DE3308672A1 - Motorkompressor mit niedertemperaturantrieb - Google Patents

Description

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'•lpi. Ing.Heinz Borsdorf· -3- ?*'

f.uthaer itrasse 1Λ
.•i5oi Zierenberg

Deutsches Patentamt

Zweibrückenstrasse 12

θοοο München 2

Be tr: Paten t-und HilfsgebrauchsmusfceirdrwreTcfung "Motorkompressor mit Niedertemperaturantrieb"

Motorkompressor mit Niedertemperatturantriejb '

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit einem Kolben, '·■ ^v die von erhitzten Dampf vorzugsweise'aua Fluorkahlenwaasar-* ■■',. stoffen als Arbeitsmittel angetrieben.-wird'"u-rad mechanische -"'"'■ Energie erzeugt und diese erzeugte Energie im gleicher»·. :Hüb. .,■··■' über den gleichen Kolben wieder in die Uerd-ientungssneirgia .', eines Kompressors umsetzt* . ^;'

Zweck der Erfindung ist es,zwei Maschinen in einer' Maschine zusammenzufassen,einen Antriebsmotor und einen Kompresse*; der als Antriebsenergie das Uärmereservoir mit Vergleichs—

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weise niedrigen Temperaturen nützen kann und damit- zur Erzeugung ■ mechanischer Energie auf die Verbrennung hochwertiger Brennstoffe wie Öl oder Gas verzichten kann. _: Es ist bekannt,daß zur Erfüllung dieser Erfordernisse^.der Ver« brennungs-und der Arbeitsraum der Maschine zu trennen ist,wie das beispielsweise bei der Dampfmaschine, gegeben ist. In diesem Fall kann die Erhitzung des Arbeitestoffes und die Verdampfung desselben mit unterschiedlichen Brennstoffen und Wärmequellen -rfolgen.

Es ist weiter bekannt,daß die Fluorkohlenwasserstoffffjim folgendem mit FKU bazeichnet,niedrige Siede-und Verdampfungs-

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t.t-mperaturun bissit/er· « Ep sinrj ,z.n, ''KiJ-Ar!... CM^tnTfe Gekannt, die bereits Dei Π"¹C einan Dampfdruck von / ■■ ':st aufweisen und

θΐπΒ kritische Temperatur von 19°C hei einein Kritischen Drue« von 42 bar.

Wit diesen Arbeitsstaf fen gelingt es, bereits bei verglei chsueise niedrigen Temperaturen hochgespannten Dampf zi. erzeugen, der ■zur Erzeugung mechanischer Energie genutzt werden kann.

Es. ist auch bekannit,daß der FKU-Arbeitsstoff 'iber Cl-und Damofbeheizte yäcmeerzeuger werdampft wird und schnell laufende Turbinen antreibt und·an diese sein Arbeitsvermögen abgibt. Der Nachteil ist aber,daß die Turbine sehr hohe. Orehzahlen erfordert und als Antriebemaschine und Arbeitsmaschine nur begrenzt und 'nicht so universell uie die Kolbenmaschine eingesetzt uerdan kann.

Es ist auch der ue^tere Nachteil,daß die Antriebsmaschine und iip.T Kompressor nicht so vollständig zu einer Maschineneinheit zusammengefasst uörden können,uie es der erfindungsgemässe notorkotrpressor, darstellt.

D&T Erfindung lieqt daher die Aufgabe zugrunde, über einen Kolbenmotor 'Jrrmeenergie mit einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau ih mechanische Eria-rgie umzusetzen und über den gleichen Kolben der Maschine diese gewonnene mechanische Energie wieder zu verbrauchen und in die \/erdichtungsarbeit eines Kompressors umzusetzen. Der Kompressor- arbeitet vorzugsweise in Uärmepumpen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß damit gelöst,daß in einem vorzugsweise bezüglich der .Eintritts-und Auslaßöffnungen und der Ventile symetrisch ausgebildeten Zylinder ein ebenfalls symetrisch ausgebildeter Kolben sich in Kolbenhüben hin-und herbewegt und von einer Kolbenstange geführt wird ,die einerseits die Elemente zur Erzeugung der Steuerimpulse trägt und die eine Schwungscheibe antreiben.kann, die'der Regulierung gleichm?ssiger Kolbenhübe dient.

