DE3314705A1

DE3314705A1 - Durch waermezufuhr direkt betriebener gasverdichter

Info

Publication number: DE3314705A1
Application number: DE19833314705
Authority: DE
Inventors: Franz X. Prof. Dr.-Ing. 8000 München Eder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-05-27
Filing date: 1983-04-22
Publication date: 1984-10-25
Anticipated expiration: 2003-04-23
Also published as: AU1553583A; WO1983004281A1; DE3314705C2; DE3220071A1; EP0178348B1; EP0110905A1; EP0178348A1

Description

Zusatzanmeldung zu ΡΆ""32"'2Ο 071.4 " 331A705

"Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichtcr"

In der Deutschen Patentanmeldung mit dem Akt.Z.: P 32 20 071.4 wird ein Gasverdichter beschrieben, bei dem die Energiezufuhr mittels einer äußeren Verbrennung von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen erfolgt und diese in eine adäquate Kompressionsarbeit verwandelt wird. Die in der besagten Anmeldung enthaltenen Ansprüche geben die technischen Mittel an, um möglichst effektiv das gas-oder dampfförmige Arbeitsmedium in zwei Druckbehältern unterschiedlichen Druckes zu separieren und dieses Druck potential zur Erzeugung mechanischer Arbeit oder zum Betrieb einer Wärmepumpe bzw. einer Kältemaschine auszunutzen. Im Gegensatz zum bekannten Stirling-Motor besteht der Erfindungsgegenstand nacf obiger Patentanmeldung aus dem thermomechanisehen Konverter und einem separaten Expansionsmotor, in dem die durch den Konverter erzeugte Druckdifferenz in mechanische Arbeit verwandelt wird.

In dieser Anmeldung werden verschiedene Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes und ihr technisches Konzept beschrieben. Gemeinsames Merkmal dieser Vorrichtungen ist die Verwendung von Hochdruckgas, vorzugsweise Helium oder Wasserstoff als Arbeitsmedium für den Druckkonverter und die an die Druckspeicher angeschlossene Kraft- oder Kältemaschine. Dies bringt für den praktischen Betrieb den Nachteil mit sich, daß bei hohen Arbeitsdrükken, die im Interesse eines geringen Leistungsgewichts anzustreben sind, eine zuverlässige Abdichtung des Arbeitsmediums in Kraft oder Kältemaschine unmöglich wird. Es sind ferner bislang keine gebräuchlichen Expansionsmaschinen bekannt, die einen Trockengasbetrieb erlauben.

Die vorliegende zusätzliche Erfindung vermeidet beide Nachteile, indem zwischen thermomechanischem Konverter und dem Expansionsmotor bzw. der Kältemaschine eine Trennvorrichtung geschaltet wird, wodurch für die Druckerzeugung im Konverter und für die Expansionsvorrichtung verschiedene und unterschiedliche Arbeitsmedien angewandt werden können. Vorzugsweise werden im Konverter Heliumgas von hohem Druck und im Expansionskreis ein Gas-Ölgemisch verwendet, das eine ölgeschmierte und druckdichte Expan-.sionsmaschine anzuwenden erlaubt.

Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes ist in Fig.l cr-

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läutert, in der ein Ausführungsbeispiel vereinfacht dargestellt ist. Der Druckkonverter besteht aus dem Druckzylinder 1, in dem der schlecht v.'ärmel ei tende Verdrängerkolben 2, der an der durch den Zylinderboden druckdicht geführten Kolbenstange 3 befestigt und über eine Kreuzkopfführung sowie das Pleuel 4 von der Kurbelwelle 5 etwa sinusförmig zwischen oberen und unteren Totpunkt bewegt wird. Die zum Betrieb erforderliche Wärmeleistung wird dem Arbeitszylinder 1 über den Rippenwärmetauscher 6 im Innern der Brennkammer 7 zugeführt. Zylinderkopf und der untere Zylinderraum 8 sind über den thermischen Regenerator 9, den Kühler 10 und besagten Rippenwärmetauscher 6 verbunden, so daß auf dem Verdrängerkolben 2 lediglich der Druckunterschied lastet, der durch die Strömungsverluste in den Wärmetauschern 6, 10 und im Regenerator 9 verursacht wird. Die thermische Isolation der auf hoher Temperatur (400 bis 800⁰C) befindlichen Teile ist in Fig. 1 nur angedeutet; sie ist aber zu einem Teil für den bei der Umsetzung von Heiz- in Druckenergie erzielten Wirkungsgrad verantwortlieh.

