DE3314705C2

DE3314705C2 - Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter

Info

Publication number: DE3314705C2
Application number: DE19833314705
Authority: DE
Inventors: Franz X Prof Dr Ing Eder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-05-27
Filing date: 1983-04-22
Publication date: 1994-11-17
Anticipated expiration: 2003-04-23
Also published as: WO1983004281A1; DE3314705A1; EP0178348B1; AU1553583A; DE3220071A1; EP0110905A1; EP0178348A1

Description

Die Erfindung betrifft einen durch Wärmezufuhr direkt betriebenen Gasverdichter, gemäß dem Oberbegriff des 1. Patentanspruchs.

In der Offenlegungsschrift DE-OS 24 21 398 wird ein Gasverdichter beschrieben, der aus einem Arbeitszylinder mit parallel geschaltetem, aus Heizer, Re generator und Kühler bestehenden Primärkreis aufgebaut ist. Die se Vorrichtung erzeugt im Primärkreis durch den periodisch beweg ten Verdrängerkolben Druckschwankungen des gasförmigen Arbeitsme diums, die über je ein Rückschlagventil zwei Druckbehälter mit unterschiedlichem Druck versorgen. Die Umwandlung der Druckdiffe renz in diesen Behältern geschieht durch eine Expansionsmaschine, welche mechanische Arbeit erzeugt. Diese Vor richtung ist nicht imstande, ein zweites inkompressibles Fluid auf hohen Druck zu verdichten, diesen zu speichern und daraus mittels hydraulischer Maschinen Arbeit zu gewinnen.

Bei dem aus der DE 32 46 633 A1 bekannt gemachten Gasverdichter werden zwei Arbeitszylinder verwendet, in denen Vordrängerkolben gegeneinander phasen verschoben durch einen Hilfsantrieb hin- und herbewegt werden. Die Kaltvo lumina beider Zylinder sind an einen doppelwirkenden Fluidseparator an ein ander gegenüberliegenden Kammern angeschlossen, in denen ein axial ver schiebbarer Freikolben vorhanden ist. Dieser kann als symmetrischer Diffe rentialkolben ausgeführt sein, der mit dem Gehäuse des Fluidseparators so wohl die mit den Kalträumen der Arbeitszylinder verbundenen Druckkammern bildet, als auch zwei Pumpenkammern mit kleinerem Querschnitt abschließt, die mit einem Fluid gefüllt sind. Über paarweise angebrachte Rückschlag ventile mit unterschiedlicher Durchlaßrichtung sind die Pumpenkammern mit zwei Druckbehältern verbunden, in welche das Arbeitsmedium des Sekundär kreises mit unterschiedlichem Druck gepumpt wird, um es zur anschließenden Arbeitsleistung entnehmen zu können. Der Nachteil dieser Vorrichtung ge genüber dem Anmeldungsgegenstand besteht darin, daß zwei Arbeitszylinder mit Wärmeübertrager und -speicher (Regeneratoren) im Außenkreis erforder lich sind, daß sie also komplizierter als diese ist, und vor allem durch die Zwangskopplung der Volumina 12, 12′ die Druckänderung in den Ar beitszylindern nicht optimal in Druckenergie im Sekundärkreis umzusetzen vermag.

Die US 42 15 548 beschreibt in Fig. 7 einen Gasverdichter mit einem einzigen Arbeitszylinder, dessen Wärmehaushalt durch den aus Heizer, Re generator und Kühler bestehenden Außenkreis bestimmt wird. Der Arbeitskol ben stellt eine Art von Freikolben dar. Eine im kalten Arbeitsvolumen an geordnete Membran dient als Abschluß eines mit Flüssigkeit gefüllten Dop pelbehälters, der eine dünne Verbindungsleitung aufweist. Der die Membran enthaltende "Kolben" wirkt hier als resonanzfähiger Schwinger zur Auskopp lung von mechanischer Arbeit. Diese Vorrichtung ermöglicht die Gewinnung von Druckenergie allerdings nur in dem engen Frequenzbereich, in dem die notwendige Phasenancheilung von 90° gewährleistet ist.

