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DURCH AUSSERE WäRMEZUFUHR BETRIEBENE XRME- UND
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KRAFTMASCHINE Die Erfindung verfolgt das Ziel, in einem durch äußere
Verbrennung von gasförmiyen, flüssigen und festen Brennstoffen beheizten geschlossenen
Warmepump-Prozeß gleichzeitig und regelbar zusätzliche mechanische Leistung zu erzeugen.
Eine solche kombinierte Anlage dient dazu, im Winter neben der Beheizung von Wohn-,
Geschäfts- oder Fabrikraumen je nach Bedarf z.B.
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elektrische Energie zu erzeugen, die unmittelbar und am gleichen Ort
verbraucht oder in das Versorgungsnetz eingespeist werden kann. Im Sommer läßt sich
mit der selben Anlage die Klimatisierung der selben Räume und bei Bedarf die Stromerzeugung
betreiben.
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Die Erfindung basiert auf dem bekannten VuilleumiecProzeß, bei dem
in einem geschlossenem mit Druckgas gefülltem System, das aus zwei mit Verdrängerkolben
und parallel geschalteten thermischen Regeneratoren versehenen Zylindern besteht,
durch äußere Zufuhr von Wärmeenergie in einem der Zylinder,ein Kälteprozeß im andern
Zylinder aufrechterhalten wird. Das besondere Kennzeichen vorliegender Erfindung
besteht im Gegensatz hierzu darin, daß die von den Verdrängerkolben in den Zylindern
abgeteilten Volumina unterschiedlich sind und nicht durch eine isochore Zustandsänderung
zu beschreiben sind.
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Die Wirkungsweise der kombinierten Wärme-und Kraftmaschine geht aus
Figur 1 hervor, in der schematisch die Zylinder 1, 2 mit den Verdrängerkolben 3,
4 und den mit ihnen verbundenen Differentialkolben 5, 6 gleichachsig dargestellt
sind. Ober die Kolbenstangen 7, 8, die druckdicht in das Kurbelgehäuse 9 eingeführt
sind, und die Pleuelstangen 10, 11, die an die Kurbelwelle 12 angelenkt sind, werden
die kombinierten Differential- und Verdrängerkolben 3-5 und 4-6 mit etwa 90°Phasenwinkeldifferenz
in den Zylindern 1, 2 periodisch hin- und herbewegt.
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Während dieser Hubbewegung ändern sich die von den Kolben abgeteilten
Gasvolumina 13, 14, 15, bzw. 16, 17, 18 sinusförmig mit der Zeit.
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Die Zylinderräume 13, 14 bzw. 16, 17 sind über die thermische Regeneratoren
19, 20 miteinander verbunden, so daß in jedem Teil volumen (wenn man von Strömungsverlusten
absieht) zu jeder Zeit
derselbe Druck des Arbeitsgases, meist Hochdruckhel
i um, herrscht. Da beide Zylinder 1, 2 zusätzlich über die Verbindungsleitung 21
kommunizieren, ist auch zwischen den entsprechenden Zylindervolumina der Druck ausgeglichen.
Wird nun über den Wärmetauscher 22 dem Zylindervolumen 16 die Wärmeleistung Q2 bei
der Temperatur T2 von z.B. 6000C zugeführt und über den Wärmetauscher 23 dem Zylinderraum
17 die Wärmemenge Q02 bei der Temperatur T0 von z.B. 60 0C entnommen, so wird der
sich im Zylinder 2 und Regenerator 20 einstellende Gasdruck von der Stellung des
Verdrängerkolbens 4 abhängen, da die gesamte Gasmenge m2 konstant bleibt. In der
linken Totpunktlage des Kolbens ist das in 16 eingeschlossene Volumen Null und das
entsprechende in 17 maximal, d.h.die Gasmenge m2 befindet sich zum größten Teil
(wenn man von den Totvolumina von 20 absieht) auf der Temperatur T0 und unter dem
aus dem idealen Gasgesetz resultierenden Druck p = m2R To/Vo2 ' (1) wenn R die für
das Arbeitsgas berechnete Gaskonstante und V02 das Volumen von 17 bedeutet. In der
rechten Endlage des Kolbens befindet sich dieselbe Gasmenge auf der viel höheren
Temperatur T2 und dem Druck m2R T2/V2, (2) wenn mit V2 das Volumen 16 bezeichnet
wird; damit wird p" beträchtlich größer als p'. Der thermische Regenerator 20 hat
die Aufgabe, den Wärmeinhalt (Enthalpie) der Gasmenge m2 bei der Kolbenbewegung
von der rechten in die linke Endlage in seinem Speichervolumen aufzunehmen und in
der Gegenphase wieder an das durchströmende Gas abzugeben.
