DE3206415A1

DE3206415A1 - Antriebsaggregat zur erzeugung von bewegungsenergie unter ausnutzung der expansion nichtbrennbarer gase

Info

Publication number: DE3206415A1
Application number: DE19823206415
Authority: DE
Inventors: Norbert 5419 Brückrachdorf Pickel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-02-23
Filing date: 1982-02-23
Publication date: 1983-09-01

Description

Patentbeschreibung
zum ANIRIEBSAGGREGAT ZUR ERZEUGUNG VON BERWEGUNGSENERGIE UNTER AUStETZUNG DER EXPANSION NICHTBRENNBARER GASE Bei der Erfindung handelt es sich um ein neuartiges Antriebsaggregat, welches überall dort eingesetzt werden kan., wo Bewegungsenergie benötigt wird, z.B. bei Schiffsantrieben, Automobilantrieben, als Ersatz für Dampfmaschinen, Turbinen, stationäre Antriebe sowie in vielen Fällen als Ersatz für installierte Elektromotore insbesondere im Großmaschinenbereich.
Der besondere Vorteil dieses Antriebsaggregates ist darin zu sehen, daß nur ein Bruchteil der Energie aufgebracht werden muß gegenüber allen bisher bekannten Antriebsaarten.
In Anlehnung an die Theorie der Wärmepumpen ist es möglich, mit 100% eingebrachter Energie ca. 400% Wärmeleistung und ca- 300% Kälteleistung zu erzielen. Mit dem in der Kälteanlage aufgebrachten Druck wäre es theoretisch möglich, Kolben zu beaufschlagen, um so den Druck in Bewegungsenergie umzusetzen. Physikalisch ergeben sich hierbei jedoch große Schwierigkeiten, auf die nicht näher eingegangen werden soll.
Eine Wärmepumpe arbeitet nach dem Karnot'schen Kreisprozeß. Würde man parallel zu einem Wärmepumpenkreislauf ein zweites Kompressoraggregat installieren und mit einem Fremdgas arbeiten, wobei die beiden Gaskreisläufe nur über Wärmetauscher Verbindung miteinander haben, ist es möglich, den in dem zweiten Kreislauf entstehenden Druck auf Kolben zu übertragen, um so Bewegungsenergie zu gewinnen. Ein derartiges Kreislaufschema ist in Fig. 1 wiedergegeben.
Der Antrieb des Wärempumpenaggregates sowie des zusätzlichen Kompressors für den zweiten Gaskreislauf könnte über einen Verbrennungsmotor erfolgen. Es handelt sich hier um zwei Karnot'sche Kreisprozesse, welche gegenläufig arbeiten. Die Kälte- und die Heizleistung des einen Kreislaufes werden mit dem Kälte- und Heizkreislauf des zweiten Kreislaufes kompensiert, so daß die Verlustenergie auf ein Minimum reduziert wird.
Würde der Antrieb der beiden Kompressoren von einer Verbrennungsmaschine vorgenommen, so würde innerhalb dieser ebenfalls eine Verlustleistung auftreten; einmal durch Auspuffverluste, zum andern durch Kühlmittelverluste. Diese Verluste können ebenfalls in dem Gesamtkreislauf der miteinander verbundenen Karnot'schen Kreisprozeße zum größten Teil kompensiert werden.
Bei näherer Betrachtung ist zu erkennen, daß durch das Gegeneinanderschalten zweier sZxarnot'schen Kreisprozeße Verlustenergien kompensiert werden können. Das gesamte System würde aber eine große Trägheit aufweisen und der Aufwand für die gesamte Regelung wäre sehr groß.
Bei der Entwicklung von Motoren - insbesondere für Kraftfahrzeuge -ist es von ausschlaggebender Bedeutung, einmal die Forderung nach geringern Energieeinsatz und geringem Eigengewicht sowie geringer Bauform zu erfüllen.
Ein wesentliches Kryterium der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß die zuvor erwähten Karnot'schen Kreisprozeße enger miteinander verknüpft werden. Nach Fig. 2 treibt ein Antriebsmotor -(Otto- oder Dieselmotor) direkt oder indirekt gekuppelt einen Kompressor an In diesem wird ein Gas (z.B. C02) angesaugt und verdichtet. An der Ilochdruckseite des Kompressors kann das Gas einen Druck beispielsweise zwischen 10 und 200 bar aufweisen.
Dieses hochverdichtete Gas wird von dem Kompressor in einer kurzen Rohrleitung über Ein- und Auslaß-Ventile auf die Kolben eines separat installierten Antriebsaggregates geleitet, wobei dieser Hochdruck eine Abwärtsbewegung der Kolben bewirkt.
Durch die Volumenvergrößerung im Zylinder durch Abwärtsbewegung des oder der Kolben erfolgt eine Expansion des Gases und damit eine Abkühlung.