Der untere Arbeitsraum 8 von Zylinder 1 ist mit dem Medienseparator 11 verbunden, der in F.ig 1 als geteilter, flacher Druckbehälter dargestellt wird, der aus zwei Kugelkalotten 11a, 11b besteht, die gasdicht durch die elastische Membran 12 getrennt sind. Die Kalotte 11b ist über die Rückschlagventile 13, 14 mit unterschiedlicher Durchströmrichtung mit dem Druckbehälter 15 bzw. mit dem druckdichten Kurbelgehäuse 16 verbunden, in dem der Elektromotor 17 für den Antrieb des Verdrängerkolbens angeordnet ist. Zwischen dem Hochdruckbehälter 15 und dem als Niederdruckbehälter fungierenden Kurbelgehäuse 16 i s t der Expansionsmotor 18 geschaltet, dessen Mengenstrom durch das Regelventil Iy einzustel1 en ist.

Da die im Arbeitszylinder 1 und angeschlossenem Teilvolumen 11a des Medienseparators enthaltene Gasmenge konstant ist, wird sich der darin einstellende Gasdruck periodisch ändern, wenn der Verdrängerkolben 2 zwischen den Totpunktlagen hin- und hergeschoben wird. In Fig.2 ist der Druckverlauf im Arbeitsgas dargestellt für den Fall, daß im Druckbehälter 15 ein höherer Druck herrscht als dem Maximalwert im Arbeitszylinder entspricht und das Ventil 19 geschlossen ist. Erfin-

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■.£.■* · 33U705 dungsgemäß sind die mit dem Kammervolumen 11b des Fluidseparators verbundenen Komponenten 15, 16 und 18 mit einem Gasülgemisch gefüllt; als Druckgas sind außer Helium oder Wasserstoff auch Stickstoff oder Kohlendioxid geeignet, da ihre kinematische Zähigkeit merklich größer und der Adiabatenexponent kleiner als bei Helium sind. Letzterer bewirkt eine geringere Temperaturabsenkung des Arbeitsmediums während der Entspannung im Expansionsmotor 18.

Befindet sich der Verdrängerkolben 2 im unteren Totpunkt und damit die Hauptmenge des Arbeitsgases im oberen Zylinderabschnitt, so erreicht der Gasdruck seinen Maximalwert und wird das Kammervolumen 11b soweit zusammengepreßt, bis der Gasdruck im Zylinder 1 mit dem Druck p. im Behälter 15 übereinstimmen; das Rückschlagventil 14 bleibt währenddessen geschlossen. Bei der Aufwärtsbewegung des Verdrängerkolbens 2 nimmt der Gasdruck ab und wird nach Erreichen des im Kurbelgehäuse 16 herrschenden Druckes ρ das Ventil geöffnet und das Gas-Ölgemisch in die Kammer 11b gesaugt; die Membran 12 liegt im Extremfall an der Innenwand von 11a an.

Bei geöffnetem Ventil 19 wird dem Expansionsmotor 18 das Gas-Olgemisch mit dem Druck.p. zugeführt und verläßt diesen mit dem Druck p_. Bezeichnet man den durchgesetzten Volumenstrom mit V (m/s), so beträgt die im Expander erzeugte mechanische Leistung

P = (p_h- _P(i)V = Ap-V.

wenn dieser das Druckgefälle Δρ = p^- p verarbeitet.

Bei großem Volumendurchsatz wird sich das Druckgefälle im Konverter verringern, wie aus dem gestrichelten Druckverlauf in Fig.2, der über dem Kurbelwinkel -'φ aufgetragen ist, hervorgeht. Beim Kurbelwinkel φ. öffnet sich das Ventil 13 und wird während der Phase φ.<Φ<2π das Kammervolumen lib des Fluidseparators in den Hochdruckbehälter 15 gepumpt. Während der Aufwärtsbewegung des Vordrängers 2 sind der Gasdruck und erreicht beim Phasenwinkel Φ den im Kurbelgehäuse 16 herrschendenDruck ρ . Zwischen φ <ψ<ττ bleibt das Ventil 14 geöffnet und wird Gas-Ülgemisch in die Kammer lib gesaugt. Mit zunehmendem Volupienstrom V, d.h. mit wachsender Drehzahl η des Expanders 18 nimmt die Druckdifferenz (P_h~P ) ab, da sich die öffnungswinkel Φ bzw. ψ, nach kleineren Kurbelwinkelη verla-