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Man kann davon ausgehen, daß sich in dem vom Kolben 6 und der Kolbenstange
8 abgeschlossenen Gasvolumen 18, das erfindungsgemäß über die Rohrleitung 24 mit
dem entsprechenden Volumen 15 verbunden ist, ein zeitlicher Mitteldruck pO einstellt,
der zwischen p' und p" liegt. Bezeichnet man den Querschnitt des Kolbens 6 mit A2,
so wird auf ihn die Kraft F2 A2 P(+) - p0 (3) ausgeübt, wenn p(¢) der vom Kurbelwinkel
+ abhängige.periodisch sich ändernde Gasdruck ist. Die Integration über eine
volle
Kurbelumdrehung ergibt Null, d.h. es wird keine Arbeit geleistet oder verbraucht.
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ähnlich liegen die Verhältnisse im Zylinder 1, dessem Außenvolumen
13 über den Wärmetauscher 25 die Wärmeleistung Q1 bei der Temperatur T1 von z.B.
+50C zugeführt wfrd, uährend dem Volumen 14 über den Wärmetauscher 26 die Wärmeleistung
Q01 - hi«dUr wie in LJ - bei der Temperatur To entzogen wird.
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Im Regenerator 19 wird der Wärmeinhalt der im "kalten" Zylinder 1
enthaltenen Gasmenge m1 entsprechend den Temperaturen T0 und T1 abgespeichert bzw.
auf die in Gegenrichtung durchströmende gleiche Gasmenge übertragen. Auch für diesen
Teilprozeß ist die während einer vollen Umdrehung der Kurbelwelle umgesetzte mechanische
Arbeit Null.
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Werden beide Zylinder über die Leitungen 21 und 24 miteinander verbunden
und ist das zwischen diesen Leitungen erfindungsmäßig angebrachte Absperr- und Regelventil
27 geschlossen, so herrscht in den Teilvolumina 13, 14, 16, 17 derselbe Gasdruck
p(¢), der periodisch mit dem Kurbelwinkel + zwischen Extremalwerten schwankt, die
von den zeitlich veränderlichen Volumina der Zylinder, den Eigenvolumina der Wärmetauscher
22,23, 25, 26 und der Regeneratoren 19, 20, sowie den Betriebstemperaturen abhängen.
Wird für die kombinierte Maschine das auf die Kurbelwelle 12 ausgeübte Drehmoment
berechnet, so erhält man einen positiven Wert für die geleistete Arbeit während
einer vollen Umdrehung. Die bei einer vorgegebenen Drehzahl erzeugte Leistung hängt
u.a. vom Querschnittsverhältnis der Kolben 5 und 3 bzw.6 und 4 ab, das das dem Hubvolumina
V02/V2 bzw. VO1/V1 entspricht.