Je nach Auslegung des Antriebsaggregates kann diese Abkühlung des Gases bis in den Minus-Temperaturbereich erfolgen. Das aus dem oder den Zylindern austretende Gas - im vorliegenden Falle C02 - muß nun wieder auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden durch Zufuhr von Wärme und Druck. Hierzu wird über einen zusätzlichen Wärmetauscher die Verlustenergie des Antriebsmotors (Otto- oder Dieselmotor) zur Erwärmung des Gases herangezogen und dieses vorgewärrnte Gas wird von dem durch den Otto- oder Dieselmotor angetriebenen Kompressor angesaugt und wieder verdichtet, wodurch der Ausgangsdruck wieder erreicht wird.
Durch die völlige Expansion der Kohlensäure würde sich zwar eine sehr große Druckdifferenz zwischen z.B. 200 und 0 bar ergeben, welches eine optimale Ausnutzung des Antriebsaggregates bewirkt. Hierdurch vergrößert sich jedoch die Enthalpie und es ist daher zweckmäßiger, den Kreisprozeß innerhalb der gasförmigen Phase ablaufen zu lassen, d.h. z. B. bei einem Ausgangsdruck von ca. 100 bar einen Gegendruck von ca. 35 bar zu haben, so daß eine Druckdifferenz von 65 bar für den effektiven Antrieb zur Verfügung steht.
Im Gegensatz zur Brennkraftmaschine, bei der durch Einbringung von vergastem Kraftstoff eine explosionsartige Verbrennung im Zylinderraum bewirkt wird, wird bei dem vorliegenden Antriebsaggregat der Druck von außen aufgebaut und über eine entsprechende Ventilsteuerung auf den Kolben gegeben.
Dieses entspricht im übertragenen Sinne dem Prinzip der Dampfmaschine.
Stellt man hier eine vergleichende Betrachtung an, so wird bei einer Dampfmaschine zur Erzeugung eines Dampfdruckes von 75 bar mit überhitztem Dampf von ca. 290"C gearbeitet. In diesem Dampf ist eine Energie von ca. 660 kcal enthalten, die erst durch Erwärmung aufgebracht werden muß. Bei Ruckkühlung des Dampfes auf 95"C wird dieses Kondensat dem Dampfkessel zugeführt, d.h., insgesamt sind daher nur 560 kcal Wärmeenergie zur Dampferzeugung erforderlich. Würde man dagegen das zuvor beschriebene Antriebsaggregat mit z.B. C02 betreiben, so würde bei einer Temperatur von 31"C ein Druck von 74 bar entstehen, wobei die Verdampfungswärme nur 83 kcal betragen würde.
Zu berücksichtigen ist bei diesen Betrachtungen, daß bei dem Gas C02 nicht unbedingt ein Phasenwechsel erforderlich ist, d.h., die überführung von gasförmigem in den flüssigen Zustand, sondern der gesamte Prozeß kann innerhalb der gasförmigen Phase ablaufen. Hierdurch verringert sich noch einmal die Enthalpie und somit die effektiv aufzubringende Energie für das Antriebsaggregat.
Bei der vorliegenden Erfingung handelt es sich um die Ausnutzung des Druckes von komprimierten Gasen, die eine relativ geringe Verdampfungswärme besitzen. Die Reduzierung der eingebrachten Energie wird bewirkt durch: 1. Ausnutzung des Wärmepumpenprinzips, 2. Kopplung gegenläufiger, miteinander verknüpfter Kreisprozeße, 3. Verwendung eines Gases als Trägerelement, Ausbringung des erforderlichen Druckes mit möglichst niedrigen Enthalpiewerten.
Unter Ausnutzung dieser Maßnahmen ist es möglich, z.B. ein Kraftfahrzeug mit einer herkömmlichen Antriebsleistung von 100 kW mit einem Energieeinsatz von 2 1 Benzin zu betreiben.
Neben den rein ökonomischen Vorteilen durch Einsparung von Energie sind Antriebsaggregate nach dem vorerwähnten Prinzip sehr umweltfreundlich, da die Umwelt nur mit einem äußerst geringen Anteil an Schadstoffen belastet wird.
BEZUGSZEICHENLISTE Figur 1) Antriebsaggregat mit 2 Kompressoren 1 Antriebsmotor 2 Saugseite 3 Saugleitung 4 Heißgaswärmetauscher (Kondensator) 5 Wärmepumpenkondens ator 6 Wärmepumpenkompres sor (interner Wärmepumpenkreislauf) 7 Motor 8 Hochdruck-Kompressor 9 Kühlmittelleitung 10 Sauggas-Wärmetauscher (Verdampfer) 11 Expansionsventil 12 Sammler 13 Wärmepumpenverdampfer 14 Druckleitung (CO 2) 15 Druckseite 16 Abtriebswelle BEZUGSZEICHENLISTE Fig. 2) Antriebsaggregat mit einem Kompressor 17 Motor 18 Saugseite 19 Saugleitung 20 Wärmetauscher (Kühlmittel und Abgase, expandiertes Gas CO 2) 21 Abgaswärmeleitung 22 Kühlmittelleitung 23 Motor 24 Kompressor 25 Zusätzlicher Abgaswärmetauscher 26 Druckleitung CO 2 27 Abgas-Austritt Leerseite

