DE2827207A1

DE2827207A1 - Waermekraftmaschine mit waermerueckgewinnung

Info

Publication number: DE2827207A1
Application number: DE19782827207
Authority: DE
Inventors: Ruediger Schultz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-06-21
Filing date: 1978-06-21
Publication date: 1980-05-22

Description

Wärmekraft-maschine mit Wärmerückgewinnung
Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit Wärme rückgewinnung. Die Verdichtungs - und Ausdehnungsräume sind voneinander getrennt. Ein Zuteilungsschieber, der das Betriebsmittel ( Gas ) tranportiert läuft mit dem arbeitskolben gekoppelt um. Die Erhitzung des hrbeitsmittels wird isochor vorgenommen. Dabei kann sowohl die Wärme extern, als auch durch di rektes Eingeben von Brennstoff erzeugt , werden.
Die Wärrnekraftmaschine ist zum Antrieb von Fahrzeugen und auch von stationären Anlagen geeignet.
Bereits bekannt sind Otto-,Diesel- und Stirlingmotoren.
Bei den, beiden ersten mu13 aber der Brennstoff direkt in den Zylinder eingebracht werden dadurch sind z.B. feste Brennstoffe schlecht geeignet. Außerdem ist beim Ottomotor der Zusatz von Bleiverbindungen nötig. Durch den Zuatz von Blei und die bei der Verbrennung entstehenden Gasrückstände treten Verschleißerscheinungen auf, die schwere Schäden entstehen lassen können. Außerdem ist die Reinigung der Abgase durch das verfahrensbedingete Brennstoff / Luft Verhältnis schlecht möglich.
Beim Stirlingmotor ist zwar die Ausnutzung von extern erzeugter Wärme möglich, aber das Arbeitsmittel muß in einem Arbeitszyklus von erhitzten Wänden aufgeheizt werden.
Dadurch und da zwischen den Wänden endliche Räume sind, in aenen das Arbeitsr,littel nicht aufgeheizt wird, ist der Wirkungsgrad kleiner als nach der Theorie zu erwarten ist.
Allen Maschinen gemeinsam ist aber, das eine Rückgewinnung der Warme schlecht möglich ist.
Dadurch stellt sich die Aufgabe eine Wärmekraftmaschine zu bauen, die : 1. Eine Ausnutzung von extern erzeugter Wärme ermöglicht. 2. Brennstoffunabhängig betrieben werden kann. 3 innen hohen Ausnutzungsgrad des Brennstoffs ermöglicht. 4 Eine von der Drehzahl unabhängige Leistungregelung ermöglicht. 5. Von Verbrennungsrückständen freie Arbeitsräume hat.
Die Lösung der Aufgaben hat sich nun die vorliegende Erfindung zum Ziel gesetzt.
Die Maschine ist in Fig. 1 iM Schema dargestellt.
Arbeitsweise.
Das Arbeitsmittel wird im Verdichter 7 etwa isotherm vorverdichtet und füllt die Leitung 10 und den kaum der I?egelvorrichtung 6. Durch den beweglichen Kolben der Regelvorrichtung 6 kann das Volumen des gesamten Gaskreislaufs verändert werden. Der Druck den der Verdichter 7 erzeugt ist damit beeinfluljbar. Damit ist eine Regelung der Leisn unabhängig von der Drehzahl gegeben.
Eine Kammer des Zuteilungsschiebers 8 wird jetzt' mit deTn vom Verdichter erzeugten Druck beaufschlagt. Diese Kammer enthältaber noch Gas von dem vorigen Areitstakt.
Die durch den Verdichter zu liefernde Gasmenge ist also um die Restgasmenge kleiner als die Gasmenge, die nachher durch den Erhitzer läuft.
Da beide Gase verschiedenen rl'emperaturen haben stellt sich eine Mischtemperatur ein.
Der Zuteilungsschieber, cier sich weiterdreht und synchron rnit dem Arbeitskolben 4 gekoppelt ist, erreicht den ersten werden Vorerhitzer 1. Die Vorerhitzer von dem vom Arbeitskolben ausgestoßenem Gas durchströmt. Das im Erhitzer gespeicherte und aufgewärmte Gas mischt sich mit dem in der Kammer vorhandenen kühlen Gas. Es erfolgt jetzt eine isochore Drucksteigerung. Da keine Arbeitsleistung nach außen erfolgt wirkt dieser Arbeitsgang als Wärmespeicher.
Da der Erhitzer vollkommen abgeschlossen und nur durch die vorbeilaufenden Kammern des Zuteilungsschiebers beaufschlagt wird, stellt sich nach einer Anzahl von Gaswechseln ein Gleichgewichts zustand ein, der vom Vordruck und von der Temperatur im 3Phitzerabhängt. In Bild 1 ist die Abhängigkeit des Gleichgewichtszustandes von dere Volumenverhältnis Kammervolumen zu Erhitzervolumen dargestellt.
Kammervolumen = 100 cm Erhitzervolumen = Parameter.
Eingangsdruck = 20 bar . Anfangsdruck im Erhitzer = 1 bar.
