DE2453616A1

DE2453616A1 - Verfahren und vorrichtung zur umwandlung von waermeenergie in mechanische energie

Info

Publication number: DE2453616A1
Application number: DE19742453616
Authority: DE
Inventors: Leo Lin Bailey
Original assignee: KIMMEL DAVID ROY
Current assignee: KIMMEL DAVID ROY
Priority date: 1973-11-12
Filing date: 1974-11-12
Publication date: 1975-05-15
Also published as: JPS5082445A; AR204547A1; BR7409479A; CA1014359A; SE7412412L; IT1022825B; SE395932B; FR2250895A1; FR2250895B3; US3861148A; GB1486000A

Description

24536Ί6

PATENTANWÄLTE.

DIPL.-ING. LEO KLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH

DIPL.-ING. ERNST fiA.TimA.NN

München 71, 8. November 1974

Melchlorstr. 42

Unser Zeichen: CDJP-1237+

Leo Lin. Bailey

Green Acres Mobile Estates

Lake Worth, Florida .

V.St.Ä.

und

David Roy Kimmel 4441 10th Avenue, N. Lake Worth, Flori'da V. St .A.

Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie in einer kontinuierlichen zyklischen Weise.

Die meisten "bisher entwickelten Maschinen zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie besitzen einen ziemlich niedrigen Gesamtwirkungsgrad im Hinblick auf die als Eingang zur Verfügung gestellte Energie im Verhältnis zur erzeugten und als Ausgangsleistung benutzten Energie. Bei vielen Maschinen liegt dies daran, dass der Betriebs- bzw. Brennstoff

H0/wi · · häufig

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O I)'.I¹- I. "V,'

•λ.

häufig nach Ausdehnung und/oder Verbrennung unmittelbar ausströmt oder vom Energieerzeugungssystem entfernt wird, so dass nur ein geringer Bruchteil der im Brennstoff zur Verfügung stehenden Energie zur Erzeugung einer Ausgangsleistung verwendet wird. Das hat in vielen Fällen ein hohes Gewicht der Vorrichtung und eine geringe Ausgangsleistung zur Folge, was insbesondere bei Fahrzeuganwendungen unerwünscht ist.

In der Absicht, diese mit Maschinen solchen Typs verbundenen ernsthaften Probleme zu vermeiden, wurden viele komplizierte Ausführungsformen und Veränderungen älterer Ausführungsformen entwickelt, um eine Maschine herzustellen, die einen höheren Prozentsatz der aus expandiertem und/oder verbranntem Brennstoff erzielbaren Energie ausnutzt. Dies ist jedoch bisher ohne Erfolg geblieben.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, nach dem eine Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mit einem höheren Wirkungsgrad als bisher möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4- gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe und damit die Vermeidung der beschriebenen Unzulänglichkeiten bekannter Maschinen liegt in der Schaffung einer einzigartigen Maschinenausführungsform und eines Verfahrens zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie^ in kontinuierlicher Weise durch Verwendung zweier Medien bzw. Fluida, von denen eines einen hohen Siedepunkt ( im folgenden der Einfachheit halber als "hochsiedend" bezeichnet) und das andere einen niedrigen

- 2 - Siedepunkt

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Siedepunkt ( im folgenden "niedrigsiedend") aufweist. Das hochsiedende Medium ist in der Maschine "bzw. der Vorrichtung in einer Kammer enthalten und wird anfangs durch eine externe Einrichtung auf eine geeignete Temperatur erhitzt. Das niedrigsiedende Medium wird dann in die Kammer und in das hochsiedende Medium eingeführt bzw. injiziert, um dort sofort zu verdampfen. Infolge der auf der Verdampfung beruhenden Zunahme des Volumens des niedrigsiedenden Mediums wird das hochsiedende Medium verdrängt. Das hochsiedende Medium wird auf diese Weise dann gegen einen Propellerflügel oder eine ähnliche Einrichtung gedrückt und überträgt eine Bewegung auf einen Antriebsmechanismus , so dass eine Arbeitsleistung in gebräuchlicher Form vom System entnommen werden kann. Das verdampfte niedrigsiedende Medium wird dann aus der Kammer entfernt und in eine andere Kammer geführt, die an die Wand der ersten, das hochsiedende Medium enthaltenden Kammer angrenzt, so dass eine Wärmeaustauschbeziehung mit dieser besteht. Das niedrigsiedende Medium wird dann entzündet und bewirkt eine Erhitzung des hochsiedenden Mediums; auf diese Weise wird der Zyklus aufrechterhalten.