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gern * ©*

Ein besonderes Merkmal vorliegender Erfindung resultiert aus dem oben angeführten Zusammenhang zwischen Δρ und V: Für V=O, d.h.im Stillstand des Expansionsmotors, wird. Δρ und damit das erzeugte Drehmoment seinen Höchstwert erreichen. Nimmt die zu V proportionale Drehzahl zu, so nimmt zwar Δρ ab, doch erreicht das Produkt Ap^-V=P (Leistung) einen Maximalwert, der bei hohen Drehzahlen wieder abnimmt. In Fig.2 sind über dem Volumendurchsatz V des thermomechanisehen Konverters bzw. über der Drehzahl des Expanders 18 Drehmoment D und Leistung P aufgetragen. Die Leistungscharakteristik dieser Maschine, die aus Konverter und Expansionsmotor besteht, entspricht der eines Hauptschluß-Elektromotors; bei der Anwendung für den Antrieb eines Fahrzeuges erübrigen sich daher die Kupplungsvorrichtung und ein Schaltgetriebe.

Erfindungsgemäß findet im Primärkreis, d.h.im Arbeitszylinder mit angeschlossenen Wärmetauschern 7, 9 und Regenerator 8, anstelle von Helium- oder Wasserstoffgas der überhitzte Dampf einer kondensierbaren Substanz, z.B. Propylen, fluorierte Kohlenwasserstoffe Anwendung. Der Vorteil dieser im Bereich der Sattdampfzustände stark vom idealen Gasverhalten abweichenden Stoffe i besteht für den Primärkreis darin, daß für dasselbe Druckverhältnis p./p eine niedrigere Heiztemperatur T~ für den Wärmetauscher 6 (Fig.l) angewandt werden kann und dadurch Wärmeleitungs- und Abstrahlungsverluste des Zylinders 1 verringert werden.

Erfindungsgemäß kann im Sekundärkreis des Fluidseparators, der neben den Druckpuffern den Expansionsmotor oder eine Wärmeniaschine enthält, ein beliebiges Arbeitsmedium benutzt werden. Als solches bietet ein Gemisch aus Stickstoff oder Kohlendioxid und Mineralöl den Vorteil, _:daß eine relativ hohe Arbeits frequenz in Wandler und Separator angewandt werden kann und für den Sekundärkreis die unabdingbare Schmierung und Abdichtung des Expansionsmotors gewährleistet wird. Gleichzeitig verringern sich mit einem mehratomigen Arbeitsmedium im Sekundärkreis wegen des kleineren Adiabatenexponenten die beim Kompressionstakt im Separator entstehende Temperaturerhöhung und die bei der arbeitsleistenden Entspannung im Motor auftretende Temperaturerniedrigung. Letztere kann erfindungsgemäß

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dazu genutzt werden, um mit Hilfe eines zusätzlichen Wärmetauschers die im Kühler 10 abzuführende Wärmeleistung zu verringern.

Ein weiteres Merkmal des Erfindungsgegenstandes bezieht sich auf den Sekundärkreis: Anstelle des Kurbelgehäuses 16 wird ein zweiter Druckbehälter an das Rückschlagventil 14 angeschlossen, in den das expandierte Arbeitsmedium aus dem Expander 18 vom Druck ρ strömt. Da die gebräuchlichen Expansionsmotoren bei Umkehr der Drehrichtung -als Pumpe -wirken, kann di^se Eigenschaft zusammen mit besagten Druckspeichern dazu benutzt werden, um bei einem von einem solchen Expansionsmotor angetriebenen Fahrzeug die während des Bremsvorgangs entstehende Bremsenergie zu speichern. Hierzu werden erfindungsgemäß die zum Expander führenden Gasleitungen mit Hilfe eines besonderen Umschaltventils vertauscht.

In einer weiteren konstruktiven Version des Erfindungsgedankens, die vereinfacht in Fig.4 dargestellt ist, befindet sich auch der Expansionsmotor 18 im Kurbelgehäuse 16. Seine Abtriebsachse 20 ist gasdicht aus diesem herausgeführt. Der Expansionsmotor 18 ist an den elektrischen Motor-Generator 17 gekuppelt und treibt nach dem Anlassen nicht nur die Kurbelwelle 5 bzw. den Verdrängerkolben 2 an, sondern kann auch alternativ und regelbar elektrische Energie erzeugen, die gespeichert werden kann.