Entsprechend der Bewegung der Kolben,- öffnen oder schliessen die Ventile der Ein-und Austrittsöffnungen der Arbeitsmitteldämpfe. Vorzugsweise wird für den Antrieb der Kolben das gleiche Arbeitsmittel verwendet,wie für die Verdichtung des Arbeitsmittels.

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Gegenstand der Erfindung ist ^as,daö die Bine Koiben^l^rhe vom Druck des gespannten Dampfes angetrieben wird,während die andere Kolbenfläche im gleichen Kolbenhub das angesaugte Kältemittel zusammendeückt und verdichtet. Kennzeichnend für die Erfindung ist es daher,daß im unteren Totpunkt der Kolbenbewegung,in der Mittelfläche des Zylinders,der antreibende Arbeitsstoff im Zylinderraum durch entsprechende Ventilschaltung gegen den zu verdichtenden Arbeitsstoff ausgetauscht wird. Erfindungsgemäß gehören der antreibende Arbeitsstoff und der zu verdichtende Arbeitsstoff zwei verschiedenen Kreisläufen an, die sie in den Zylinderräumen der Kolbenmaschine kreuzen.Beide Kreisläufe und beide Arbeitsmittel werden getrennt behandelt. Da es ueim Austausch der Arbeitsstoffe nur schwer zu vermeiden ist, daß Restbestände in den Zylinderräumen verbleiben,erweist es sich als zweckmässig, für den Arbeits-und Verdichtungskreislauf die gleichen Arbeitsstoffe zu verwenden.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß der b ^chriebene Motorkompressor erfindungsgemäß universell eingesetzt werden kann.

Er dient als Kolbenmaschine zur Erzeugung mechanischer Energie aus Uärmereservoiren mit vergleichsweise niederen Temperaturen. So können Temperaturbereiche von 2o°bis 5o C und darüber herangezr gen werden,mechanische Energie zu erzeugen. Zur Verdampfung des FKU-Arbeitsstoffes kann auf hochwertige Brennstoffe verzichtet werden . Die erforderliche Wärmeenergie kann dem FKU - Arbeitssto' über Wärmetauscher zugeführt werden,die Abwärme nutzen oder über Kollektoren oder Absorber die Solarenergie.gewinnen. Der Motorkompressor kann damit als Arbeitsmaschine für vielseitige Antriebsarbeiten eingesetzt werden,ohne zusätzlich die Funktion des Kompressor« zu übernehmen.

Der Motorkompressor kann separat als Verdichtungsmaschine arbeiten,ohne zusätzlich die Antriebsfunktion zu übernehmen. Er kann gleichzeitig als Antriebsmaschine und Kompressor arbeiten. Erfindungsgemäß unterscheiden sich die verschiedenen "unktionen nur durch die Änderung des Steuerungsprogrammes der Ventile.

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ι· Au?f uhrungshnisr i el ι er f rf Lnriunq · st i.i üvt ZeicnnL. ic dargestellt und wird im !olgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 Die schematische Darstellung des flotorkompressors

mit Niedertemperaturantrieb.
Fig. 2 Das Arbeitsschema d8s Motorkompressors im Einsatz für eine Wärmepumpe.

Die Fig. 1 zeigt das Schema des Motorkompressorstien Zylinder mit dem symetrischen Doppelkolben,der sich in der Stellung OT, des oberen Totpunktes befindet. Der Zylinder besitzt an jeder Seite 4,insgesamt 8 Ventilöffnungen und ebenfalls vorzugsweise 8 elektronisch gesteuerte Ventile,die die Arbeitsmittelströme steuern. Diese Ventile sind zweckmässig in den schematisch als Hosenrohre dargestellten Zu-und Ableitungen der Arbeitsstoffe angeordnet.

