DE3232497A1

DE3232497A1 - Vorrichtung zur gewinnung mechanischer energie aus waermeenergie

Info

Publication number: DE3232497A1
Application number: DE19823232497
Authority: DE
Inventors: Richard 8000 München Moritz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-09-01
Filing date: 1982-09-01
Publication date: 1983-02-03

Description

Bezeichnung : Vorrichtung zur Gewinnung mechanischer
Energie aus Wärmeenergie Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung mechanischer Energie aus Wärmeenergie.Dies geschieht durch ausnützen der Ausdehnung von Gasen bei Erwärm -ung,bez.verdampfen von Flüssigkeiten.
Sie dient insbesondere dazu, aus geringen Wärmepoten -tialen Energie zu gewinnen.
Es ist bekannt,zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie,Verbrennungsmotore oder Dampf- bez.
Gasturbinen zu verwenden.Diese Maschinen arbeiten jedoch ausschließlich mit hohen Wärmepotentialen,wie sie in unserer Umwelt nur selten vorkommen.Es ist daher notwendig,die vorhandenen Potentiale,mit Hilfe von zugeführter Energie (Brennstoff),auf die erforderliche Höhe anzuheben.
Aufgabe der Erfindung ist es daher,kleine,bereits vorhandene Wärmepotentiale zur Erzeugung mechanischer Energie zu verwenden.Um so natürliche Wärmepotentiale oder auch Abfallwärme herkömmlicher Wärmekraftwerke sowie Prozeswäme für die Energiegewinnung nutzbar zu machen.Ohne das zusätzlich Energie zugeführt werden muß0 Die Aufgabe wird dadurch gelöst,daß ein Zylinder,der mit Gas (Luft) oder einer Flüssigkeit,deren Siedepunkt im verwendeten Temperaturbereich liegt,gefüllt ist,abwechselnd mit Flüssigkeiten verschiedenen Temperaturen umströmt wird.Bei der Umströmung mit der kälteren Flüssigkeit verringert sich das Volumen des Gases bez.das Gas kondensiert.Der hierdurch entstehende Unterdruck bewegt den,sich am Ausgang des Zylinders befindlichen Kolben in Richtung des Zylinders (Saugtakt)0 Bei der Umströmung mit der wärmeren Flüssigkeit ver -größert sich das Gasvolumen bez.die Flüssigkeit ver -dampft.Der hierdurch entstehende Überdruck bewegt den Kolben vom Zylinder weg (Drucktakt).Die Flüssigkeiten, welche den Zylinder umströmen,werden über Ventile dem, den Zylinder umgebenden,Behälter zugeführt und abge -leitet.
Vorteilhaft werden die Ventile temperaturabhängig von einer elektrischen Steuerung gesteuert.Zur Erfassung der jeweiligen Temperatur werden temperaturabhängige Widerstände (Heiß - oder Kaltleiter) an den Einläufen und im Zylinder angebracht.Zu beginn eines jeden Taktes (Saug- oder Drucktakt) öffnen Ein- und Auslaßventil.
Die elektrische Steuerung vergleicht die Temperaturen zwischen Einlauf und Zylinder.Hat die Temperaturdif -ferenz den eingestellten Wert erreicht,so schließt das Einlaßventil und das Luftventil öffnet.Ist der Behälter Entleert,so schließen alle Ventile und die Einlaßven -tile des Gegentaktes öffnen.
Weiterhin Vorteilhaft wird die Kraft des Kolbens nicht direkt auf eine Welle übertragen,sondern auf ein Hy -draulik- oder Pneumatiksystem.Dabei kann der Kolben gleichzeitig die Funktion der Pumpe oder des Kompressors übernehmen.Dies erlaubt den Einsatz des Motors auch dann,wenn die Temperaturbereiche während des Betriebes stark variieren.Dies gilt jedoch nur für gasgefüllte Zylinder, da flüssigkeitsgefüllte Zylinder einen definierten Temperuturbereich voraussetzen.
Weiterhin Vorteilhaft werden die Temperaturen der Betriebsmittel (z.B.Abwärme und Kühlwasser) mittels Wärmetauscher auf motoreigene Kreisläufe übertragen.
Weiterhin Vorteilhaft kann bei größeren Anlagen der Behälter wegfallen.Stattdessen wird ein Rohrleitungssys -tem durch den Zylinder geführt.Das Rohrleitungssystem wird abwechselnd mit Flüssigkeiten verschiedener Temperaturen durchströmt.
Weiterhin Vorteilhaft werden mehrere Zylinder zu einem Motor zusammengeschaltet.Auf diese Weise wird ein gleichmäßigerer lauf des Motors erreichte ist zweckmäßig die Zylinder paarweise anzuordnen,wobei der Eine im Saugtakt arbeitet während der Andere im Drucktakt arbeitetOBeide Zylinder werden von einer Steuerung parallel angesteuert.
Bei einem der beiden Zylinder werden lediglich die Ven tile für warm und kalt,vertauscht,angesteuert.
Weiterhin Vorteilhaft kann der Motor mit einer Wärmepumpe zu einem Wärmeverstärker gekoppelt werden.Die Umweltwärme (z.B.Außenluft) dient hierbei dem Motor als Wärmemittel.Die von der Wärmepumpe erzeugte Kälte dient dem Motor als Kältemittel.
Weiterhin Vorteilhaft werden, zur Erreichung eines höheren Wärmepotentials, zwei Wärmeverstärker zusammengeschaltet.Wobei der Eine den Kälteausgang der Wärmepumpe als Kältemittel und die Umweltwärme als Wärmemittel verwendet.
Ber Andere verwendet den Wärmeausgang der Wärmepumpe als Wärmemittel und die Umweltwärme als Kältemittel.Die freien Ausgänge der beiden Wärmepumpen dienen als Betriebs -mittel eines weiteren Motores Die mit der Erfingung erzielten Vorteile bestehen ins -besondere darin,daß vorhandene kleine Temperaturpotentiale verwendet werden können und daß mit Hilfe einer Wärmepumpe (;Wärmeverstärker) auch Umweltwärme direkt ver -wendet werden kann.Ein weiterer Vorteil ist,daß zum betreiben des Motors nur die Höhe des Wärmepotentials ausschlaggebend ist und die Absoluttemperatur keine direkte Rolle spielt.Der Motor kann auch betrieben werden,wenn beide Betriebsmitteltemperaturen unter OOC liegen.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt.Es Zeigen Fig.1 Eine Vorrichtung nach der Erfindung,bestehend aus einem Zylinder (1),welcher mit Gas (Luft) gefüllt ist.Am Ausgang des Zylinders befindet sich ein Kolben (2),der über Rückschlagventile (3) mit einem Hydrauliksystem verbunden ist.Der Zylinder (1) befindet sich in einem Behälter (4),welcher ab -wechselnd,mit zwei verschieden temperierten Flüssigkeiten,durchströmt wird.