Erfindungsgemäß ist der Expansionsmotor 18 nicht an den Stanc ort des thermomechanisehen Konverters gebunden, sondern kann mittels flexibler Hochdruckschläuche über die lösbaren Kupplungen 21, 22 an das Regelventil 19 bzw.an das Kurbelgehäuse 16 angeschlossen werden. Ferner ist auch der Parallelbetrieb mehrerer gleichartiger Expander möglich, deren Drehzahl sich . selbsttätig entsprechend dem abgegebenen Drehmoment einstellt. Der technisch Versierte in diesen Eigenschaften des Erfindungsgegenstandes unschwer vielseitige Anwendungsmöglichkeiten auf den Gebieten des Fahrzeugantriebs, der fahrbaren und stationäpen Hebezeuge, der Förderanlagen u.a.

Die Leistungsfähigkeit und Abmessungen dieser neuartigen . Wärmekraftmaschine läßt sich aus theoretischen Überlegungen und praktischen Ergebnissen ableiten: Mit einem Hubvolumen von 1 dm , einer Heiztemperatur T₂ = 50O⁰C, .einem Maximaldruck p_h= 100 bar beträgt bei einer Drehzahl von 1500 l/min die theo-

^{: :} 33U705 retische mechanische Leistung etwa 25 kW; praktisch wird dieser Wert durch den Wirkungsgrad des Konverters und des Expansionsmotors nur zu etwa 65 % erreicht.

Größere Leistungen werden als Mehrzylindermaschinen ausgeführt; die gegenseitige Ausrichtung der Zylinder und die Phasenlage der Verdrängerkolben werden zweckmäßig derart gewählt, daß a) sich die freien Massenkräfte kompensieren, b) die unteren Arbeitsräume (8) der Zylinder mit gleichphasig arbeitenden Verdrängerkolben mit der Gasseite (Ha) eines gemeinsamen Fluidseparators verbunden, und c) die Hochtemperaturwärmetauscher (6) aller Arbeitszylinder in einer gemeinsamen Brennkammer angeordnet sind.

Ein zusätzliches Erfindungsmerkmal betrifft eine spezielle Konstruktion des Fluidseparators, die den in Fig 1 gezeigten mit Vorteil dann ersetzt, wenn die mittleren Arbeitsdrlikke in Primär- und Sekundärkreis verschieden sein sollen. Das in Fig.5 dargestellte Ausführungsbeispiel besteht aus den druckfesten Gehäuse 23 mit den Rückschlagventilen 13, 14, in dem der. Differential kolben 24, 25 sich zwischen.den Endlagen frei verschieben kann. Das von der Rückseite des Kolbens 24 und dem Gehäuse 23 eingeschlossene Volumen ist z.B. mit dem Fluid des Sekundärkreises gefüllt und wird mit dem Druckbehälter 26 verbunden, in dem der konstante, einstellbare Kompensationsdruck ρ herrscht. Die Extremdrücke pi und p' im Sekundärkreis werden im Vergleich zu denen im Primärkreis im Verhältnis der entsprechenden Kolbenquerschnitte übersetzt. Durch Wahl des passenden Kompensationsdruckes ρ lassen sich die in Fig.2 eingetragenen Drücke nach unten verschieben und kann der Minimaldruck ρ . etwa zu Null kompensiert werden.

Faßt man die Merkmale und Betriebseigenschaften der beschriebenen und gegenüber der ursprünglichen Anmeldung erweiterten Erfindung zusammen, so lassen sich im Vergleich zur konventionellen Wärmekraftmaschine folgende Vorteile herausstellen:

1) Die beschriebene Wärmekraftmaschine wird durch äußere Zufuhr von thermischer Energie betrieben, wobei als Primärenergieträger flüssige, gasförmige und feste Brennstoffe genutzt werden können. Die bei ihrer Verbrennung auftretenden relativ niedrigen Betriebstemperaturen von maximal 800⁰C ergeben im Vergleich zum herkömmlichen Otto- oder Dieselmotor nur etwa ein Zehntel der Schadstoffemission an Stickoxiden und KohlenmonoxidT

. 9.

1 2) Der in der beschriebenen Wärmekraftmaschine ablaufende Arbeitsprozeß spielt sich in ,einem kleinen Druckverhältnis von etwa 1:2 ab, wobei die wenigen beweglichen Teile wie Verdrän gerkolben nur gegen geringe dynamische Druckdifferenzen abgedichtet zu werden brauchen, was sich in einer langen Lebensdauer und hoher Betriebssicherheit niederschlägt.