Abhängig von den verwendeten Medien bzw. Fluida und insbesondere abhängig von dem niedrigsiedenden Medium kann eserforderlich oder nicht erforderlich sein, das niedrigsiedende Medium in der anderen Kammer mit Luft oder Sauerstoff zu vermischen, um eine Verbrennung einzuleiten und aufrechtzuerhalten. Ebenso kann eine externe Hitzequelle zum Erhitzen des hochsiedenden Mediums verwendet und dadurch das Erfordernis der Verbrennung des niedrigsiedenden Mediums vermieden werden, für das dann auch nicht brennbare Medien mit-einem niedrigen Verdampfungspunkt, wie etwa Wasser, benutzt werden könnten.

Im Falle der Verwendung eines brennbaren Betriebsmittels als niedrigsiedendes Medium können geringwertige oder vermischte

- 3 - Brennstoffe

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Brennstoffe benutzt werden, solange diese bei ihrer Verbrennung eine ausreichende Hitze zur Aufrechterhaltung der geeigneten Betriebstemperatur für das hochsiedende Medium erzeugen. Dies liegt daran, dass infolge seiner Wirkung auf das hochsiedende Medium und die resultierende Wirkung dieses Mediums auf die Propellerflügel die Expansion des Brennstoffs die Hauptbewegungsquelle der Maschine darstellte

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der drei Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Querschnitts einer Ausführungsform der vorliegenden. Erfindung;

Fig. 2 eine bildmässige Draufsicht, teilweise im Querschnitt, auf die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform; und

Fig. 3 einen Teil eines Querschnitts entlang der Linie 3-3 der Ausführungsform von Fig. 1.

Die Warmema.schine 10 besitzt gemäss der Erfindung eine innere Kammer 12 mit einem pfannkuchen- bzw. wulstförmigen Teil 14, das das hochsiedende Medium 16, wie etwa Blei, enthält. Die innere Kammer 12 hat ein unteres Schalenteil 18, an dessen unterem Ende eine Brennstoffeinspritzeinrichtung 20 befestigt ist; die Brenneinspritzeinrichtung 20 dient dazu, ein niedrigsiedendes Medium, wie etwa einen üblichen Brennstoff auf Petroleumbasis, einzuspritzen. Oberhalb des Schalenteils 18 befindet sich ein trichterförmiges Teil 22, das mittels Trägerstangen 24 am Boden der inneren Kammer befestigt ist. Zwischen dem trichterförmigen Teil -22 und dem Boden der inneren Kammer 12 ist dadurch eine Öffnung vorgesehen, dass das trichterförmige Teil auf den Trägerstangen angehoben ist; auf diese Weise kann das hochsiedende Medium 16 aus der inneren

- 4 - Kammer

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Kammer 12 in das untere Schalenteil 18 fliessen. In einem oberen Teil der inneren Kammer 12 befindet sich eine Einlassöffnung 25, die zum Einführen, Nachfüllen usw. des hochsiedenden Mediums dient. Die Einlassöffnung 25 kann auch zum Einführen einer nicht dargestellten Einrichtung dienen, die anfänglich die Temperatur des hochsiedenden Mediums 16 auf den geeigneten Wert bringt.

Ein Propeller 26, der an einer Antriebswelle 28 befestigt ist, besitzt eine Reihe- turbinenähnlicher Flügel 30, gegen welche das hochsiedende Medium 16 in einer noch zu beschreibenden Weise wirkt. Die Flügel 30 sind oberhalb des Mundes 32 des trichterförmigen-Teils 22 in einer solchen Weise angeordnet, dass das aus dem trichterförmigen Teil 22 ausgetriebene Medium auf einen der Flügel 30 auftrifft und dadurch eine Bewegung des Propellers 26 und damit der Antriebswelle 28 hervorruft.