In der DE 32 30 585 A1 wird ein mit einer Membran ausgerüsteter Druckübertrager für zwei unterschiedliche Arbeitsmedien beschrie ben, der Teil eines Kryogenerators ist. Dieser besteht aus einem Arbeitszylinder mit einem darin befindlichen verschiebbaren Kol ben, dem periodisch das Arbeitsgas Helium unter hohem Druck zuge führt und und während der Gegenphase bei geringem Druck entnommen wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Gas verdichter zu schaffen, der raumgedrängter und einfacher, daher billiger aufgebaut werden kann, um in einem weiten Frequenzbereich optimal aus der zugeführter Wärmeleistung in einem Sekundärkreis Druckenergie bei einem hohen Druckgefälle zu erzeugen, das mit konventionellen hydraulischen Maschinen oder mit Gasmaschinen in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Kennzeichen des Hauptanspru ches 1.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Un teransprüchen.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau des Gasverdichters;

Fig. 2 den zeitlichen Druckverlauf im Arbeitsgas;

Fig. 3 das Diagramm der Druckdifferenz D und der Fluid leistung P im Sekundärkreis abhängig vom Volumendurchsatz V oder der Frequenz n des Verdrängerkolbens;

Fig. 4 die Teilansicht einer technischen Ausführungbauform;

Fig. 5 die Teilansicht des Fluidseparators.

Der Gasverdichter besteht aus dem Arbeitszylinder 1, in dem der schlecht wärmeleitende Verdrängerkolben 2, der an der durch den Zylinderboden druckdicht geführten Kolbenstange 3 befestigt ist und über eine Kreuzkopfführung sowie das Pleuel 4 von der Kurbel welle 5 etwa sinusförmig zwischen oberem (OT) und unterem Tot punkt (UT) auf- und abbewegt wird. Die zum Betrieb erforderliche Wärmeleistung wird dem Arbeitszylinder 1 über den Rippenwärmetauscher (6) im Innern der Brennkammer 7 zugeführt. Zylinder kopf und unterer Zylinderraum 8 sind über den thermischen Rege nerator 9, den Kühler 10 und besagten Wärmetauscher 6 verbunden, so daß auf der Dichtung des Verdrängerkolbens 2 le diglich die relativ geringe Druckdifferenz lastet, die durch die Strömungsverluste des Arbeitsgases in den Wärmetauschern 6, 10 und im Regenerator 9 verursacht wird. Die thermische Isolation der auf hoher Temperatur (400 bis 800°C) befindlichen Komponenten ist in Fig. 1 gestrichelt angedeutet; von ihrer Güte hängt der bei der Umset zung von Heiz- in Druckenergie erzielbare Wirkungsgrad etwas ab.

Der untere Arbeitsraum 8 des Zylinders 1 ist mit dem Fluid separator verbunden, der in Fig. 1 als geteilter flacher Druckbe hälter ausgebildet ist, der aus zwei Kugelkalotten 11a, 11b be steht, die gasdicht durch eine Membran 12 getrennt sind. Die Kalotte 11b ist über die Rückschlagventile 13, 14 mit unter schiedlicher Durchströmrichtung mit dem Druckbehälter 15, bzw. mit dem druckdichten Kurbelgehäuse verbunden, in dem der Elektromotor 17 für den Antrieb des Verdrängerkolbens angeord net ist. Zwischen Hochdruckbehälter 15 und dem als Niederdruck behälter 16 fungierenden Kurbelgehäuse ist der Expansionsmotor 18 geschaltet, dessen Mengenstrom durch das Regelventil 19 eingestellt werden kann.

Da die im Arbeitszylinder 1 und der damit verbundenen Kammer 11a des Fluidseparators enthaltene Gasmenge konstant ist, än dert sich der darin herrschende Gasdruck periodisch mit der Bewegung des Verdrängerkolbens 2. In Fig. 2 ist der Druckverlauf im Arbeitsgas für den Fall dargestellt, daß im Druckbehälter 15 ein höherer Druck herrscht, als der sich im Zylinder 1 einstellende Maximaldruck, und daher das Ventil 19 geschlossen ist (ausgezogene Kurve). Die mit der Kammer 11b des Fluidseparators in Verbindung stehenden Komponenten 15, 16, 18 sind z. B. mit einem Gas-Öl-Gemisch oder mit einer Flüssigkeit gefüllt; als Arbeitsgas im Primärkreis sind außer Helium auch Wasserstoff oder Stickstoff geeignet.