3) Während im Primärkreis vorzugsweise inertes Helium unter hohem Druck angewandt wird, werden im angekoppelten Sekundärkreis für den Betrieb des oder der Expansionsmotoren passende Gas'-01 gemische als Arbeitsmedium benutzt, welche eine zusätzliche Dicht- und Schmierfunktion erfüllen.

4) Bei der Anwendung des Erfindungsgegenstandes auf den Fahrzeugantrieb läßt sich auf einfachste Art der Einzelradantrieb realisieren, da die Expansionsmotoren über flexible Druckschläuche an die gemeinsamen Druckbehälter angeschlossen werden. Durch Vertauschen von Zu- und Rückleitung der einzelnen Motoren mit Hilfe herkömmlicher Umschaltventile kann die Bremsenergie als Druckenergie in den Druckbehältern gespeichert werden.

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Claims

33U705 Patentansprüche

1. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter, bei dem das gasförmige Arbeitsmedium in einem Arbeitszylinder mit parallel geschaltetem thermischen Regenerator eingeschlossen ist und abwechselnd durch Wärmezufuhr im Heißteil des Arbeitszylinders auf hohe Temperatur, in seinem Kaltteil mittels eines Kühlers auf tiefere Temperatur gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltteil des Arbeitszylinders mit einer Kammer eines durch eine verschiebbare, jedoch gasdichte Wand abgeteilten, zwei Kammern enthaltenden Fluidseparators kommuniziert, während die zweite Kammer über zwei Rückschlagventile mit unterschiedlicher Durchströmrichtung mit zwei Druckbehältern verbunden ist, die mit einem gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmedium gefüllt sind.

2. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Fluidseparator .,aus einem geteilten, druckfesten Gehäuse besteht, dessen Hälften .innen die Form von Kugelkalotten besitzen und durch eine Membran «us metallischem oder gummielastischem Werkstoff gasdicht .-getrennt sind.

3. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 und 2y dadurch gekennzeichnet, daß besagte Druckbehälter auf unterschiedlichem Druck gehalten werden und mit einem oder mehreren parallel arbeitenden Expansionsmotoren verbunden sind, welche mechanische Arbeit leisten.

4. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium im aus besagter zweiter Kammer und den Druckbehältern bestehenden Sekundärkreis ein Gas-Ölgemisch verwendet wird.

5. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle für den harmonischen Antrieb des Verdrängerkolbens von einem elektrischen Motor-Generator angetrieben wird, der im druckdichten Kurbelgehäuse (16) angeordnet ist und seinerseits mit einem Expansionsmotor gekuppelt ist, der an die Druckbehälter angeschlossen ist und dessen Abtriebswelle druckdicht aus dem Kurbelgehäuse geführt wird.

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6. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch 3ek^nn^e_i_ch_nejt, daß das Kurbeige-.

häuse druckfest und -dicht ausgeführt ist und als einer der COPY

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besagten Druckbehälter dient.

7. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Fluidseparator aus einem Differentialkolben in.einem druckfesten Gehäuse besteht und drei veränderliche, voneinander abhängige Volumina abschließt, die mit dem Kaltteil (8) des Arbeitszylinders, mit den Druckbehältern (15, 16) über zwei Rückschlagventile (13, 14) und mit einem weiteren Druckbehälter (26) verbunden sind, der das Arbeitsmedium von Primär- oder .Sekundärkreis bei einstellbarem Druck enthält.

8. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus mehreren Arbeitszylindern besteht, deren Achsenrichtung und gegenseitige Phasenlage der Verdrängerkolben derart gewählt sind, daß die freien Massenkräfte weitgehend aufgehoben werden. .

9. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltvolumina (8) der Zylinder mit gleichphasig arbeitenden Verdrängerkol ben mit. der Gasseite (Ha) eines gemeinsamen Fluidseparators verbunden sind und zur Beheizung aller Zylinder getrennte Hochtemperaturaustauscher in einer gemeinsamen Brennerkammer vorgesehen sind.

10. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Primärkreis des Verdichters als Arbeitsmedium der überhitzte Dampf einer kondensierbaren Substanz, wie z.B. Propylen oder fluorierte Kohlenwasserstoffe angewandt wird.

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