DE2544179A1

DE2544179A1 - Integrierte elektrizitaetserzeugungs- und klimatisierungseinrichtung

Info

Publication number: DE2544179A1
Application number: DE19752544179
Authority: DE
Inventors: James Charles Graf; Bobby James Tharpe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-12-20
Filing date: 1975-10-03
Publication date: 1976-07-01
Also published as: BR7506985A; JPS5186646A; IL48175A0; US4010378A; IL48175A

Description

2SAA179

2. Oktober 1975 Sch./Vo./LK

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt

6 Frankfurt/Main 1
Niddastr. 52

3746-39-SS-2343

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Integrierte Elektrizitätserzeugungs- und Klimatisierungseinrichtung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Elektrizitätserzeugungseinrichtungen und insbesondere auf solche mit zusätzlichen Erwärmungs- und Klimatisierungseigenschaften.

Mobile Aufenthaltsräume, wie Camping- bzw. Wohnwagen und Boote und auch feste Gebäude an abgelegenen Stellen sind bezüglich des Komforts und der Nützlichkeit infolge des Fehlens einer elektrischen Leistungserzeugung beschränkt. Während zwar von herkömmlichen Innenverbrennungsmaschinen angetriebene Generatoren angewendet werden können, sind solche Einrichtungen laut und mit einem großen Verunreinigungsausstoß verbunden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung einer leisen Elektrizitätserzeugungseinrichtung, mit der auch die Durchführung einer Raumklimatisierung, das heißt ein Erwärmen und Abkühlen der Aufenthaltsräume, möglich ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Verdampfung eines Antriebsfluids in einem Dampfgenerator, wobei das

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Dampfprodukt zum Antreiben einer mehrflügeligen Umlaufexpansionsmaschine (rotary expander) benutzt wird. Ein von der Expansionsmaschine angetriebener elektrischer Generator/ beispielsweise ein Wechselstromgenerator, erzeugt elektrische Leistung. Die Expansionsmaschine kann auch dazu verwendet werden, den Kompressor einer Klimatisierungseinrichtung anzutreiben. Alternativ kann der Kompressor auch durch einen Elektromotor angetrieben werden. Der von der Expansionsmaschine ausgestoßene Dampf oder, wenn die Expansionsmaschine nicht betrieben wird, der Dampf vom Dampfgenerator wird durch einen Wärmeaustauscher geleitet, wo ein Fluid, beispielsweise Luft oder Wasser, erwärmt wird. Dieses erwärmte Fluid wird zur Raumerwärmung benutzt.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - in schematischer Weise die gesamte Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 - in einem Querschnitt einen zur Verwendung in der Einrichtung aus Figur 1 geeigneten Dampfgenerator, Figuren
3A - 3C - Einzelheiten einer Komponente des Dampfgenerators aus

Figur 2,
Figur 4 - den Rotor einer mehrflügeligen Umlaufexpansionsmaschine, die für eine Verwendung in der Einrichtung aus Figur 1 geeignet ist,

Figur 5 - den Rotor aus Figur 4 im Querschnitt, Figur 6 - den in einem Mantel angeordneten Rotor aus Figur 4, Figur 7 - die Anordnung aus Figur 6 im Querschnitt, Figur 8 - eine Vorderansicht der vollständigen Expansionsmaschine, Figur 9 - eine Seitenansicht der vollständigen Expansionsmaschine

und
Figur Io - in einer schematischen Darstellung eine der Einrichtung aus Figur 1 zugeordnete elektrische Vorrichtung.

Nachfolgend wird die bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung beschrieben. Gemäß Figur 1 wird ein Dampfgenerator bzw. -erzeuger Io mittels einer Pumpe 12 von einem Brennstofftank 14 mit Brenn-

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Stoff versorgt. Unverbleites bzw. Reinbenzin hat sich als Brennstoff bewährt, jedoch können auch andere flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe angewendet werden. Ein Motor 16 treibt ein Gebläse 18, um den Dampferzeuger■Io mit Luft zu versorgen. Dem Dampferzeuger Io wird auch über eine Leitung 2o ein flüssiges Antriebsfluid zugeführt. Es wurde festgestellt, daß Trifluoräthanol zusammen mit Wasser ein wirksames Antriebsfluid darstellt, jedoch wurden für Maschinen vom Rankine-Zyklus auch viele andere Fluidstoffe vorgeschlagen, die zufriedenstellend sein können.