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Das Aggregat wird demnach infolge der Wärmezufuhr Q2 eine mechanische
Leistung abgeben, gleichzeitig aber auch die bei der Temperatur T1 zugeführte Wärmeleistung
Q1 auf die Temperatur To "hochpumpen" und zusammen mit der Abwärme Qo2 des "heis
sen" Zylinders 2 eine Nutzwärmeleistung Q Q01 + Q02 (4) erzeugen. Bei einem Verhältnis
V01/V1= V02/V2= 0,2 werden in einer Maschine mit 1 dm3 Hubvolumen pro Zylinder bei
n=750 1/min und einem Fülldruck von 100 bar aus einer zugeführten Wärmeleistung
Q2= 14,8 kW eine Wärmeleistung Qo = 26,4 kW und eine mechanische Leistung W= 6,1
kW erzeugt. Der Hochtempera-
turzylinder 2 arbeitet also als Druconverter,
der die ihm zugeführte Wärmeleistung Q2 in eine Gasströmung mit dem Druckgefälle
(p"-p') umwandelt. Dem Niedertemperaturzylinder 1 wird bei passender Phasenlage
des Verdrängerkolbens 3 der höhere Gasdruck p" zugeführt, der während der Expansionsphase
mit Hilfe des Regenerators 19 einen Wärmepump- oder Kälteprozeß ausführt.
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Das besondere Merkmal dieses Hybrid-Prozesses besteht erfindungsgemäß
darin, daß mit Hilfe des einstellbaren Ventils 27 die Rohrleitungen 21 und 24 verbunden
werden können. Im geöffneten Zustand herrscht in allen Volumina des Aggregats (mit
Ausnahme des Kurbelgehäuses 9) derselbe Druck in jedem Zeitpunkt, d.h. auch in den
durch die Kolben 5, 6 getrennten Räumen 14, 15 und 17, 18. Das bedeutet, daß der
Differenzdruck p(+)-pO entsprechend Gl.(3) verschwindet und keine Arbeit geleistet
wird. Ein wesentliches Erfindungsmerkmal der beschriebenen Maschine bezieht sich
auf die Verstellmöglichkeit des Ventils 27, mit dem der Druck pO auf einen beliebigen
Wert eingestellt werden kann, der zwischen dem periodischen Arbeitsdruck p(+) und
einem Konstantdruck pO liegt. Es wird dadurch möglich, die von der Maschine abgegebene
mechanische Leistung stufenlos zwischen dem von den Kolbenabmessungen abhängigen
Maximalwert und Null zu regeln.
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In Figur 2 ist eine praktische Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
bei der die beiden Arbeitszylinder 28, 29 mit paralleler Achsrichtung auf dem Kurbelgehäuse
30 befestigt sind. Beide zum Antrieb der Verdrängerkolben 31, 32 dienende Kurbeln
33, 34 sind mit etwa 900 Phasenversetzung fliegend auf der Achse der Asynchronmaschine
35 montiert, die über den Schlupf geregelt als Antriebsmotor während des reinen
Wärmepump- oder Kühl betriebs wirkt oder als Asynchrongenerator seine im gemischten
Betrieb erzeugte Leistung an das Versorgungsnetz abgibt. In Fig.2 sind die thermischen
Regeneratoren 36, 37 und die Nutzwärmeaustauscher 38, 39 konzentrisch um die Zylinder
angeordnet. Dem oberen Zylinderraum von Zylinder 28 wird die Wärmelelstung Q1 bei
der Temperatur T1 mit Hilfe des Wärmetauschers 40 zugeführt, der z.B. aus einer
Vielzahl dünnwandiger Röhrchen besteht, die innen vom Arbeitsgas durchströmt und
außen von Wasser erwärmt werden; die Austauscher 38 und 39
sind
ähnlich konstruiert. Dem Hochtemperaturzylinder 29 wird die Heizleistung Q2 über
einen Röhrchenaustauscher 41 zugeführt, der aus vielen dünnwandigen Chromnickelstahl-Röhrchen
besteht, die durch den Brenner 42 von außen beheizt werden.
