-
-
REGENERATIVE WARMEKRAFTMASOHINE - -
-
Als Alternative zu den heute gebräuchlichen Verbrennungskraftelschinen
für mobile und stationäre Anwendungen, die mit einer inneren Verbrennung bei hohen
Temperaturen arbeiten, daher hohe Schadstoffemission und Lärmentwicklung aufweisen,
werden heute in zunehmendem Maße der Stirling-Motor oder andere regenerative Arbeitsmaschinen
in Betracht gezogen. Einer breiten Einführung solcher Wärmekraftmaschinen stehen
trotz ihres hohen Wirkungsgrades und schadstoffarmen Betriebs nachteilig die kompliziertere
Konstruktion und hohen Herstellungskosten entgegen.
-
Ein grundsätzlich verschiedener Lösungsweg geht von einem Arbeitszylinder
mit einem darin hin- und herbewegten Verdrängerkolben aus, der mit Gas oder Dampf
von relativ hohem Druck gefüllt ist und dessen abgetrennte Arbeitsräume über Wärmetauscher
und einen thermischen Regenerator verbunden sind. Die Differenz zwischen der-dem
heissen Wärmetauscher bei der Temperatur T2 zugeführten Wärmemenge Q2 und der dem
kalten Wärmetauscher, dem Kühler, bei der Temperatur To abgeführten Wärmemenge QO
tritt als Druckdifferenz des Arbeitsmediums auf, die sich in mechanische Energie
umwandeln läßt. Als möglicher Nachteil dieses technisch bislang noch nicht erprobten
Verfahrens sind die durch die Massenkräfte verursachten Erschütterungen und die
damit verbundene Drehzahl begrenzung anzusehen.
-
Die vorliegende Erfindung basiert ebenfalls auf einem geschlossenen
regenerativen Kreisprozeß, bei dem das gas- oder dampfförmige Arbeitsmitteldurch
einen Vedrängerkörper innerhalb eines geschlossenen Abeitsvolumens periodisch von
hoher auf tiefe Temperatur und umgekehrt gebracht wird. Im Unterschied zur oben
beschriebenen Maschine mit einem zylinderförmigen Arbeitsvolumen und einem axial
bewegten zylindrischen Verdrängerkolben wird beim Erfindungsgegenstand ein relativ
flacher Arbeitsraum mit z.B.kreisförmiger Grundfläche und ein Verdrängerkörper angewandt,
der in diesem exzentrisch umläuft.
-
In Figur 1 ist das Prinzip der Erfindung an einem einfachen Ausführungsbeispiel
erläutert. Die Wärmekraftmaschine besteht
aus dem zylinderförmigen
Druckgefäß oder Gehäuse 1, das beidersets durch ebene Deckelflansche druckdicht
verschlossen ist. Auf der Innenwand von 1 wird der Verdränger 4 abgerollt, indem
dieser drehbar durch den Exzenter 2 geführt wird und dessen Achse eine Zylinderfläche
beschreibt. Die axiale Länge des Verdrängers 4 entspricht der Höhe des Druckgehäuses
1, so daß sich zwischen den Behälterdeckeln und dem zu beiden Enden durch ebene
Flächen begrenzten Verdrängerkörper keine merkliche Gasströmung ausbildet. Die Antriebsachse
3 des Exzenters 4 wird druckdicht durch einen der Gehäuseflansche geführt. Innerhalb
des Gehäuses sind in diamevtraler Stellung zwei Dichtleisten 5, 6 angeordnet, die
in Nuten geführt und durch Federn gegen den Verdränger 4 gepreßt werden. Bei einer
vollen Umdrehung des Exzenters 2 werden sich die durch den Verdränger abgeteilten
Arbeitsräume 7 8 periodisch verän dern. Das Verhältnis der Volumina 7 und 8 erreicht
sein Maximum, wenn die Verdrängerachse über der Antriebsachse 3 liegt.
-
Die Summe beider Volumina 7 und 8 bleibt für jede Stellung des Exzenters
dieselbe.