Angrenzend an die innere Kammer 12 ist eine Brennkammer 34-angeordnet, die wenigstens den wulstförmigen Teil 14: umgibt, der das hochsiedende Medium 16 enthält, um mit diesem in einem Wärmeaustauschverhältnis zu stehen. Eine Leitung 36 verbindet die innere Kammer 12 mit der Brennkammer 34-, damit das niedrigsiedende Medium aus der inneren Kammer 12 in die Brennkammer 34-. fliessen kann. Feuerfestes Material 38 kann in der Öffnung der Leitung 36 in die Brennkammer 34- verwendet werden, um eine vorzeitige Zündung des niedrigsiedenden Mediums zu verhindern, wenn dieses aus der inneren Kammer in die Brennkammer 34- fliesst; dadurch wird auch eine Rückzündung in den Expansionsraum der inneren Kammer 12 infolge einer Verbrennung von Gasen in der Brennkammer 34- verhindert. Ausserdem kann ein Isoliermaterial 35 wenigstens auf dem oberen Teil der Brennkammer 34- erforderlich sein, um eine vorzeitige Zündung des niedrigsiedenden Mediums in der inneren Kammer 12 infolge einer Erhitzung der den Kammern 12 und 34- gemeinsamen Wandfläche zu verhindern.

- 5 - Mit

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Mit der Brennkammer 34 ist ein Auspuffsystern 37 verbunden, durch das gezündete Gase durch eine Auspufföffnung 39 hindurch entfernt werden können.

Λη der Antriebswelle 28 sind noch ein Gebläse 40 und eine Luftleitung 42 angebracht, die mit der Antriebswelle 28 und dem Propeller 26 rotieren und abgesehen von den Lagern 44, welche die Antriebswelle 28 tragen, die einzigen beweglichen Teile der Maschine darstellen. Das Gebläse 40 ist ein Evolventen-Gebläse (involute type blower), das Luft durch die öffnungen 46 im unteren Teil der Maschine 10 einsaugt, diese Luft in die Leitung 42 bringt und in die Brennkammer 34 einführt, wo sie mit dem niedrigsiedenden Medium vor der Zündung

vermischt werden kann.

Ein Zünder 48 ist vorgesehen, der in der Figur als herkömmliche Zündkerze dargestellt ist, aber auch eine Glühkerze oder eine ähnliche kontinuierliche Zündeinrichtung sein kann, um eine kontinuierliche Zündung des niedrigsiedenden Mediums in der Brennkammer y\ aufrechtzuerhalten. Das heisst jedoch nicht, dass es nicht bei gewissen Systemen, bei denen die Erfindung verwendet wird, wünschenswert und möglich wäre, eine diskontinuierliche Zündung zu verwenden, bei der sich das niedrigsiedende Fluidum und/oder die Luftmischung vor der Zündung in der Brennkammer 34 ansammeln kann.

Die Brennstoffeinspritjzeinrichtungen 20 können gesteuert werden, um einen diskontinuierlichen Strom des niedrigsiedenden Mediums in einer impulsförmigen Weise zuzuführen, wobei eine geeignete Zeit zwischen den Impulsen vorhanden ist, um ein erneutes Auffüllen des Schalenteils 18 mit dem hochsiedenden Medium 16 zu ermöglichen. Zur Steuerung der Brennstoffeinspritzeinrichtungen kann jede mögliche bekannte Einrichtung in der entsprechend den verwendeten Medien am besten geeigneten Weise verwendet werden.

- 6.- · ■ Die

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Die Funktionsweise der Erfindung ist folgende. Ein Medium mit relativ hohem Siedepunkt, wie etwa Blei, wird in das untere wulstförmige Teil 14- der inneren Kammer 12 und ebenso in das Schalenteil 18 gegeben. Das Blei wird anfangs durch Zuführung äusserer Wärme entweder direkt in die innere Kammer 12 oder in die Brennkammer 34 zur Erhitzung des Bleis 16 von aussen zu einem flüssigen Zustand erhitzt.. Wenn das Blei geschmolzen ist, wird ein niedrigsiedendes Medium mittels der Brennstoffeinspritzeinrichtung 20 in das Schalenteil 18 eingespritzt. Die Unterschiede der Temperatur und der Siedepunkte der beiden Medien muss derart sein, dass das niedrigsiedende Medium ohne Verbrennung sofort verdampft, wenn es in das Schalenteil 18 eingespritzt wird. Die resultierende Expansion des niedrigsiedenden Mediums infolge der Verdampfung führt zu einer Aufwärtsbewegung des Bleis 16 durch das trichterförmige Teil 22, wodurch das Blei gegen die Flügel 30 bzw. den Propeller 26 getrieben wird. Das wiederum hat eine Bewegung des Propellers 26 zur Folge, der seine Bewegung auf die Antriebswelle 28 überträgt, von der die Ausgangsleistung abgenommen werden kann.

