DE2166362A1

DE2166362A1 - Thermisches triebwerk mit geschlossenem dampfkreislauf

Info

Publication number: DE2166362A1
Application number: DE2166362*A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Laing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-06-15
Filing date: 1971-05-21
Publication date: 1974-01-03
Also published as: GB1366654A; JPS4939097B1; DE2125390B2; GB1366652A; DE2166365A1; FR2095276B1; DE2125390C3; FR2095276A1; DE2166366A1; GB1366653A; GB1366659A; DE2166363C3; DE2125390A1; GB1366655A; GB1366658A; US3996477A; DE2166363A1; DE2166361A1; DE2166367A1; DE2166364A1

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisches Triebwerk mit geschlossenem Dampfkreislauf, bestehend aus einem umlaufenden Verdampfer-Wärmetauscher, einer Expansionskraftmaschine mit mindestens zwei sich infolge der
Entspannungsarbeit relativ zueinander drehenden Maschinenelemente, z.B. Gehäuse und Rotor einer Kreiskolbenmaschine, einem umlaufenden Kondensator-Wärmetauscher, einer Wärmequelle und einer Leistungsübertragungseinrichtung.

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Die Erfindung betrifft insbesondere auf Wärmekraftanlagen zum Antrieb von Fahrzeugen. Die Wärmekraftanlage besteht aus zwei rotierenden, als Wärmequelle und Wärmesenke ausgebildeten Wärmetauschern, die in an sich bekannter Weise gleichzeitig als Ventilatoren ausgebildet sind. Bei Verwendung sehr geringer Abstände zwischen den ringförmigen Wärmetauschflächen lassen sich extrem geräuscharme Ventilatoren verwirklichen. Diese Wärmetauscher bilden mit einem drehbar gelagerten Gehäuse eine Einheit und die inneren Wärmetauschflächen der beiden umlaufenden Wärmetauscher

ρ kommunizieren mit dem Inneren des Gehäuses. Im Inneren des Gehäuses befindet sich die Expansionsmaschine, die ais . hochtourige Turbine oder auch als hochtourige Verdrängermaschine ausgebildet ist. Diese Maschine treibt eine im Hermetisch abgedichteten Raum angeordnete Primärmaschine eines elektrischen, magnetischen, hydraulischen oder pneumatischen Übertragungssystems, also einen Generator, einen magnetischen Polring, eine Hydraulikpumpe oder einen Pneumatikkompressor an, so daß keine Wellendurchführung aus dem hermetisch gedichteten, umlaufenden Teil des Triebwerkes herausführt. Der als Wärmesenke ausgebildete ümlaufwärmetauscher bildet gleichzeitig das Sauggebläse eines

^ kontinuierlichen Brenners für Kohlenwasserstoff oder alternativ auch eines Gaskreislaufes zur Übertragung der Wärme eines Wärmespeichers auf die Wärmesenke. Grundsätzlich ist der Betrieb mit jeder Wärmequelle, also auch EleKtrowärme oder Nuklearwärme möglich.

Es sind Triebwerke bekannt geworden, bei denen der Kondensator gleichzeitig als Ventilator ausgebildet ist und bei denen die Entspannungsmaschirie zusammen mit diesem Kondensator eine umlaufende Einneit bildet. Der Antrieb der umlaufenden Einheit erfolgt über einen Elektromotor and ein Getriebe. Bei allen bekanntsn Triebwerken erfolgt cU±.

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Antrieb der Maschine von außen . Da die umlaufenden Massen sehr groß sind, die Drehzahlen dagegen im Verhältnis zur Drehzahl der Expansionsmaschine sehr niedrig, werden bedeutende Drehmomente benötigt. Der Bauaufwand und das Gewicht von Antriebseinrichtungen sind im wesentlichen eine Funktion des Drehmomentes. Dadurch werden die zum Antrieb der Maschine erforderlichen Hilfsaggregate schwer und kostspielig, außerdem sind sie mit dem meist geringen Wirkungsgrad aer Antriebsvorrichtung behaftet.