Claims

ANIRIEBSAGGREGAT ZUR ERZEUGUNG VON BEWEGUNGSENERGIE UNTER AUSSETZUNG DER EXPAS4SION NWHTBREtNBARER GASE P A T E N T A N S P R Ü C H E e;/ Antriebsaggregat, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 2 oder mehrere Kreisprozesse miteinander in Funktion gebracht werden.
2. Antriebsaggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Antriebsmotor (Elektromotor oder Verbrennungsmotor) 2 Kompressoren antreibt, wovon 1 Kompressor zur Erzeugung von Heizenergie sowie Kälteenergie dient, wobei der andere Kompressor im Kreislauf 2 nach Fig. 1 zur Erhöhung des Druckes im separaten Gaskreislauf dient, wobei dieser Druck zum Antrieb eines Motors dient.
3. Antriebsaggregat nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß im internen Warmepumpenkreislauf mit einem Fluor-Kohlenwasserstoff-Gas gearbeitet wird, während im externen Kreislauf 2 ein anderes Gas verwendet wird.
4. Antriebsaggregat nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß im externen Kreislauf 2 mit CO 2 gearbeitet wird.
5. Antriebsaggregat nach Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß im externen Kreislauf 2 auch mit anderen einatomigen Gasen wie Stickstoff oder auch mit Mischgasen gearbeitet werden kann, deren Eigenschaft es ist, ein möglichst geringes Volumen im expandierten Zustand einzunehmen und eine möglichst niedrige Verdampfungswärme zu besitzen.
Patentansprüche, 6. Antriebsaggregat nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß im internen Wärmepumpenkreislauf Kondensator und Verdampfer als Gas/GasJWärmetauscher oder Flüssigkeitswärmetauscher ausgebildet sind. Flierbei wird das Gasvolumen im externen Kreislauf nach der Expansion durch den Kondensator des internen Kreislaufes geschickt, um so wieder ein erhöhtes Temperaturniveau zu erlangen. Die im internen Kreislauf anfallende Kühlleistung im Verdampfer wird zur Stabilisierung des eXternen Kreislaufes benötigt, sowie zur Kühlung des Antriebsmotors.
7. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß ohne Zwischenschaltung eines Wärmepumpenaggregates ein Antriebsmotor einen Kompressor antreibt, (Fig. 2) der ein Gas auf ein höheres Druckniveau bringt. Dieser Druck beaufschlagt dann die Kolben des eigentlichen Motors.
8. Antriebsaggregat nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor des Kompressors als Otto-, Diesel- oder Elektromotor ausgebildet sein kann.
9. Antriebsaggregat nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Antriebsmotor und Kompressor starr auf einer Welle sein kann oder mit elastischen Verbindungsgliedern erfolgt.
10. Antriebsaggreyat nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß der angetriebene Kompressor ein vorgespanntes Gas ansaugt und dieses auf ein höheres Druckniveau bringt, dabei wird der Druck auf die Kolben eines separat zu installierenden Motors übertragen, der einen oder mehrere Zylinder haben kann.
11. Antriebsaggregat nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abwärtsbewegung des Kolbens im Motor das Gas expandiert, sich abkühlt und ein größeres Volumen einnimmt.
12. Antriebsaggregat nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Motor austretende und weiter expandierte Gas über Gas/Gas-oder Flüssigkeit/Gas-Wärmetauscher durch die Verlustwärme des Antriebsmotors (Otto- oder Dieselmotor) erwännt wird, wodurch ein Druckanstieg bewirkt wird.