Das verdampfte Antriebsfluid bzw. Treibmittel, welches vorzugsweise überhitzt ist, wird entweder durch ein Drosselventil 22 oder durch ein Doppelpositionsventil 24 geführt. Wenn eine Umlaufantriebsmaschine 26 angetrieben werden soll, werden das Drosselventil 22 um ein erwünschtes Maß geöffnet und das Ventil 2 4 geschlossen. Obwohl auch andere Arten von Umlaufantriebsmaschinen benutzt werden können, ist eine mehrflügelige Umlaufexpansionsmaschine bevorzugt. Der Dampf der Expansionsmaschine gelangt über Rohre 28 und 3o zu einem Wärmeaustauscher 32, in dem der Dampf dazu benutzt wird, ein Fluid, wie Wasser oder Luft, zu erhitzen, wobei das Fluid seinerseits die Aufenthaltsräume beispielsweise mittels eines Heizkörpers oder Radiators 34 erwärmt. Nachdem der Dampf den Wärmeaustauscher 32 durchlaufen hat, kondensiert er in einem Kondensator 36, dem ein Gebläse 38 zugeordnet ist. In einer für eine Seeanwendung, beispielsweise für die Marine, bestimmten Einrichtung kann ein flüssigkeitsgekühlter Kondensator benutzt werden.

Wenn die Expansionsmaschine 26 durch das unter Druck gesetzte Treibmittel angetrieben wird, dreht sie eine in Figur 1 als Wechselstromgenerator 4o dargestellte Elektrizitätserzeugungseinrichtung. Je nach Bedarf kann irgendeine geeignet ausgebildete und einen Wechelstrom oder einen Gleichstrom erzeugende Einrichtung angewendet werden. Zuweilen besteht kein Bedarf für eine Elektrizitätserzeugung, wenn beispielsweise eine Wechselstromquelle vorhanden ist. Dann werden das Drosselventil 22 geschlossen und das Ventil 24 geöffnet, so daß der Dampf über das Rohr 3o direkt vom Dampferzeuger Io zum Wärmeaustauscher 32 geführt wird.

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Das kondensierte Treibmittel bzw. Antriebsfluid vom Kondensator 36 gelangt in einen Sumpf 42, der als Speichertank für das Fluid dient, wenn die Einrichtung nicht in Betrieb ist. Eine Pumpe 44 wird über eine■Kupplung 48 von einem Motor 46 angetrieben. Die Pumpe 44 ist die Versorgungspumpe für die Einrichtung und führt das flüssige Treibmittel zum Öl/Fluid-Abscheider 5o. Die Schmierung der Expansionsmaschine 26 kann dadurch erfolgen, daß über ein Rohr 52 Öl zum Einlaß der Expansionsmaschine geleitet wird. Das flüssige Treibmittel wird in der zuvor beschriebenen Weise über das Rohr 2o zum Dampferzeuger Io geführt.

Es sind Vorkehrungen zum Klimatisieren der Aufenthaltsräume durch diese Einrichtung getroffen. Im Betrieb der Expansionsmaschine 26 erfolgtein Eingriff einer Kupplung 54 zum Antreiben einer Rolle bzw. Riemenscheibe 56, die ihrerseits eine Rolle oder Riemenscheibe 58 zum Antreiben eines Kompressors 6o dreht. Wenn die Expansionsmaschine 6 nicht arbeitet und eine elektrische Wechselstromquelle vorrätig ist, wird die Kupplung 62 eingekuppelt, so daß der Motor 46 eine Rolle bzw. Riemenscheibe 64 zum Antreiben des Kompressors 6o über die Rolle bzw. Riemenscheibe 58 dreht. Es handelt sich um eine gewöhnliche Klimatisierungseinrichtung, die außer dem Kompressor 6o einen Kondensator 66 mit einem zugeordneten Gebläse 68, ein Expansionsventil 7o und einen Verdampfer 72 mit seinem zugeordneten Gebläse 74 aufweist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung stellt grundsätzlich eine Energiequelle dar, die für eine Versorgung mit Elektrizität sowie Wärme und für das Antreiben des Kompressors sorgt. Die Wärme kann zum Erzeugen von heißem Wasser für Waschvorgänge und andere Zwecke wie auch für die Raumerwärmung angewendet werden.