Diese Hilfsmascninen müssen die umlaufende Einheit innerhalb eines bedeutenden Drehzahlintervalles antreiben können, denn die vom Kondensator abgegebene Leistung steigt mit der Drehzahl und ebenso mit der abgegebenen Wellenleistung. Hierdurch sind zusätzliche umfangreiche Regeleinrichtungen erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Antriebes ohne Hilfsmaschine.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch daß der Drehsinn des Läufers dem Drehsinn der umlaufenden Maschine entgegengerichtet ist. Der Antrieb der rotierenden, aus zwei Wärmetauschern und derKraftmaschine bestehenden Einheit erfolgt durcn Ausnutzung des Reaktionsdrehmomentes der Kraftmaschine,, die dann beliebig hochtourig und damit leicht ausgebildet sein kann. Durch diese Antriebsart ist gewährleistet, daß mit zunehmender Leistungsabgabe des Triebwerkes automatisch die Drehzahl der umlaufenden Einheit erhöht wird, wodurch sowohl die Gasmenge im ersten Wärmetauscher (Wärmesenke) zur Erhöhung der zugeführten Leistung, als auch die Kühlluftmenge im Kondensator (Wärmequelle) zur Erhöhung der abgeführten Verlustleistung erhöht wird. Bei Drehmomenten-

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Erhöhung ist ein höherer Dampfdruck erforderlich. Deshalb muß mit zunehmendem Drehmoment auch bei kleiner Geschwindigkeit die umlaufende Maschine sehr schnell beschleunigt werden. Erhöhter Dampfanfall führt gleichzeitig zu erhöhter Kondensatorleistung. Beide Funktionen stellen sich in der gewünschten Weise automatisch ein.

Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Triebwerks im Schnitt parallel zu seiner Achse und in einer Anordnung, bei der die Wärmeenergie heißen Verbrennungsgasen entnommen wird.

Figur 2 zeigt ein entsprechendes Triebwerk gemäß Figur 1, in einer Anordnung, bei der es die Wärmeenergie einem Latentspeicher entnimmt.

Figur 3 zeigt schematisiert einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Triebwerk mit Turbinen- und elektrischer Energieübertragung und

Figur 4 zeigt schematisiert den Querschnitt einer Kreiskolben-Entspannungskraftmaschine, bei dem der Kolben auf einem Exzenter um eine Welle rotiert und kreist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird der Wärme-, träger oder das Arbeitsmittel in Rohren 121 des Verdampfer-Wärmetauschers 1 verdampft und gelangt in die Entspannungskraftmaschine 2, und nach der Entspannung in Rohre 31 des ringförmigen Kondensator-Wärmetauschers 3. Die Elemente 1, und 3 werden durch ein umlaufendes Gehäuse 4 getragen, welches mit einer kohlen Welle 41 eine Einheit bildet, die im stationären Gehäuse 6 über die Lager 61 und 62 gelagert ist. Die Baugruppe,

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bestehend aus Veu'drunpfer-Wärmetaiischer 1, Verdrängermaschine 2, Kondensatür-Wärmetaiischer 3, umlaufendem Gehäuse 4, hohle Welle 41., ist als rotierende Einheit ausgebildet und im stationären Gehäuse 6 gelagert. Das Drehmoment der Verdrängermaschine 2 wird durch eine Magnetkupplung S und die Welle 81 axif das Getriebe 7 übertragen. Die Wärmequelle 9 versorge den Verdampf er-Wärmetauscher 1 rn.it Wärme und besteht aus einem Ölbrennerkopf 91, einer Luftregeleinrichtung 92, einem Latentspeicherkörper 93 einem Ringventil 94 und einer Isolation 95 und 96.

Die Magnetkupplung 8 besteht aus einem ersten magnetischen Polring '62 mit zum Luftspalt konvexer Oberfläche, der auf der Welle 21 der Verdrängermaschine 2 angeordnet ist, einer magnetisch durchlässigen kreisrinnen ι örmi gen Trennwand 83 und einem konvexen, permanentmagnet! sehen Polring 84, der auf der Welle 81 befestigt ist. Zum Verbrennungsraum :i 1 ist das umlaufende Gehäuse 4 mit einer Isolierschicht 42 und einem Strahlungsreflektor 43 ausgerüstet. Das Innere des umlaufenden Gehäuses 4, dessen Wandbereich 44 durch die magnetisch durchlässige Trennwand ίΐ.'.ί mit dem übrigen Gehäuse verbunden ist, kommuniziert mit den axial verlaufenden, einseitig geschlossenen Rohren 121 und 31 und ist nach aussei? hin hermetisch abgedichtet. Die Wärmetauscher 1 und 3 weisen annähernd radial verlaufende Rippen 13 und 32 auf, zwischen denen die Gase durch Reibung nach ausscn geschleudert werden, so dass die Wärmetauscher 1 und 3 gleichzeitig als Ventilatoren dienen. Die Wärmeenergie wird wahlweise vom Ölbrenner 911/92 oder vom Sekundärspeicher 93 zur Verfügung gestellt. Der Stator 63 eines Anlasselektromotors versetzt den Rotor 4il und damit das umlaufende Gehäuse 4 in Rotation. Die Wärmetau seller I und 3 fördern Luft, die das Triebwerk durch den ovalen Ringspalt G4 verlässt. Die vom Verdampfer-Wärmetauscher 1 angesaugte Luft mischt sich im. Ölbrennerkopf 91 mit dem Kraftstofmebel der Düse 911. Das Gemisch wird einmalig durch eine nicht gezeigte Zündkerze gezündet, die Luftmenge durch die Luftregeleinrichtung 92 vorgegeben, die heissen Verbrennungs:- gase durchsetzen den Verdampf er-Wärmetauscher 1 und strömen danach durch das Ringvo'itil 94 entsprechend dem Pfeil 111. Tn den Rohren 121 befindet sich ein Wärmeträger in flüssiger Form, der verdampft und in Lo-