Die am Erhitzer 1 vorbeigelaufene Kammer erreicht anschließend den 2. Erhitzer 1. hier wird der Druck und aie Temperatur weiter erhöht. Die Temperatur im Erhitzer 2 wird entweder durch extern Merzeugte Wärme oder bei Verwendung von Luft 2 als Arbeitsmittel durch dirkt eingebrachten brennstoff erwärmt.
Der Druck und die Temperatur wird hier weiter erhöht.
Die betrachtete Kammer erreicht nun de?Arbeitskolben 4.
Hier erfolgt die Arbeitsleistung und anschließend wird von dem Arbeitskolben das Gas gegen den Kühldruck ausgeschoben.
Die ausgestoßenen Gase werden durch die Leitung 5 abgeführt.
die durchströmen die Vorerhitzer 1 und werden in der Kühl-Vorrichtung 9 auf die Ausgangstemperatur zurückgekühlt.
Mit der Hilfsvorrichtung 11 werden zum Anlaufen die Teile Arbeitskolben 4, Zuteilungsschieber 8 und der Verdichter 7 in Bewegung versetzt. Diese Vorrichtung kann nach dem Anlaufen wieder abgekuppelt werden.
In Bild 5 ist das T, s Diagramm für den Prozeß an einem Beispiel dargestellt.
Bild 6 zeigt das entsprechende P, V Diagramm.
In Bild 3 ist die Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Temperatur im Erhitzer 2, und von dem Verhältnis Kammervolumen zum Expansionsvolumen V4 dargestellt. Der Vordruck geht hier nicht ein, da der vvirkung;sgrad nicht davon abhängig ist.
Ir Bild 2 sind die erreichbaren Mitteldrücke in Abhängigkeit von den Temperaturen im Erhitzer 2 und dem Volumenverhältnis bei konstantem Vordruck F2 = 20 bar aufgezeichnet.
Bild 4 zeigt die entsprechenden Leistungen bei looo U/min.
Bei einem kleinen Volumenverhältnis V/V3 und hohen Temperaturen im Erhitzer 2 können sich auch hohe Temperaturen als Abgastemperaturen ergeben. Um diesen Fall abzuaecken kann das Verfahren abgeändert werden.
Durch einen zweiten Zuteilungsschieber kann anschlieldend an den Ausschubhub kaltes verdichtetes Gas in den Expansionsraum geschoben werden. Diese Art der Kühlung hat den Vorteil, das keine Wärme während des Expansionhubes abgeführt wird. Der Gütegrad des Prozeß kann dadurch voll erhalten bleiben.
In Fig. 2 ist diese Arbeitsweise dargestellt.
bs bedeuten : A,B,C und D vier auf einer gemeinsamen Welle angeordnete Kolben. 1,2,3 und 4 sind die jeweils um 1dO0 verstzten Stellungen. Es werden dann nacheinander in jedem Kolben die folgenden Takte ablaufen.
1. Expansionshub 2. Ausschieben des entspannten Gases 3. Kühlgas ein 4. Kühlgas aus Die Kolben A,B,C und D sind jeweils um 1800 gegeneinander versetzt.
Gleichzeitig laufen z.B. folgende Arbeitstakte ab.
Kolben A = Expansionshub Kolben B = Kühlmittel aus.
Kolben C = Kühlmittel ein.
Kolben D = Ausschieben des entspannten Gases.
Durch diese gewählte Anordnung wird die Arbeit, die zum Ausschieben des Kühlgases verbraucht wird durch den 2. um 180° versetzten Kolben wieder gewonnen.
Die vorgeschlagene Art der Innenkühlung macht ein Heizen des L4'xpansionszylinders möglich. Da durch kann eine isotherrne Expansion verwirklicht werden.
Die Vorteile des Verfahrens werden in den folgenden Punkten gesehen.
1. Die Abgaswärme kann direkt wieder zurückgewonnen werden.
dadurch steigt der Wirkungsgrad des Prozesses.
2. Das Frischgas kommt in direkten Kontakt nit erhitztem Gas. Dadurch ist einschneller Wärmeaustausch gewährleistet Die Maschine wird schnelläufig.
3.Durch die starre Koppelung von Zuteilungsschieber und Arbeitskolben ist ein hoher Gütegrad des Prozesses erreichbar.
4. Durch die den Wirkungsgrad nicht beeinflussende Regelung der Leistung ist eine optimale Anpassung an die erforderliche Leistung möglich.
5. Alle beweglichen Teile, die der Schmierung bedürfen, kommen nacheinander auch mit kaltem Frischgas in Berührung.
Dadurch können die mittleren Temperaturen abgesenkt werden.
6. Durch Trennung von Arbeits- und Verdichterkolben Teile optimal ausgelegt werden.
7. Extern erzeugt Wärme kann benutzt werden.
8. Auch bei niedrigen Temperaturen können noch gute Wirkungsgrade erreicht werden.
g. Durch Wahl der konstruktiven Größen lassen sich Größen, Temperatur und Virkungsgrad optimieren.
10. Da korrosive Einflüsse in den Arbeitsräumen fehlen, sind die VerschleiSerscheinungen klein.
L e e r s e i t e