Die ausserhalb des Zylinders auf der Kolbenachse angeordnete Lochfahne dient der elektronischen Steuerung der Ventile. Es handelt sich erfindungsgemäss um eine Lichtsteuerung. Die feststehende Lochreihe (1) wird von der beweglichen Lochfläche (2) überglitten· Liegen im Bewegungsrythmus zwei Löcher der beiden Scheiben übereinander, wird ein Lichtstrahl freigegeben,der auf eine zugehörige lichtempfindliche Fläche fällt und für ein zugehöriges Ventil einen Schaltimpuls auslöst. Mit diesen erfindungsgemässen Steuerung können eine ausreichende Zahl von Ventilen und Vorgängen als Funktion der Bewegung der Kolbenstange zeitlos und abnutzungsfrei gesteuert werden. Vorzugsweise und erfindungsgemäß ist am Ende der anderen Kolbenstange (3)über ein Pleuel eine Schwungscheibe angeschlossen, die die Länge der Kolbenhübe steuert,die Umkehrpunkte des Kolbens gleichbleibend festlegt und über die Totpunkte der Kolbenhübe elastisch hinwegführt.

Über die Ventilstellungen lässt sich die Uirkungsweise der Maschine erläutern.

Es wird zunächst nur der Motorbetrieb,die Erzeugung mechanischer Arbeit betrachtet.

Hierbei tfreten nur die Ventile (4,^·) und (5,7) in Aktion. Die Richtecke mit Diagonalen (16) stellen die Ventile dar.

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iJie Ziffern an den Kanalfaf t nungen kennzeichnen gleichzeitig die zugehörigen Ventile,die jeueils den Arbeitsmittelstrom freigeben oder absperren.

Im Motorbetrieb bleiben die Ventile (8,1o) und (9,11) unbeteiligt und geschlossen.

Der Kolben befindet sich im oberen Totpunkt,das Ventil(4) öffnet und über den Kanal (12) strömt gespannter Dampf in den Zylinderraum.Der Kanal(i2) verbindet den Zylinder mit dem Dampferzeuger,dem Wärmetauscher oder dem Erhitzer.

Erreicht die Kolbenfläche die Mittellinie des Zylinders,den unteren Totpunkt,hat auf diesem Kolbenueg das Ventil (4) im geeigneten Zeitpunkt geschlossen und das Ventil (7) geöffnet. Beim Beuegungsgang des Kolbens von (4) in Richtung (6) bleibt das Ventil (6) geschlossen,desgleichen Ventil (5). Der gespannte Dampf ist in (4) eingetreten,hat den Kolben bewegt und Arbeit verrichtet and sich entspannt. Bei (7) tritt er uieder aus. Inzwischen hat die \olbenflsche (6) erreicht und es tritt gespannter Dampf in den Zylinderraum,der den Kolben uieder antreibt.(6) schliesst und (5) öffnet.Während dieser Kolbenbewegung uar (4) und (7) geschlossen. Nunmehr beginnt der Arbeitsvorgang bei (4) uieder neu. Die so erzeugte mechanische Arbeit uird über die Kolbenstange (3) an eine geeignete Arbeitsmaschine abgegeben. Die Kolbenmaschine arbeitet damit als Antriebsmaschine. Hie gleiche Maschine kann separat als Kolbenverdichter arbeiten und Gas ansaugen und verdichten und das Verdichtete Gas ausstoßen. Hierbei uird dem Verdichter von Außen mechanische Energie zugeführt ,über die Kolbenstange (3) und der Kolben leistet die entsprechende Verdichtungsarbeit.

Hierbei treten die Kanäle (15) und (13) in Aktion,während die Kanäle (12) und (14) geschlossen bleiben. Das Gas uird über(?) angesaugt,während (40)geschlossen ist. Der Kolben verdichtet es und stösst es über (id aus. Anschliessend erfolgt der Ansaugvorgang oei (11) und der Ausstoß bei (B).