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schriebener Weise der Verdrängermaschine 2 zugeführt wird. In den Rohren -31 erfolgt die Kondensation des bei der Expansion abgekühlten Wärmeträgergases, wodurch die gemäss Pfeil 35 angesaugte Luft erwärmt wird und gemäss 351 den Wärmetauscher verlässt. Der Kondensator-Wärmetauscher 3 ist aus zum umlaufenden Gehäuse hin breiter werdenden Pappen 32 aufgebaut. Die Vergrösserung erfolgt in der Weise, dass die GeschwineUgkeitsverteilung im Ansauglüftstrom gemäss den Pfeilen 35 annähernd konstant ist. Der Abstand der Rippen 32 voneinander ist umso grosser, je grosser die radiale Erstreckung der Rippen ist.

Im Ringraum 45 sammelt sich das Kondensat des Wärmeträger» und wird durch eine nicht gezeigte Pumpe wieder in den Rohre 12 hi nein,·; ι ·- leitet. Das Drehmoment der Verdrängermaschine 2 wird über die Polringe 82 und 34 aus Permanent- oder Elektromagneten auf das Getriebe 7 übertragen. Das Drehmoment der Verdrängermaschine 2 bewirkt gleichzeitig den Antrieb des umlaufenden Gehäuses 4 in entgegengesetzter Richtung, so dass bei Erreichung einer vorgegebene!! Miudesidrebzahl der elektrische Anlas scr stator 63 ausgeschaltet werden kann. Mit zunehmendem Drehmoment erhöht sich der Leistung;··- bedarf des.Dampfkreislciufes. Da das umlaufende Gehäuse 4 durch chi.-j Reaktionedrehmoment der Verdrängermaschine 2 angetrieben wird, erfolgt in erster Näherung eine automatische Anpassung von Brennlii !X-rnenge und Kondensatorluftnaenge an die Erfordernisse des Dampf- ■ kreisläufe« in Abhängigkeit vom über die Welle 81 abgegebenen Drehmoment. Bei Leerlaufbetrieb wird die Welle 8.1 blockiert. Die gesamte von der Verdrängermn.schine 2 abgegebene Leiy-,mi£ \\'.t.rd tia'i;· Kinn Antrieb der Wi-irmcvUuischer J und 3 verbrauch·'.

Die Leistung der Maschine wird so bemessen, wie sie zur

Erreichung der vorgegebenen Fahrzeughöchstgescliwindigkeit erforderlich ist. Innerhalb dec Wärmetauschers 1 sind eine Vielzahl von Sekundärspeichergefässen 15 angeordnet, die mit einer Latentspeichermasse gefüllt sind, deren Schmelztemperatur oberhalb der Maximaltemperatur des Wärmeträgers und unterhalb der Schmelztemperatur der 309881/0012

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Speichermasse der Latentspeicherkörper 93 liegt. Diese Skundärspeichergefässe 15 haben eine grosse, nach innen weisende, wärmeabgebende Oberfläche. Wird vorübergehend eine sehr hohe Leistung vom Triebwerk gefordert, so wird durch ein nicht gezeigtes Verteilungssystem Wärmeträgerkondensat in die Sekundärspeichergefasse eingespeist, wodurch vorübergehend ein Mehrfaches an Dampfmenge bei höherem Druck für die Verdrängermaschine 2 bereitgestellt wird. Die Anordnung der Sekundärspeicherge:· lasse 15 erfolgt zwischen den Rohren 12 und 121 an eine Stelle, an der eine ausreichende Aufheizung gewährleistet ist, ohne dass jedoch für die Speichermasse und

Behälterwerkstoffe zu hohe Temperaturen erzielt werden.