Patentansprüche, 13. Antriebsaggregat nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Wärmetauscher austretende Gas von dem Kompressor angesaugt und auf ein höheres Druckniveau gebracht wird.
14. Antriebselement nach Anspruch 10, 11. 12 imf 13 dadurch gekennzeichnet, daß in dem eigentlichen Motor eine Druckdifferenz zustandekommt, die je nach Auslegung des Gaskreislaufes zwischen mehreren 100 bar und 0 bar liegen kann.
15. Antriebsaggregat nach Anspruch 12, 13 und 14 dadurch gekennzeichnet, daß in dem Motor nach Austreten des Gases eine Expansion und damit eine Abkühlung des Gases erfolgt, wobei der eigentliche Block des als Motors als Wärmetauscher wirkt, der wiederum zusätzlich Wärmeenergie in Form von erwärmtem Gas oder erwärmter Flüssigkeit vom Verbrennungsmotor erhält.
16. Antriebsaggregat nach Anspruch 2 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß Antriebsmotor, Kompressor und Motor drei einzelne Einheiten bilden, die miteinander mechanisch bzw. gasseitig verbunden sind.
17. Antriebselement nach Anspruch 1-16 dadurch gekennzeichnet, daß Antriebsmotor, Kompressor und Motor in einem Gehäuse untergebracht sind.
18. Antriebsaggregat nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gaskreislauf für den Motor mit geringem Gasvolumen gearbeitet wird, um so konstante Ausgangsbedingungen zu erhalten.
19. Antriebsaggregat nach Anspruch 5 und 18 dadurch gekennnzeichnet, daß je nach dem gewählten Druck- und Temperaturbereich eine Vorwärmung des Gases im Motor erforderlich ist, welches insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen mittels Verlustwärme des Antriebsmotors geschieht.
Patentansprüche, 20. Antriebsaggregat nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß im eigentlichen Motor ein schneller Gaswechsel gewährleistet ist.
21. Antriebsaggregat nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsaggregat nach dem Zweitakt-Prinzip arbeitet.
22. Antriebsaggregat nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Motor Ein- und Auslaßschlitze im Zylinder besitzt, wobei die Steuerung der Gaszu- und -abfuhr über den Kolbenhub erfolgt.
23. Antriebsaggregat nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mit Ventilen ausgerüstet ist. Hier können Pilzventile, Flachschiebersteuerungen oder Schiebersteuerungen verwendet werden.
24. Antriebsaggregat nach Anspruch 7 und 23 dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotationsventilsystem verwendet wird mit entsprechenden Bohrungen oder Schlitzen, wobei der Antrieb der Ventilsteuerung über den Motor selbst oder drehzahlabhängig von dem Antriebsmotor selbst erfolgt.
25. Antriebsaggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 2 Kreisprozesse gegenläufig zueinander arbeiten, um so Verlustleistungen zu kompensieren.
26. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, 2, 3 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Kompressor austretende hochgespannte Gas auf die Schaufeln einer Turbine geleitet wird.
27. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, 2, 3 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Kompressor austretende hochgespannte Gas auf die Arbeitsflächen eines Roots-Motors geleitet wird.
28. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, 2, 3 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Kompressor austretende hochgespannte Gas in einen Wankel-Motor geleitet wird.