichtende kreisringförmige Trennwand angeordnet. Im Endbereich sind Anschlüsse zu getrennten Wärme- und Kältekreisläufen befestigt.

Die direkte Wärmeübertragung durch die Zylinderwandung verkleinert die zu erwärmende Menge des Arbeitsfluides. Die mechanische Trennung der Wärmemedien verhindert außerdem ein Vermischen. Das Wärmeübertragungsfluid ist damit auch schnell und ohne großen Energieaufwand austauschbar. Dadurch kann die Taktzeit erhöht und die Wärme effektiver genutzt werden.

Die Ausbildung gemäß Anspruch 2 ermöglicht einen kontinuierlichen Wechsel des Übertragungsmediums, wobei Ausgleichsräume nicht erforderlich sind.

Weitere Varianten zur Trennung der Wärme/Kältemedien und zur Kraftübertragung sind in den Ansprüchen 11 und 12 dargelegt.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Beispiel erläutert werden.

Fig. 1 zeigt das Schema der Kreisläufe und das Prinzip der Antriebseinheit gemäß Anspruch 2,

Fig. 2 zeigt den Endbereich des Wärmetauschraumes gemäß Anspruch 11,

Fig. 3 das Prinzip der Kraftübertragung gemäß Anspruch 12.

In einem Zylinder aus einer Kupferlegierung läuft ein Kolben. Dieser ist aus einem Plastewerkstoff oder einem Metall mit isolierender Doppelwandung ausgebildet. Der Kolben ist mit einer Kolbenstange fest verbunden, die durch eine Dichtung aus dem unteren Arbeitsraum austritt. Der Kolben trennt den Zylinderraum in zwei Arbeitsräume. Dieser ist von einer parallelen zweiten Wandung umgeben, die somit einen Raum für das Wärmeübertragungsfluid bildet. Der Raum ist in der Mitte, quer zur Längsachse getrennt. In jedem Teilraum ist eine kreisringförmige, bewegliche Trennwand aus Kunststoff angeordnet. Am Zylinderboden und -kopf ist für das Wärmeübertragungsfluid ebenfalls ein Hohlraum ausgebildet. Die Höhe ist geringfügig kleiner als die der Trennwand. Das Verhältnis Kolbendurchmesser zu Kolbenhub beträgt 1 : 1 bis 1 : 5. Ein großes Verhältnis ermöglicht eine relativ größere Wärmeübertragungsfläche, vermindert aber die Kolbenkraft.

An den außenliegenden Enden der Teilräume sind Anschlüsse für die Zufuhr und Abführung des kalten Fluides angeordnet, an den innenliegenden für die des warmen Fluides. Die Anschlüsse sind über Leitungen und Ventile mit einem Wärmekessel, bzw. Kühler verbunden. Der Wärmekessel kann mit dem Kühlwasserkreislauf eines Verbrennungsmotors, einer Abgasanlage, Sonnenkollektoren oder ähnlichem verbunden sein. Im Kreislauf ist weiterhin eine Förder pumpe angeordnet. Der Kühler ist ein bekannter Wasser- Luftkühler oder Wasser-Wasserkühler. Bei einer größeren Baueinheit kann der Kühler und der Wärmekessel zur Wärmerückgewinnung durch eine Wärmepumpe gekoppelt sein. Sensoren an der Kolbenstange signalisieren die Stellung im oberen und unteren Umkehrpunkt. Das Arbeitsmedium ist im Beispiel Öl. Je nach Temperaturniveau können auch andere Fluide wie Propan/Butan oder übliche Kältemittel verwendet werden.

Befindet sich der Kolben in der Mitte des Zylinders, also am unteren Umkehrpunkt, erfolgt ein Steuersignal. Die Ventile 2 und 8 werden geschlossen, die Ventile 3 und 9 geöffnet. Der Pumpendruck bewirkt, daß im unteren Raum für das Wärmeübertragungsfluid warmes Fluid gefördert wird. Die Trennwand treibt das kalte Fluid in den Kühler. Durch die Druckübertragung im System erfolgt ein umgekehrter Austausch im oberen Raum. Das Arbeitsmedium unterhalb des Kolbens wird nunmehr erwärmt und das obere abgekühlt. Der Kolben bewegt sich durch den entstehenden Über -und Unterdruck nach oben.

Zur Verbesserung der Wärmeübertragung kann der Endraum des Zylinderbodens auch höher ausgebildet sein. Um ein Vermischen der Fluide zu verhindern, wenn die kreisringförmige Trennwand in diesen Raum gleitet, ist eine zusätzliche, scheibenförmige Trennwand vorgesehen. Diese ist federbelastet und wird durch die kreisringförmige Trennwand in die Endlage geschoben.

Claims

1. Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Kreislauf, bestehend aus Druckzylinder mit Arbeitsfluid, Zylinderkolben, Wärmetauscher, Versorgungsrohre und Steuerventile für das Arbeitsfluid, dadurch gekennzeichnet,
daß der Druckzylinder von einem Wärmetauschraum mit kreisringförmigem Querschnitt umgeben ist,
in diesem eine sich in Kolbenrichtung bewegliche, dichtende kreisringförmige Trennwand angeordnet ist,
und im Endbereich Anschlüsse zu getrennten Wärme- und Kältekreisläufen befestigt sind.

2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkolben als beidseitig beaufschlagter Kolben und der Wärmetauschraum mit Trennwand und Anschlüssen entsprechend doppelt ausgebildet ist, so daß die Wärmetauschräume wechselweise mit Wärme- und Kühlmedium beschickbar sind.

3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmekreislauf aus einem Wärmetauscher oder Wärmeerzeuger, Rück- und Zuführungsleitung, Pumpe und Steuerventilen besteht.

4. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältekreislauf aus einem Kühler oder einer Wärmepumpe mit Anschluß an den Wärmekreislauf, Rück- und Zuführungsleitung und Steuerventilen besteht.

5. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Totpunktlagen des Zylinderkolbens Signalgeber zugeordnet sind, die mit Ventilen zum Wechsel der Wärme- bzw. Kältemediumzufuhr in Verbindung stehen.

6. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärme- und Kühlmedium Wasser und das Arbeitsfluid Öl ist.

7. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärme- und Kühlmedium Wasser und das Arbeitsmedium Propan/Butan ist.

8. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckzylinder aus Kupfer, bzw. Kupferlegierung besteht.

9. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisringförmige Trennwand aus Kunststoff besteht.

10. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmekreislauf mit dem Kühlwasser oder der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine und der Zylinderkolben mit Hilfsaggregaten wie Drucklufterzeugung verbunden ist.

11. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Endbereiches des Wärmetauschraumes größer als die der Trennwand ist, und in diesem eine weitere, scheibenförmige, federbelastete Trennwand angeordnet ist, die Öffnungen zum Durchfluß des Wärme/Kühlmediums im Außenbereich enthält.

12. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kolbenstange zwei jeweils doppelt wirkende Kolben trägt, die in achsfluchtend, gegenüberliegenden Zylindern geführt sind, und in der Mitte der Kolbenstange eine Pleuelstange gelagert ist, die mit dem anderen Ende am Zapfen einer Schwungscheibe angreift.