Wird der Zylinder mit der kälteren Flüssigkeit umströmt,so verringert sich das Volumen des Gases.
Der hierdurch entstehende Unterdruck bewegt den Kolben (2) zum Zylinder hin und dieser saugt Hy -draulikflüssigkeit,aus dem Vorratsbehälter (5),an.
Wird der Zylinder mit wärmerer Flüssigkeit umströmt, so dehnt sich das Gasvolumen aus.Der hierdurch entstehende Überdruck bewegt den Kolben (2) vom Zylinder weg und drückt die Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikmotor (6).
Zur Erfassung der Temperaturen befinden sich temperaturabhängige Widerstände (7) an den Einläufen und im Zylinder (1).
Beim einschalten öffnen Einlaßventil-kalt (8) und Auslaßventil-kalt (9)cit die Temperatur im Zylinder knapp über der Eingangstemperatur,so schließt das Einlaßventil-kalt (8) und das Luftventil (10) öffnet*Zeigt der Strömungsmesser (11) an,daß der Behälter (4) leer ist, so schließen Auslaßventilkalt (9) und Luftventiel (10).Nun öffnen Einlaß -ventil-warm (12) und Auslaßventil-warm (13).legt die Temperatur im Zylinder knapp unter der Ein -gangstemperatur,so schließt das Einlaßventil-warm t12) und das Luftventil (10) öffnet.Ist der Behälter (4) leer,so schließen Auslaßventil-warm (1D) und Luftventil (10).Nun beginnt wieder der erste Takt(usw...).
Der Zylinder (1) ist zweckmäßigerweise aus einem Material gefertigt,daß eine gute Wärmeleitfähig -keit besitzt,aber zur Eigenerwärmung nur wenig Energie benötigt (z.B. Cu/Ag... ).Der Behälter (4) und der Kolbenzylinder (14) sowie der Kolben (2) werden zweckmäßigerweise aus Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit gefertigt.
Fig.2 Eine Vorrichtung nach der Erfindung,wobei der In -halt des Zylinders (1) ganz oder teilweise aus einer Flüssigkeit besteht,welche ihren Siedepunkt im verwendeten Temperaturbereich hat.Dies setzt jedoch voraus,daß der Temperaturbereich konstant istvDurch die große Ausdehnung beim Verdampfen der Flüssigkeit, wird hier der Kolben (2) direkt im Zylinder (1) angebracht.
Der Zylinder (1) dient abwechselnd als Verdampfer und Kondensator.Zwischen dem Zylinder (1) und dem Behälter (4) befindet sich ein elastisches Zwi -schenstück (15).Es hat die Aufgabe,die unterschiedlichen Ausdehnungen zwischen Zylinder (1) und Behalter (4) auszugleichen.
Fig.3 Die Flüssigkeitskreisläufe des Motors.Der Motor(16) wird über Rohrleitungen (17) mit den Vorratsbehältern (18) verbunden.Die Umwälzpumpen (19) sitzen im Rücklauf.Sie können direkt vom Motor betrieben werden oder auch unabhängig davon über Elektromotore.
Da der Motor ohne laufende Umwälzpumpen nicht ar -beiten kann,muB muß der Motor gestartet werden,wenn die Umwälzpumpen durch den Motor selbst betrieben werden soll.Die Vorratsbehälter (18) sind über Wärmetauscher (im Vorratabehälter integriert) mit den jeweiligen Betriebsmittelkreisläufen (Abwärme/Kühlwasser) (30) verbunden.Durch die Verwendung von motoreigenen Kreisläufen bleibt die nichtumgesätzte Energie dem Motor erhalten.
Fig. 4 Eine Vorrichtung nach der Erfindung,wobei der Zylinder (1) nicht umströmt wird,sondern stattdessen wird ein Rohrleitungssystem (20) durch den Zylinder geführt.Das Rohrleitungssystem (20) wird anstelle des Behälters (entfällt) abwechselnd mit Flüssigkeiten verschiedener Temperaturen durchströmt.Zwischen Zylinder (1) und Rohrleitungssystem (20) wird ein elastisches Zwischenstück (t5) angebracht.
Es hat die Aufgabe die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen auszugleichen.
Das Rohrleitungssystem (20) ist zweckmäßiger -weise aus einem Material gefertigt,daß eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt,aber zur Eigenerwär -mung nur wenig Energie benötigt (z.B.Cu/Ag...).
Der Zylinder (1) sowie Kolben (2) und Kolbenzy -linder (14) werden zweckmäßigerweise aus Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und einer geringen Wärmeausdehnung gefertigt.
Fig. 5 Eine Vorrichtung nach Fig.1 oder Fig.2'die in Verbindung mit einer Wärmepumpe zu einem Wärme -verstärker zusammengeschaltet ist.Hierbei wird die Energie der Außenluft entzogen.Der Kälteausgang (21) der Wärmepumpe (22) wird zum Kälteeingang (23) des Motors (24) geführt.Der Wärmeein -gang (25) des Motors (24) wird zum Wärmetauscher (26) gerührt.Der Wärmeausgang (27) der Wärmepumpe (22) wird zum Wärmeeingang eines nachgeschalteten Motors oder in ein Heizsystem geführt.
Fig. 6 Eine Vorrichtung'bestehend aus einem Motor (91) mit zwei vorgeschalteten Wärmeverstärkern nach Fig.5 .Hierbei entspricht der Wärmeverstärker(28) dem Wärmeverstärker nach Fig.5'der Wärmeverstärker (29) dem Wärmeverstärker nach Fig.5'jedoch mit umgekehrten Vorzeichen.Das heiBt:Der Wärme -ausgang (27) der Wärmepumpe (22) wird zum Wärmeeingang (25) des Motors (24) geführt und der Kälteeingang (23) des Motors (24) zum Wärmetausch -ers (26).