Auch im Kondensator-Wärmetauscher 3 können durch gestrichelte Linien angedeutete Behälter 36 in Form dünner. Rohre vorgesehen sein, die mit schmelzbarer Speichermasse, vorzugsweise einem Metallsalz Hydrat (z. B. Trinatriumphosphatdodekahydrat oder Bariumhydroxid oktahydrat) gefüllt sind. Die während eines Überholvorganges anfallende zusätzliche Kondensationswärme wird teilweise durch höhere Luftaufheizung abgeführt, teilweise durch Aufschmelzung der Speichermasse in den Rohren 36 und Aufheizung des vorzugsweise aus Aluminium bestehenden Kondensator-Wärmetauschers 3 vorübergehend ge- · speichert. Die Energie der Sekundärspeicher 15 wird vorzugsweise so bemessen, dass während der zu einem Überholvorgang notwendigen Zeitdauer ein Mehrfaches der Dauerleistung zur Fahrzeugbeschleunigung bereitsteht. Die Sekundärspeicher 15 und 36 dienen auch als Energiequelle und -senke bei plötzlicher Wiederbeschleunigung, z. B. nach einer Talfahrt, bei der die Drehzahl des umlaufenden Systems 1, 2, 3 und 4 entsprechend dem geringen geforderten Drehmoment während der Talfahrt stark abgefallen ist. Das dem Cetriebe 7 zugeführte Drehmoment wird über Planetengetriebe dem. Tellerrad 71 zugeleitet, welches .mit, dem Zahnrad 72 fest verbunden ist, dieses treibt das Zahnrad..73 an, welches mit den Rädern des Fahrzeuges über die Welle 74 verbunden ist, ■■ 3 0988 1/0012 ' BAD'

Figur 2 zeigt das Triebwerk gemäß Figur 1, jedoch wird durch Verstellung von Ventilen 94, 91 die Wärmeenergie nicht durch den Brenner 91, 92, sondern durch den Latentapeicherkörper 93 bereitgestellt. Das Ringventil 94 ist geschlossen, dafür sind . die Ventildurchbrüche 931 geöffnet. Der ölbrennerkopf 91 ist axial verschoben. Die Latentspeicherkörper 93 bestehen aus Ringen oder Spiralen aus dünnem, wärmebeständigen Metall und sind mit ionogenen salz-ähnlichen Verbindungen, die oberhalb der zur Aufheizung des Verdampfer-Wärmetauschers 1 vorgesehenen Gastemperatur schmelzen, gefüllt. In Rillen 932 sind elektrische, isolierte Widerstandsleiter befestigt, durch die die Speicher-

™ masse mittels elektrischer Energie geschmolzen werden kann. Hierzu wird ein nicht gezeigtes Verbindungskabel mit der Energieversorgung verbunden. Die Inbetriebnahme erfolgt auch bei Speicherbetrieb in der beschriebenen Weise, jedoch wird kein Kraftstoff eingespritzt und die Luftregeleinrichtung 92 geschlossen. Die im Verbrennungsraum 11 und im Isoliergehäuse 95, 96 befindliche Luft wird durch den Wärmetauscher 1 umgewälzt und entsprechend den Pfeilen 933 beim Durchströmen der zum benachbarten Latentspeicherkörper 93 gebildeten Kanäle 934 erwärmt, entsprecnend den Pfeilen 935 in den Verbrennungsraum 11 und dann wieder in den Wärmetauscher 1 geleitet. Im Wärmetauscher 1 wird die umgewälzte Luft, die annähernd auf die Schmelztemperatur der Speicner-

h masse erwärmt wurde, abgekühlt, die Wärme zur Verdampfung des Wärmeträgers den Rohren 12 zugeführt. Durch den Latentspeicherkörper 93 ist ein Betrieb der Wärmekraftanlage ohne jegliche Abgasbildung möglich, was insbesondere für Fahrzeuge,die in Innenstadtgebieten eingesetzt werden, von Bedeutung ist. Außerhalb dieser besonders gefährdeten Gebiete wird der ölbrennerkopf in seine alte Lage gerückt, die Luftregeleinrichtung 92 geöffnet und das Ringventil 931 geschlossen und das Ringventil 94 geöffnet. Nunmehr erfolgt die Energiezufuhr durch die heißen Brenngase. Durch die Schaufeln 14, die mit dem Wärmetauscher 1 fest verbunden sind, wird ein kleiner Teil der heißen Brenngase in das Isoliergehäuse 95 gefördert und bewirkt die Wiederverschmelzung der Speichermasse. Sobald die gesamte Speichermasse geschmolzen

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ist, erfolgt kein weiterer Wärmeentzug, so daß der Kreislauf gemäß den Pfeilen 933 und 935 keinen Energieverbrauch nach sich zieht:. Das Isolier gehäuse 95 besteht aus einer Hohlwand, die mit einem mineralischen Pulver oder Schaum gefüllt ist und in der der Gasdruck so weit herabgesetzt wurde, daß der Knudse-Effekt, wie er bei Duar-Gefäßen auftritt, einsetzt.