In Figur 2 ist ein Dampferzeuger dargestellt, der als Dampferzeuger Io gemäß Figur 1 benutzt werden kann. Das Innere eines Behälters 74 ist durch eine poröse Brennerwandung 76 in eine Verbrennungskammer 78 und einen Raum 8o unterteilt. Durch den letzteren ist eine Welle 82 geführt, die von einem Motor 84 bei verschiedenen erwünschten Drehzahlen gedreht wird. Mit der Welle 82 dreht sich eine Brenn-

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stoffpumpe 86, die von dem im US-Patent 3 647 314 beschriebenen Typ sein kann. Der Brennstoff wird über eine Leitung 88 zur Pumpe 86 und dann aus der Leitung 9o herausgepumpt sowie von der Leitung 9o in einen Zerstäuber/Vergaser 92 ausgestoßen. Dieser hat ein oder mehrere konzentrische zylindrische Wandungen aus porösem Material und dreht sich mit der Welle 82. Der Brennstoff wird beim Hindurchgelangen durch die Wandungen vergast bzw. vernebelt oder in feine Tröpfchen aufgebrochen. Die Ringe dienen zum gleichmäßigen Verteilen des Brennstoffs um ihren Umfang und geben den Brennstoff in feinen Tröpfchen und in Nebelform frei. Ein sich ebenfalls mit der Welle 82 drehendes Gebläse 94 saugt durch eine zentrale Öffnung 96 Luft ein und bläst sie durch eine Schnecke bzw. Spirale 98 (besser aus Figur 3 ersichtlich). Gemäß Figuren 3A und 3B weist die Schnecke 98 Spiralwandungen loo auf, die in Verbindung mit einer Abdeckung Io2 aus Figur 3C den Druck der brennbaren Mischung vergrößern. Die Schnecke 98 leitet den Brennstoff zu einer zweiten Stufe, die eine Schnecke Io4 mit ihrem Gebläse Io6 aufweist. Diese zweite Schnecke Io4 sorgt für eine weitere Vergrößerung des Drucks wie auch für ein zusätzliches Mischen. Von der Schnecke Io4 tritt die Mischung in den Raum 8o (Figur 2) ein. In einigen Fällen kann auch eine einstufige Schnecke genügen. Die Brennstoff/Luftmischung gelangt durch einen Austritt Io6 in den Raum 8o. Sie strömt durch die poröse Brennerwandung 76 und verbrennt an der Außenfläche dieser Wandung. Ein Zündglied Io8 wird zum Einleiten der Verbrennung benutzt, und eine Schlange Ho führt das zu erhitzende und zu verdampfende Arbeitsfluid. Die Verbrennungsprodukte gelangen aus einem Auslaß 112.

Es wird darauf hingewiesen, daß der in Figur 2 dargestellte Dampferzeuger vereinfacht ist. Beispielsweise würde der Behälter 74 normalerweise umhüllt sein, um einen Luftkanal zu bilden, in dem ankommende Luft erhitzt bzw. erwärmt wird. In ähnlicher Weise könnte der Schlange Ho eine in die Wandung 76 eingebettete Schlange vorgeschaltet sein, die dem doppelten Zweck einer Erwärmung des Arbeitsfluids und einer Kühlung der Wandung dient.

Es wird nunmehr die Expansionsmaschine 26 aus Figur 1 beschrieben. Gemäß Figuren 4 und 5 weist ein Rotor 114 sich axial erstreckende

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Schlitze 116 auf, die zur Aufnahme von Flügeln bzw.Schaufeln (vanes; nicht in Figuren 4 und 5 dargestellt) bestimmt sind. Die Schlitze 116 sind in Drehrichtung von 4 bis 12° geneigt, um das Biegemoment auf die Flügel zu vermindern (die sich in der noch zu beschreibenden Weise bezüglich des Rotors frei hinein- und herausbewegen können), wenn sie aus den Schlitzen hervorragen. Die Basis eines jeden Schlitzes 116 ist zum Bilden eines Schlitzdampfdurchgangs für unter Druck gesetzten Dampf erweitert. Zusätzliche Dampfdurchgänge 118 erstrecken sich von den Schlitzdampfdurchgängen nach außen zur Oberfläche des Rotors 114. Der Druck des unter Druck gesetzten Dampfes in den Schlitzdampfdurchgängen wirkt in Verbindung mit der Zentrifugalkraft in der Weise, daß die Flügel nach außen gedrückt werden.

Gemäß den Figuren 6 und 7 befindet sich der Rotor 114 in einem zylindrischen Mantel 12o. Wegen der exzentrischen Lage des Rotors 114 im Mantel 12o bewegen sich die Flügel 121 beim Drehen des Rotors 114 in diesen hinein und aus ihm heraus, wie es für mit Flügeln versehene Umlaufmaschinen üblich ist. Der Mantel 12o hat eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen oder -schlitzen 122, die sich über einen Umfangsbereich des Mantels erstrecken, welcher größer als 9o aber kleiner als I8o° ist. Die Verteilung und Vielfältigkeit der Auslaßschlitze 122 führen zu zwei günstigen Ergebnissen. Zum einen ergibt sich eine größere Auflage für die Flügel 121 im Vergleich zu dem Fall, wo eine oder nur wenig mehr Auslaßöffnungen benutzt werden. Zum zweiten wird der zwar expandierte, jedoch noch unter Druck stehende Dampf gleichmäßiger und unter Geräuschverminderung ausgestossen. Es ist festzustellen, daß die sich in Umfangsrichtung erstrekkenden Schlitze 122 in unter Axialabstand angeordneten Reihen verlaufen, wobei die Schlitzenden einer Reihe die Schlitzenden in der angrenzenden Reihe überlappen. Diese letztgenannte Eigenschaft verhindert eine abrupte Unterbrechung des Auslaß- bzw. Ausstoßvorgangs.