Claims

Patent ansprüche.

1 Wärmekraftmaschine mit voneinanuer getrennten Verdichtungs- und Arbeitsräumen. Die Erwärmung des Arbeitsg ses erfolgt in abgeschlossenen Raum (isochor).
2) Wärmekraftmaschinen nach 1 dadurch gekennzeichnet, da die vom Arbeitskolben ausgestoßnen heißen Gase zum Vorwärmen(isochor) des Arbeitsgases verwendet werden.
3) Wärmekraftmaschine nach 1 dadurch gekennzeichnet, daiS das Arbeitsgas nach Durchlaufen der Vorerhitzer rückgekühlt wird und der Verdichter mit diesen Druck als Vordruck beaufschlagt wird.
4) Wärmekraftmaschine nach 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des Arbeitsgases in einem abgeschlossenen Volumen durch Einbringen von extern erzeugter Wärme erfolgt,
5) Wärmekraftmaschine nach 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsregelung durch verändern der Gasmenge im ganzen System erfolgt.
6) Wärmekraftmaschine nach 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden des Arbeitskolbens halbkreisförmig dem Zuteilungsschieber angepaßt ist.
7) Wärmekraftmaschine nach 1 dadurch gekennzeichnet, dalS die Leckverluste durch einen Hilfskompressor, der nach Stellung des Regelkolbens eingeschaltet wira, gedeckt werden.
8) Wärmekraftmaschine nach 1 dadurch gekennzeichnet, dalJ einem Verdichter mehrere Arbeitskolben und Zuteilungsschieber zugeordnet werden können.
9) färmekraftmaschine nach 1 dadurch eekennzeichnet, da in der Kammer des Zuteilungsschiebers das Auspufigas unter dem Druck des Kühlsystems bleibt und mit dem gekühlten Frischgas gemischt wird.
10) Wärmekraftmaschine nach 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Gas Luft verwendet wird und die Wärmeeinbringung durch direktes Einspritzen von brennstoff in den Erhitzer erfolgt.
11) Wärmekraftmschine nach 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase zum isochoren Vorwärmen der Frischluft verwendet werden.
12) Wärmekraftmschite nach 1 dadurch gekennzeichnet, dalS die Abgase unter Kühldruck wieder in den Prozeß eingegeben werden.
13) Wärmekraftmaschine nach 1 dadurch gekennzeichnet, daß vier Arbeitskolben vorgesehen werden und die Arbeitsfolge wie folgt ist: 1. xpansionshub, 2. Ausstoßen, 3. Einbringen von Frischluft unter Druck 4. Überschieben der erwärmten Luft in den Kühler.

Die zum Überschieben der Luft erforderliche Arbeit wird dadurch gedeckt, das ein auf der gleichen Welle sitzender Kolben mit dem Druck des Kühlmittels beaufschlagt wird, Dieser aber um 1800 versetzt ist.