Befindet sich der Verdrängerkolben 2 im UT und damit die Haupt menge des Arbeitsgases im oberen Zylindervolumen auf hoher Tempe ratur, so erreicht der Gasdruck seinen Höchstwert und wird das Kammervolumen 11b soweit zusammengepreßt, bis der Arbeitsdruck im Zylinder mit dem Druck p_h im Druckbehälter 15 übereinstimmt; das Rückschlagventil 14 bleibt dabei geschlossen. Bei der Auf wärtsbewegung des Verdrängerkolbens 2 nimmt der Gasdruck ab, da die im unteren Zylindervolumen 8 auf Kühltemperatur befindli che Gasmenge stetig zunimmt. Nach Erreichen des im Kurbelgehhäuse 16 herrschenden Druckes p_n öffnet sich das Ventil 14 und wird das Fluid im Sekundärkreis in die Kammer 11b gesaugt (in Fig. 2 gestrichelt dargestellt); im Grenzfall liegt die Membran 12 an der Innenwand der Kammer 11a an.

Wird das Regelventil 19 geöffnet und dem Expansionsmotor 18 das Gas-Öl-Gemisch mit dem Druck p_h zugeführt, entspannt es sich auf dem Druck p_n, wobei der Expander bei beinem Volumendurchsatz V (m³/s) die mechanische Leistung

P = (p_h - p_n) · = Δp ·

erzeugt,
wenn dieser das Druckgefälle Δp = p_h - p_n 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, hervor geht. Beim Kurbelwinkel Φ_h öffnet sich das Ventil 13 und wird während der Phase Φ_h < Φ < 2π das Kammervolumen 11b des Fluid separators in den Hochdruckbehälter 15 gepumpt. Während der Aufwärtsbewegung des Verdrängers 2 sinkt der Gasdruck und er reicht beim Phasenwinkel Φ_n den im Kurbelgehäuse 16 herrschen den Druck p_n. Zwischen Φ_n < Φ < π bleibt das Ventil 14 geöffnet und wird Gas-Ölgemisch in die Kammer 11b gesaugt. Mit zunehmen dem Volumenstrom , d.h. mit wachsender Drehzahl n des Ex panders 18 nimmt die Druckdifferenz (p_h - p_n) ab, da sich die Öffnungswinkel Φ_n bzw. Φ_h nach kleineren Kurbelwinkeln verla gern.

Ein besonderes Merkmal vorliegender Erfindung resultiert aus dem oben angeführten Zusammenhang zwischen Δp und : für = 0, d.h. im Stillstand des Expansionsmotors, wird Δp und damit das erzeugte Drehmoment seinen Höchstwert erreichen. Nimmt die zu proportionale Drehzahl zu, so nimmt zwar Δp ab, doch erreicht das Produkt Δp · =P (Leistung) einen Maximalwert, der bei hohen Drehzahlen wiedere abnimmt. In Fig. 2 sind über dem Volumendurch satz des thermomechanischen Konverters bzw. über der Dreh zahl des Expanders 18 Drehmoment D und Leistung P aufgetragen. Die Leistungscharakteristik dieser Maschine, die aus Konver ter und Expansionsmotor besteht, entspricht der eines Haupt schluß-Elektromotors; bei der Anwendung für den Antrieb eines Fahrzeuges erübrigen sich daher die Kupplungsvorrichtung und ein Schaltgetriebe.

Erfindungsgemäß findet im Primärkreis, d.h. im Arbeitszylin der mit angeschlossenen Wärmetauschern 7, 10 und Regenerator 9, anstelle von Helium- oder Wasserstoffgas der überhitzte Dampf einer kondensierbaren Substanz, z. B. Propylen, fluorierte Koh lenwasserstoffe Anwendung. Der Vorteil dieser im Bereich der Sattdampfzustände stark vom idealen Gasverhalten abweichenden Stoffe besteht für den Primärkreis darin, daß für dasselbe Druckverhältnis p_h/p_n einen niedrigere Heiztemperatur T₂ für den Wärmetauscher 6 (Fig. 1) angewandt werden kann und dadurch Wärmeleitungs- und Abstrahlungsverluste des Zylinders 1 ver ringert werden.