In den Figuren 8 und 9 ist die gesamte Expansionsmaschine dargestellt. An der Verkleidung 12o sind End- bzw. Stirnwandungen 124 festgelegt, die die Ausgangswellen 126 und 128 des Rotors 114 stützen. Unter Druck stehender Dampf im Rohr 13o wird durch die

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Stirnwandungen 124 an einer Stelle 136 zugeführt, die an die Schlitzdampfdurchgänge angrenzt, wenn sich diese am oder etwa am oberen Totpunkt befinden. Der Dampf expandiert unter Drehung des Rotors 114 und wird durch die Auslaßschlitze 122 ausgestoßen. Ein Verteiler 132 empfängt den abgelassenen Dampf, der

über eine Leitung 134 zu einem Kondensator geführt werden kann.

Um den Leistungsgenerator zu starten, muß für eine elektrische Versorgung der Zufuhrpumpe, der Brennstoffpumpe und des Dampferzeugers gesorgt werden. Gemäß Figur Io ist der Wechselstromgenerator 4o mit einem Gleichrichter 138 verbunden, der zum Laden einer Batterie bzw. eines Akkus 14o angewendet wird. Die Batterie I4o stellt damit die zum Starten erforderliche Elektrizität zur Verfügung.

Die beschriebene Rankinezyklus-Erzeugungseinrichtung kann eine maximale elektrische Nettoausgangsleistung von 6,ο KWe erzeugen. Der Gesamtwirkungsgrad der Maschine liegt bei voller Leistung im Bereich von 7,ο %. In Abhängigkeit von der für die Kondensattemperatursteuerung benutzten Technik schwankt der Brennstoffverbrauch von etwa 1,51 Liter/Stunde (o,4 1 gal/h) bei Leerlaufbedingungen (elektrische Nettoausgangsleistung von Null) bis etwa 9,46 Liter/ Stunde (2,5 1 gal/h) bei 6,ο KWe.

- Patentansprüche -

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Claims

ο Patentansprüche

1. Integrierte Elektrizitätserzeugungs- und Raumklimatisierungseinrichtung, gekennzeichnet durch Generatormittel (4o) zum Erzeugen elektrischer Leistung, durch Dampferzeugungsmittel (lo) zum Verdampfen eines Antriebsfluids bzw. Treibmittels, durch Umlaufantriebsmaschinenmittel (2 6) zum Antreiben der Generatormittel, durch Mittel (22) zum gesteuerten Zuführen des verdampften Treibmittels zu den Umlaufantriebsmaschinenmitteln, durch Wärmeaustauschmittel (32) zum Erhitzen eines Fluids mit direkt von den Dampferzeugungsmitteln herangeführtem Dampf oder mit von den Umlaufantriebsmaschinenmitteln ausgestoßenem Dampf, durch Kondensatormittel (36) zum Aufnehmen des Dampfes von den Wärmeaustauschmitteln und zum Kondensieren desselben, durch Pumpmittel (44) zum Leiten des kondensierten Dampfs aus den Kondensatormitteln zu den Dampferzeugungsmitteln, durch einen Motor (46) zum Antreiben der Pumpe und durch Erwärmungsmittel

(34) zum Erzeugen spürbarer Wärme zur Raumerwärmung aus dem erwärmten bzw. erhitzten Fluid.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kompressormit-

erste tel (6o) zum Komprimieren eines Kühlmittels, durch^Kupplungsmittel (62) zum Verbinden des Motors, um den Kompressor anzutreiben, und durch zweite Kupplungsmittel (54) zum Verbinden der Umlaufantriebsmaschine, um den Kompressor anzutreiben.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Umlaufantriebsmaschine ein zahlreiche Schaufeln aufweisender Expander ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Mittel (52) zum Kombinieren bzw. Mischen von Schmieröl mit dem verdampften Treibmittel, bevor dieses der mehrflügeligen Expansionsmaschine zugeführt wird, und durch Abscheidermittel (5o) zum Abtrennen des Öls von dem kondensierten Treibmittel, bevor dieses zu den Dampferzeugungsmitteln geführt wird.

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Leerte