Figur 3 zeigt schematisiert einen Querschnitt durch ein erfinduiigsgemäßes Triebwerk durch Turbinen- und elektrische Energieübertragung. Im umlaufenden Gehäuse 4, welches mit dem Verdampfer-Wärmetauscher 1 und dem Kondensator-Wärmetauscher 3 eine Einheit bildet, befindet.sich ein Turbinenläufer 22 und ein Turbinenstator 23. Der Turbinenläufer 22 treibt den Polring 85 eines Generators an, dessen Stator 26 eine Wicklung 861 trägt und elektrische Energie erzeugt. Zwischen dem umlaufenden Polring 85 und dem Stator 86 befindet sich eine magnetisch durchlässige Trennwand 87. Im Stator 86 befinden sich Pressluftdüsen 862, durch die Pressluft zur Gewährleistung einer Berührungsfreiheit zwischen dem Stator 86 und der Trennwand 87 erreicht wird. Die Kondensatorluft tritt gemäß Preil 35 ein und verläßt aufgewärmt, zusammen mit den Abgasen gemäß 311 durch ein Doppelspiralgehau.se 65 das Triebwerk. Die Brennstoff.zerstäubungseinrichtung 312 ist ringförmig ausgebildet.Der Raum zur Aufnahme der Speichermasse 98 ist ebenfalls ringförmig ausgebildet. Durch das axial verschiebliche Ventil 941 und einen drehbaren, mit Durchbrüchen versehenen Ring 913 kann die Druchströmung des Speicherinneren gemäß Pfeilen 933 freigegeben werden. Das lagsam umlaufende System 413 ist auf dem Rohr 66 gelagert. Über einen Bügel 661 ist der Stator 618 mit dem Rohr 66 verbunden. Der schnellaufende Turbinenläufer 22 ist auf der Buchse 46 gelagert. Die Symbole 932 deuten die elektrische Heizung an.

Figur 4 zeigt schematisiert den Querschnitt einer Kreiskolben-Jt-ntspannungskraftmaschine, uei dem der Kolben 24 auf einem Exzenter 25 um eine Welle 21 rotiert und kreist. Auf dem Stator 26 ist eine Dichtleiste 261 angeordnet. Vorteilhaft werden zwei

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Kreiskolbenverdrängermaschinen mit unterschiedlichem Kammervolumen und unterschiedlicher Kammerzahl hintereinander geschaltet. Grundsätzlich sind alle Verdrängermaschinen-Prinzipien also auch Kolbenmotoren, aber auch wie Schraubenverdichter aufgebaute Verdrängermaschinen, die schmierungslos arbeiten, geeignet.

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Claims

DK 6921/6a-2 Ansprüche

1. Thermisches Triebwerk rait geschlossenem Dampfkreislauf, bestehend aus einem umlaufenden Verdampfer-Wärmetauscher, einer E::pansionskraftmascbine mit zsiis± mindestens zv/ei sich infolge der Entspannungsarbeit relativ zueinander drehenden Manchinenelementen, z.B. Gehäuse und Rotor einer Kreiskolbenmaschine, einem umlaufenden Kondensator-Wärmetauscher, einer Wärmequelle und einer Leistungsübertragungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehsinn des Läufers (24 bzw. 22) dem Drehsinn der umlaufenden Maschine (1, 2, 3, 4) entgegengerichtet ist

2. '.!.'hermisches Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maschinenelement der Entspannungskraftmaschine mit dem Kondensator-Wärmetauscher und dem Verdampfer-Wärmetauscher fest verbunden ist und sich mit diesem mitdreht und das andere Maschinenelement sein Drehmoment auf die Leistungsübertragungseinrichtung abgibt.

3. Thermisches Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die^eÜ.BerⁱcSaungseinrichtung eine elektromagnetische Übertragungseinrichtung mit einem von der Expansionskraftmaschine angetriebenen Polring ist.

4. Thermisches Triebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Polring durch eine ein Teil des umlaufenden Gehäuses bildende Trennwand aus magnetisch durchlässigem Material einen zweiten Polring einer magnetischen Kupplung antreibt.

5. Thermisches Triebv/erk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Polring ein Teil eines elektrischen Generators ist.

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6. Thermisches Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ dass die Leistungsübertragungseinrichtung eine hydraulische oder pneumatische Arbeitsmaschine aufweist.

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