Obwohl sich die Erläuterung auf ein einzelnes Einspritzsystem bezieht, ist klar, dass entweder ein kontinuierlicher Betrieb von-Mehrfacheinspritzeinrichtungen oder ein Folgebetrieb von Mehrfacheinspritzeinrichtungen mit dem zugehörigen Schalenteil 18 und trichterförmigen Teilen 22 beabsichtigt sind.

Wenn das Blei 16 aus dem trichterförmigen Teil 22 ausgetrieben wird, kann das niedrigsiedende Medium in seiner Dampfform in das obere Teil der inneren Kammer 12 entweichen und bewegt sich dann durch die Leitung 36 in die Brennkammer 34. Das niedrigsiedende Medium bzw. der niedrigsiedende Brennstoff vermischt sich dann mit Luft aus der Leitung 42 an der Öffnung in die Brennkammer 34. Die Mischung aus Luft und niedrigsiedendem Brennstoff wird dann in der Brennkammer 34 gezündet. Die sich daraus ergebende Wärmeenergie wird infolge

- 7 - HitzeübertraKung

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Hitzeübertragung durch die Wandteile des wulstförmigen Teils 14 der inneren Kammer 12 dazu verwendet, Energie zum Blei zurückzuführen, wodurch der Zyklus aufrechterhalten wird.

Während das Blei 16 aus dem unteren Schalenteil 18 infolge der Einspritzung des niedrigsiedenden Brennstoffs herausgeschleudert wird, wird es durch die öffnung zwischen dem unteren Schalenteil 18 und dem trichterförmigen Teil 22 angrenzend an die Trägerstangen 24 nachgeliefert.

Nach Zündung der Mischung aus Luft und niedrigsiedendem Brennstoff können die gezündeten Gase durch das Auspuffsystem und die Auspufföffnung 39 entweichen.

Obwohl die vorangegangene Beschreibung eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Wärmemaschine und des ihr zugrunde liegenden Verfahrens darstellt, sind viele Variationen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

- 8 - Patentansprüche

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Claims

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Patentanspxüche

: 1./ Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie in zyklischer Weise, gekennzeichnet durch folgende Schritte jedes Zyklus:

Einspritzen eines Brennstoffs in eine eine heisse Flüssigkeit enthaltende begrenzte Expansionszone, wobei der Brennstoff einen niedrigeren Siedepunkt als die Flüssigkeit besitzt; ■

Erhitzen des Brennstoffs durch Kontakt mit der heissen Flüssigkeit zur Erzielung einer Expansion des Brennstoffs, ohne ihn zu zünden;

Bewegen der Flüssigkeit aus der Expansionszone heraus als Ergebnis der Expansion des Brennstoffs;

Bewegen einer Kraftübertragungseinrichtung aufgrund der Wirkung der Flüssigkeit gegen diese Kraftübertragungseinrichtung;

Sammeln der Flüssigkeit in einer mit der Expansionsζone in Verbindung stehenden Sammelzone;

Äusströmenlassen des expandierten Brennstoffs aus der Expansionszone in die Sammelzone;'

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Entfernen des expandierten Brennstoffs aus der Sammelzone in eine Brennzone, die mit der Flüssigkeit in WärmeaustauschbeZiehung steht;

Zünden des Brennstoffs in der Brennzone zur geeigneten Erhitzung der Flüssigkeit, um diese in geeigneten Zustand für die Expansion des Brennstoffs zu bringen und darin zu halten;