Erfindungsgemäß kann im Sekundärkreis des Fluidseparators, der neben den Druckpuffern den Expansionsmotor oder eine Wär memaschine enthält, ein beliebiges Arbeitsmedium benutzt wer den. Als solches bietet ein Gemisch aus Stickstoff oder Kohlen dioxid 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 Abdich tung des Expansionsmotors gewährleistet wird. Gleichzeitig verringern sich mit einem mehratomigen Arbeitsmedium im Se kundärkreis wegen des kleineren Adiabatenexponenten die beim Kompressionstakt im Separator entstehende Temperaturerhöhung und die bei der arbeitsleistenden Entspannung im Motor auftre tende Temperaturerniedrigung. Letztere kann erfindungsgemäß dazu genutzt werden, um mit Hilfe eines zusätzlichen Wärmetau schers die im Kühler 10 abzuführende Wärmeleistung zu verrin gern.

Ein weiteres Merkmal des Erfindungsgegenstandes bezieht sich auf den Sekundärkreis: Anstelle des Kurbelgehäuses wird ein zweiter Druckbehälter an das Rückschlagventil 14 angeschlossen, in den das expandierte Arbeitsmedium aus dem Expander 18 vom Druck p_n strömt. Da die gebräuchlichen Expansionsmotoren bei Umkehr der Drehrichtung als Pumpe wirken, kann diese Eigen schaft zusammen mit besagten Druckspeichern dazu benutzt wer den, um bei einem von einem solchen Expansionsmotor angetrie benen Fahrzeug die während des Bremsvorgangs entstehende Brems energie zu speichern. Hierzu werden erfindungsgemäß die zum Expander führenden Gasleitungen mit Hilfe eines besonderen Um schaltventils vertauscht.

In einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedan kens, die vereinfacht in Fig. 4 dargestellt ist, befindet sich auch der Expansionsmotor 18 im Kurbelgehäuse 16. Seine Abtriebs achse 20 ist gasdicht aus diesem herausgeführt. Der Expansi onsmotor 18 ist an den elektrischen Motor-Generator 17 gekup pelt 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 wer den kann.

Erfindungsgemäß ist der Expansionsmotor 18 nicht an den Stand ort des thermomechanischen Konverters gebunden, sondern kann mittels flexibler Hochdruckschläuche über die lösbaren Kupp lungen 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 Erfindungs gegenstandes unschwer vielseitige Anwendungsmöglichkeiten auf den Gebieten des Fahrzeugantriebs, der fahrbaren und stationä ren 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 dm³, einer Heiztemperatur T₂ = 500°C, einem Maximaldruck p_h = 100 bar beträgt bei einer Drehzahl von 1500 l/min die theo retische mechanische Leistung etwa 25 kW; praktisch wird die ser Wert durch den Wirkungsgrad des Konverters und des Expan sionsmotors nur zu etwa 65% erreicht.

Größere Leistungen werden als Mehrzylindermaschinen ausge führt; die gegenseitige Ausrichtung der Zylinder und die Pha senlage der Verdrängerkolben werden zweckmäßig derart gewählt, daß sich die freien Massenkräfte kompensieren, die un teren Arbeitsräume 8 der Zylinder mit gleichphasig arbeiten den Verdrängerkolben mit der Gasseite 11a eines gemeinsamen Fluidseparators verbunden und die Hochtemperaturwärmetau scher 6 aller Arbeitszylinder in einer gemeinsamen Brennkam mer angeordnet sind.