Claims

PatentansprAche g gorrichtung zur Gewinnung mechanischer Energie aus Wärmeenergie,bestehend aus einem gasgefüllten Zylinder der sich in einem Behälter befindet,welcher abwechs -elnd mit Flüssigkeiten verschiedener Temperaturen durchströmt wird.Die Kraft wird durch einen Kolben,am Aus -gang des Zylinders,übertragen.ie Ventile werden in Abhängigkeit von der Temperatur elektrisch gesteuert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder anstelle der Gasfüllung eine Flüssigkeit enthält, welche ihren Siedepunkt im verwendeten Temperaturbereich hat und daß der Kolben im Zylinder angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft des Kolbens auf ein Hydraulik- oder Pneumatiksystem übertragen wird,wobei der Kolben des Motors gleichzeitig die Aufgabe der Pumpe oder des Kompressors übernimmt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3,dadurch gekenn -zeichnet,daß die Temperatur der Betriebsmittel,mittels Wärmetauscher, auf motoreigene Kreisläufe,bestehend aus je einem Vorratsbehälter (mit integriertem Wärmetau -scher) und einer Umwälzpumpe,übertragen wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch l,dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Behälters ein Rohrleitungssystem,wel -ches sich im Innern des Zylinders befindet,verwendet wird*Das Rohrleitungssystem wird abwechselnd mit Flüssigkeiten verschiedener Temperaturen durchströmt.Der Behälter entfällt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet,daß mehrere Zylinder zu einem Motor zusammengefaßt werdenrwobei je zwei Zylinder von einer Steuerung so betrieben werden,daß daß einer im Saugtakt und der Andere im Drucktakt arbeitet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet,daß die Vorrichtung nach 1 bis 5 direkt mit einer Wärmepumpe gekoppelt ist und daß ein Ausgang der Wärme -pumpe mit dem zugehörigen Eingang des Motors (Kälteein -gang mit Kälteausgang oder Wärmeeingang mit Wärmeausgang) verbunden ist und daß der verbleibende Eingang zu einem Wärmetauscher (Außenluft) geführt wird.Der verbleibende Ausgang der Wärmepumpe wird zu einem weiteren Motor ge -führt oder auch,urenn es sich um den Wärmeausgang handelt, in ein Heizsystem.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet, daß zwei Vorrichtungen nach Anspruch 7 zusammengeschaltet sind,wobei die Eine den Wärmeausgang der Wärmepumpe als freien Ausgang hat,die Andere den Kälteausgang der Wärmepumpe.Zwischen den freien Ausgängen wird der Ar -beitsmotor geschaltet.