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Die Verdrängerkolben 31, 32 werden durch Kolbenringe aus Kunststoff
im unteren (kälteren) Zylinderabschnitt geführt und abgedichtet; sie sind direkt
und starr an den Kolbenstangen 43, 44 befestigt. Die Kolben 45, 46 dagegen werden
zwar gasdicht inden zylindrischen Ansätzen 47, 48 des Kurbelgehäuses 30 geführt,
sind aber gegen die Kolbenstangen radial verschiebbar angeordnet, um nicht eine
freie Radialzentrierung der Verdrängerkolben 31, 32 zu behindern. Die ringförmigen
unteren Arbeitsräume 49, 50 sind über die Rohrleitung 51, die von den Kolbenstangen
43, 44 und den Kolben 45, 46 verdrängten Volumina 52, 53 über eine zweite Rohrleitung
54 unter einander verbunden. Mit Hilfe des Drosselventils 55 können die Rohrleitungen
51 und 54 gegeneinander abgesperrt oder auch über einen einstellbaren Strömungswiderstand
miteinander verbunden werden. Durch Verstellen des Ventils 55 läßt sich die Amplitude
der periodischen Druckschwingung in den kommunizierenden Räumen 52, 53 stetig vom
Maximalwert bis auf Null herabrege n, wodurch gleichzeitig die auf den Motor-Generator
übert rigene nechanische Leistung von Null auf seinen möglichen Maxinalwert ansteigt.
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Erfindungsgèmäß können mehrere Zylinderpaare mit parallelen Achsen
in gleichem Abstand von einer Symmetrieachse angeordnet werden, deren Kolben von
einer gemeinsamen Taumelscheibe angetrieben werden, deren Antriebswelle in der Symmetrieachse
orientiert ist. Ein weiteres Erfindungsmerkmal stellt den gemeinsamen Gegenstromwärmetauscher
dar, der bei Anlagen mit mehr als einem Zylinderpaar die Regeneratoren 36, 37 ersetzt
und deren Rohrstränge einzeln aber in gegenseitigem Wärmeaustausch die jeweils oberen
mit den unteren Zylinderräumen verbindet.
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Zusammenfassend läßt sich die Wärme- und Kraftmaschine entsprechend
dem Erfindungsgedanken folgendermaßen kennzeichnen: a) Durch eine äußere, daher
schadstoffarme Verbrennung gasförmiger, flüssiger oder fester Brennstoffe können
in dem beschriebenen Aggregat sowohl Heizwärme bzw.Kühlleistung mit Hil
fe
einer Wärmepumpe als auch mechanische Energie z.B. zur Stromerzeugung gewonnen werden.
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b) Durch eine einfache, leicht selbsttätig zu betreibende Ventil regelung
läßt sich der Anteil der mechanisch gewonnenen Leistung während des Betriebes stetig
von Null auf den Höchstwert einstellen.
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c) Da die Verdrängerkolben nur durch die aus den Strömungswiderständen
resultierende Druckdifferenz zwischen beiden Kolbenflächen beaufschlagt werden,
lassen sich zu ihrer Abdichtung einfache, reibungsarme Dichtringe anwenden, wodurch
eine lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Maschine garantiert ist.
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Die schlanken Abschnitte 45, 46 der geteilten Verdrängerkolben sind
erfindungsgemäß mit den Kolbenstangen 43, 44 oder Verdrängerkolben 31, 32 nicht
starr sondern beweglich verbunden und können sich in radialer Richtung frei in den
Hilfszylindern 47, 48 einstellen. Mit dieser Maßnahme wird die technisch nur schwierig
zu realisierende dreifache Zylinderführung von Stufenkolben und Kolbenstange vermieden.
Für diese Art der Befestigung, mit der auch mechanische Druckkräfte auf die Kolbenstange
zu übertragen sind, kommt z.B. eine Blattfederlagerung mit einem Hilfsring in Betracht,
die nur Radialbewegungen zuläßt und ein Kippen des Kolbens verhindert. Zur Druckabdichtung
ist eine zusätzliche, radial bewegliche Dichtscheibe aus elastischem Kunststoff
vorzusehen.
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