Ausströmenlassen des gezündeten Brennstoffs aus der Brennzone; und

Ergänzen der Flüssigkeit in der Expansionsζone mit wenigstens einem Teil der in der .Sammelzone gesammelten Flüssigkeit.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η τ-zeichnet, dass es in einer kontinuierlichen zyklischen Weise abläuft.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennz e i chne t, dass die Flüssigkeit Blei und der Brennstoff eine Flüssigkeit auf Petroleumbasis

■ sind.
4·. Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, gekennzeichnet durch:

eine Brennstoffexpansionskammer (18);

eine Brennstoffeinspritzeinrichtung (20) zum Einspritzen des Brennstoffs in die Brennstoffexpansionskammer ;

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eine Flüssigkeitsvorratseinrichtung (14), .die in die Brennstoffexpansionskammer mündet, zur Lieferung einer heissen Flüssigkeit (Blei 16), wobei die heisse Flüssigkeit mit dem Brennstoff in Kontakt kommt und solche geeigneten Eigenschaften besitzt, dass der in die Expansionskammer eingeführte Brennstoff ohne Zündung beträchtlich expandiert und eine Bewegung 'der heissen Flüssigkeit hervorruft, die einen höheren Siedepunkt als der Brennstoff hat;

eine Kraft- bzw. Leistungsübertragungseinrichtung (26, 30), die in geeigneter Beziehung zur Expansionskammer angeordnet ist, um in der Bewegungsbahn der heissen Flüssigkeit zu liegen;

eine Richteinrichtung (22), mittels derer die heisse Flüssigkeit gegen die Kraftübertragungseinrichtung richtbar ist, um diese zu bewegen;

eine Verteileinrichtung (36) für den expandierten Brennstoff, die mit der Expansionskammer verbunden ist und dem Brennstoff das Verlassen dieser Kammer ermöglicht;

eine Brennstoffbrennkammer (34), die in Wärmeaustauschbeziehung zur Flüssigkeitsvorratseinrichtung (14) steht und mit der Verteileinrichtung für den expandierten Brennstoff verbunden ist;

eine Brennstoffzündeinrichtung (48) in der Brennkammer zur Zündung des Brennstoffs; und

eine Auspuffeinrichtung (37, 39), die in die Brennkammer mündet und dem gezündeten Brennstoff das Verlassen der Brennkammer ermö gli cht.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in kontinuierlicher Weise Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5i dadurch gekennzeichn et, dass die Expansionskammer (18) aus einer Vielzahl von Kammern besteht, die im Abstand konzentrisch um eine Mittelachse angeordnet sind.
7· "richtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungseinrichtung (26) aus einer Vielzahl von Leitblechen (Flügel 30) besteht, die im Abstand konzentrisch um die Mittelachse angeordnet sind und an einer konzentrisch zur Mittelachse liegenden Antriebswelle (28) befestigt sind, wobei die Leitbleche in geeigneter Beziehung zur Brennstoffexpansionskammer stehen, um eine Rotation der Welle hervorzurufen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7? dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinspritzeinrichtung (20) aus einer Vielzahl von Brennstoff einspritzern besteht, von denen Jeweils einer mit einer aus der Vielzahl der Expansionskammern (18) korrespondiert und diese jeweils mit einer geeigneten Brennstoffmenge versorgt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichn et, dass die Flüssigkeitsvorratseinrichtung (14) eine konzentrisch um die Mittelachse angeordnete Xammer ist, die mit der Vielzahl von Expansionskammern (18) ausgerichtet ist.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 7? dadurch gekennzeichnet, dass die Richteinrichtung (22) aus einer Vielzahl im wesentlichen trichterförmiger Teile jeder der Vielzahl von Expansionskammern besteht, wobei die Vielzahl der ,trichterförmigen Teile mit der Vielzahl von Leitblechen (30) ausgerichtet ist, um eine Bewegung der Kraftübertragungseinrichtung (26) als Folge des Auftreffens der heissen Flüssigkeit auf die Leitbleche hervorzurufen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffbrennkammer (34) konzentrisch um die Flüssigkeitsvorratseinrichtung (14) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Brennkammer (34) verbundene Lufteinlasseinrichtung (42, 40, 46) zur Lieferung von Sauerstoff für die Verbrennung des Brennstoffs in der Brennkammer vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die heisse Flüssigkeit Blei und de.r Brennstoff eine Flüssigkeit auf Petroleumbasis sind.

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