Tie unveränderte Kolbenmaschine uird als Verdichter z.B. für Wärmepumpen eingesetzt. Nur das Steuerprogramm der Ventile uird vom Motor-auf den Kompressorbetriet umgestellt. Die beiden Arbeitsweisen,"Motor" und "Verdichter" lassen sich durch das Einstellen des entsprechenden Ventilproorammes auch

gleichzeitig abfahren.

Uie der Fig.2 zu entnehmen ist, ist der Motorkumpressoi gleichzeitig an zwei Arbeitsstoffkreise angeschlossen. Der Krei9 (17) ist der Arbeitskreis,der mechanische Energie erzeugt,während der Kreis (19) ,hier ein Uärmepumpenkreis, die mechanische Energie,die Kompressorarbeit verbraucht. In jedem der Kreise fliesst ein FKU-Arbeitsstoff-Strom, der sich im Motorkompressor der Fig. 1 kreuzt. Der im Erhitzer erzeugte Dampf wird über die (12) und (14) zu-und abgeführt und erzeugt im Motorkompressor (18) mechanische Arbeit,die im Kreis (19) wieder verbraucht wird. Im Uärmepumpenkreis (19) zirkuliert ein FKU-Arbeitsmittelstrom mit anderen Temperaturen und Drücken,als der FKU-Strom im Kreis (17). Der Arbeitsmitteletrom wird über (13) angesaugt,in (18) verdichtet und in (15) ausgestossen. Die beiden Arbeitsmitteiströme unterschiedlicher Druck-und Temperaturzustände werden im gleichen Motorkompressor verarbeitet.Die beiden Gasströme kreuzen sich damit im Motorkompressor.

Die Fig. 1 verdeutlicht die Summe der Arbeitsgänge. Über die Kanäle (12) und (14) mit den zugehörigen Ventilen (4,6,5,7) wird der Motorbetrieb gefahren.

Der Kompressorbetrieb wird über die Kanäle (13) und (15) und die Ventile (8,1o,9,1i) gefahren.

Bei einer entsprechenden Ventilsteuerung laufen beiden Vorgänge gleichzeitig ab.

Während über (4) gespannter Dampf einströmt schliessen die Ventile (8,7,5,6 und 1o).

Über (9) uird Kältemittel angesaugt und im Zylinderraum verdichtet, Die Verdichtungsarbeit leistst das FKU-Arbeitsmittel ,das im Zylinderraum bei (4) expandiert.

Auf etua halben Kolbenweg schliesst (4) ,im unteren Totpunkt öffnet (7) und der entspannte Dampf strömt aus. Inzwischen ist auf dem Kolbenweg von (9) nach (io) das Gas verdichtet,(9) hat geschlossen und (io) öffnet kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) des Kolbens und das verdichtete Gas wird in(i5) ausgestossen. Jetzt schliesst (io) und (6) öffnet.Gespannter Dampf strömt über (12) durch die Öffnung (6) ein.

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?ui jleichen Zeit uird über (11) '">a.^c anaesaugt.Ausser (6) jnd ( 11 )■ sind sämtliche übrigen Ventile geschlossen.Der gespannte Dampf treibt den Kolben von (6) nach (5) an und v/erdichtet gleichzeitig das Kältemittel auf dem Uege υοη (11) nach (θ). Es schfciesst wieder (8) und (4) öffnet sich und desgleichen öffnet sich (9) und (11) schliesst.Sämtliche anderen Ventile sind geschlossen. Es beginnt uieder der Ueg υοη (4) nach (7) und υοη (9) nach (10).

Die Ventilpxograimna werden über die Lichtstrahlstsuerung (1) und (2) geregelt.

Fig. 2 stellt die beiden Arbeitskreise des Motorkompressors im Uärmepumpenbetrieb dar.