Eine zusätzliche Ausgestaltung betrifft eine speziel le Konstruktion des Fluidseparators, die den in Fig. 1 gezeig ten mit Vorteil dann ersetzt, wenn die mittleren Arbeitsdrücke in Primär- und Sekundärkreis verschieden sein sollen. Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel besteht aus den druck festen Gehäuse 23 mit den Rückschlagventilen 13, 14, in dem der Differentialkolben 24, 25 sich zwischen den Endlagen frei ver schieben 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 ver bunden, in dem der konstante, einstellbare Kompensationsdruck p_c herrscht. Die Extremdrücke p_h′ und p_n′ im Sekundärkreis wer den im Vergleich zu denen im Primärkreis im Verhältnis der ent sprechenden Kolbenquerschnitte übersetzt. Durch Wahl des pas senden Kompensationsdruckes p_c lassen sich die in Fig. 2 einge tragenen Drücke nach unten verschieben und kann der Minimal druck p_min etwa zu Null kompensiert werden.

Die beschriebene Wärmekraftmaschine wird durch äußere Zufuhr von thermischer Energie betrieben, wobei als Primärener gieträger flüssige, gasförmige und feste Brennstoffe genutzt werden können. Die bei ihrer Verbrennung auftretenden relativ niedrigen Betriebstemperaturen von maximal 800°C ergeben im Vergleich zum herkömmlichen Otto- oder Dieselmotor nur etwa ein Zehntel der Schadstoffemission an Stickoxiden und Kohlenmonoxid.

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 abge dichtet zu werden brauchen, was sich in einer langen Lebens dauer und hoher Betriebssicherheit niederschlägt.

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

Claims

1. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter, bei dem ein gasförmiges Arbeitsmedium in einem Arbeitszylinder (1) mit Hil fe eines von einem Hilfsantrieb bewegten Verdrängerkolbens (2) durch einen parallel geschalteten, aus einem Heizer (6, 7) einem thermischen Re generator (9) und einem Kühler (10) bestehenden Primärkreis hin- und her geschoben und abwechselnd durch Beheizung im Heizer (6, 7) im Heißteil des Arbeitszyllinders (1) auf hohe Temperatur und in seinem Kaltteil durch den Kühler (10) auf tiefe Temperatur gebracht wird und zwei über zwei Rückschlagventile (13, 14) mit unterschiedlicher Durchströmrichtung ansteuerbare Druckbehälter (15, 16) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch eine verschiebbare, gasdichte Trennwand in Kammern (11a, 11b) unterteilter Fluidseparator vorhanden ist, dessen eine Kammer (11a) mit dem Kaltteil des Arbeitszylinders (1) kommuniziert, während die ande re Kammer (11b) mit den Rückschlagventilen (13, 14) verbunden ist, und daß die Trennwand des Fluidseparators durch eine Membrane (12) oder einen Freikolben gebildet wird und daß das Medium des Sekundärkreises ein Gas-Öl- Gemisch oder eine Flüssigkeit ist.

2. Gasverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidseparator aus einem geteilten, druckfesten Gehäuse be steht, dessen Hälften (11a, 11b) innen die Form von Kugelkalotten besitzen und daß die Membran (12) aus metallischem oder gummiela stischem Werkstoff besteht.

3. Gasverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidseparator aus einem Differentialkolben (24, 25) in einem druckfesten Gehäuse (23) besteht und drei veränderliche, vonein ander abhängige Volumina abschließt, die mit dem Kaltvolumen (8) des Arbeitszylinders (1), mit den Druckbehältern (15, 16) über die zwei Rückschlagventile (13, 14) und mit einem weiteren Druckbe hälter (26) verbunden sind, der das Arbeitsmedium von Primär- oder Sekundärkreis bei einstellbarem Druck enthält.

4. Gasverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Druckbehälter (15, 16) mit mehreren parallel arbeitenden Expansionsmaschinen (18) verbunden sind.

5. Gasverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Kurbelgehäuse des Gasverdichters druckfest und dicht aus geführt ist und als einer der Druckbehälter dient.

6. Gasverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kurbelwelle (5) für den Antrieb des Ver drängerkolbens (2) von einem elektrischen Motor-Generator (17) angetrieben wird, der im druckdichten Kurbelgehäuse des Gasverdichters angeord net und seinerseits mit einem Expansionsmotor (18) gekuppelt ist, der an die Druckbehälter (15, 16) angeschlossen ist und dessen Antriebswelle (20) druckdicht aus dem Kurbelgehäuse des Gasverdichters geführt wird.