Der mechanische Energie erzeugende Arbeitskreis (17) besitzt einen Uärmetauscher als Erhitzer des Arbeitsmittels.Dieses leistet im Motorkompressor (18) Arbeit.Das FKU-Arbeitsmittel wird im Verflüssiger (21) kondensiert.In einem Drosse^entil (22) uird der Druck des FKU-Stromes reduziert und das Arbeitsmittel fliesst in einen Vorratsbehälter (23) und uird über ein ΕΙηβρΓ^ζυβηΐίΙ (24) uieder dem Erhitzer (2o) zugeführt. Der Arbeitskreis der Uärmepumpe uird als bekannt angenommen. Das im Kompressor (18) υeΓdichtete FKU-Gas uird im Verflüssiger (25) kondensiert und im Drosse^entil (26) entspannt. Im Absorber (27) nimmt das FKU-Arbeitsmittel Umueltenergie auf und im Wärmetauscher (28) kann die Abuärme des Kreises (17) zusätzlich aufgenommen werden.
Die Patentansprüche sind auf einem besonderen Blatt enthalten.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Motorkompressor mit Niedertemperaturantrieb zur Erzeugung mechanischer Energie bei vorzugsweise gleichzeitiger Nutzung dieser Energie in der gleichen Maschine über den gleichen Kolben im Verdichterbetrieb für Uärrnepumpen

   gekennzeichnet dadurch, daß an einen Zylinder zwei Arbeitsmittelkreisläufe (12,14) und (13,15) angeschlossen sind,von denen jeder mit einer ausreichenden Anzahl Ein-und Auslaßöffnungen im Zylinder und mit einer ausreichenden Anzahl von Ventilen versehen ist, die die Arbeitsmittelströme nach einem festgelegten Programm so steuern, daß im Zylinder ein Kolben angeordnet werden kann, der gleichzeitig im gleichen -Kolbenhub von Druckkräften des ersten Arbeitsmittelstromes (12,14) angetrieber und in Richtung der Zylinderachse bewegt wird und hierbei das jeweils in den Zylinderraum angesaugte Gas des zweiten Qrbeitsmittelstromes (13,15) verdichtet und das verdichtete Gas ausstösst.

   ! Motorkompressor mit Niedertemperaturantrieb gekennzeichnet dadurch, daß der Arbeitskolben (29) mtt einer oder zwei Kolbenstangen versehen ist, die die Steuerelemente der Ventilsteuerung (1,2) tragen und ein den Kolbenhub begrenzendes Schwungrad Pber eine Pleuelstange antreiben (3).

   Motorkompressor nach den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeicnet dadurch, daß der Ventilsteuermechanismus über Lichtstrahlen und lichtempfindliche Zellen erfolgt,indem an einer Kolbenstange eine Lochplatte (2) befestigt wird,die an einer feststehenden Lochplatte vorbeiglsitet.Auf beiden Lochplatten sind die Löcher dem Programmschema entsprechsnc angeordnet und werden im geeigneten Zeitpunkt dBs Bewegungt Vorganges zur Deckung gebracht,daß ein Lichtstrahl eine Lichtempfindliche Zelle trifft und im geforderten Zeitpunkt einen Schaltimpuls auslöst,der das zugehörige Ventil bedient. ORIGINAL INSPECTED ^C0PY

   Motorkomprsssor nach dan Ansprüchen 1 bis 3 gek;ennzeichnet dadurch,daß ein Arbeitsmittelkreis lauf (13,1.5) !Ungenutzt bleibt und die zugehörigen

   "". EÜn-und AusläßöffnUngen geschlossen bleiben und der Flotorkompressor nur über den Arbeitsmittelkreislauf (12,14) als Kolbenmaschine arbeitet und mechanische Energie erzeugt und öine geeignete andere Arbeite-,'maschine über ..die. Kolbenstange (3) ,antreibt.

   Motorkompressor' naoh den Ansprüchen 1 bis 3 gekennzeichnet dadufeh, daß dsr«Ärbeitsmittelkreislauf (13,15) nicht genutzt uird und", die KolbBnmaachine als Uerdichter ar-

   .beitet und der Verdichterkolben über die Kolbenstange (3) "·»angetrieben uird* "

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