-
Die durch den Verdränger abgeteilten Arbeitsräume 7, 8 sind über
die Rohrleitungen 9, 10, den Kühler 11, den thermischen Regenerator 12 und den Wärmetauscher
13 miteinander verbunden. Die Antriebsenergie Q2 wird dem Kreisprozeß über den Wärmetauscher
13 bei der Temperatur T2 zugeführt; durch Entzug der Wärmemenge Q0 bei der Temperatur
To im Kühler 11 werden die Temperaturniveaus des Prozesses auf die Arbeitstemperaturen
To, T2 eingestellt. Bei der Drehung des Exzenters 2 in Pfeilrichtung wird das Teilvolumen
7 verkleinert, das in 8 vergrößert, wodurch aus dem unteren Arbeitsraum 7 mit der
Temperatur T0 das Arbeitsmedium in den oberen Arbeitsraum 8 gedrückt wird, wo es
nach dem Verlassen des Regenerators 12 und durch Aufheizen im Wärmetauscher 13 mit
der Temperatur T2 einströmt. Da Gesamtvolumen V und Gasmenge m konstant bleiben,
wird sich während eines Arbeitszyklus der Gasdruck periodisch ändern, denn es gilt
wenn p den i- jedem Teilvolumen gleich hohen Gasdruck, R die Gaskonstante
Vi die Teilvolumina und Ti die dort herrschende Temperatur b=deuten. Beim geschlossenen
Prozeß wird im Idealfall der Gasdruck zwischen den Extremwerten Pmjn und Pmax periodisch
schwanken.
-
Um den Er-indungsgegenstand als Arbeitsmaschine nutzen zu können,
sind an die Rohrleitung 9 zwei Druckbehälter 14, 15 über die Rückschlagventile 16,
17 ( mit unterschiedlicher Durchlaßrichtung) angeschlossen, in denen sich das Arbeitsgas
bei den Drücken p zPax und P">Pmjn befindet, wobei p'>p". Erreicht bei einer
bestimmten Winkelstellung ¢' der Exzenterwelle 3 der Systemdruck cen Wert p', so
öffnet sich das Rückschlagventil 16 und wird die Gasmenge #m in den Druckbehälter
14 gedrückt. Uigekehrt fällt beim Winkel +" der Gasdruck auf einen Wert p" und strömt
über cas vom Differenzdruck geöffnete Ventil 17 die Gasmenge Am durch die Leitung
9 in das Druckgehäuse 1.
-
Im statiorären Zustand wird vom Erfindungsgegenstand ein Mengenstrom
am produziert, aus dem die mechanische Arbeit W = (p p")Am (3) gewonnen wird. Dies
geschieht mit Hilfe der Expansionsmaschine 19, deren Durchsatz durch das Regelventil
18 eingestellt wird.
-
Eine besonderes Erfindungsmerkmal und großer Vorteil dieser WärmekraftmaschTne
besteht in der Abhängigkeit der erzeugten Druckdifferenz (p'-p") vom Durchsatz Am:
Im Stillstand des Expansionsmotors 19* d.h.bei am=0, wird (p'-p"), das proportional
zum erzeugten Drehmoment ist, maximal. Mit wachsendem Mengenstrom, also zunehmer;der
Drehzahl nimmt (p'-p") stetig ab, wobei die abgegebene Arbeit W ein Maximum erreicht
und dann wieder abnimmt.
-
Für die praktische Anwendung des Erfindungsgedankens kann es vorteilhaft
ein, den angeschlossenen Kreislauf:Ventile 16, 17, Druckbehälter 14, 15 und Expansionsmotor
19; mit einem anderen, insbesonders schmier- und dichtfähigen Arbeitsmedium zu betreiben.
In Figur 2 ist diese Alternative in einem Beispiel dargestellt. Der Ckalte) Arbeitsraum
7 ist über die Leitung 9 mit einem Medienseparator verbunden, der z.B. aus einem
durch zwei Kugelkalotten. begrenzten Druckbehälter 20 besteht, dessen Arbeitsvolumen
durch eine Membran 21 aus z.B.Perbunan zweigeteilt ist. Der obere Arbeitsraum 22
kommuniziert mit dem Druckgehäuse 1
der untere (23) ist über die
Rückschlagventile 24, 25 mit den Druckbehältern 26, 27 verbunden, in denen sich
die Drücke p', p" einstellen. Nach dem Erfindungsgedanken wird in diesem separaten
Kreislauf z.B. ein Stickstoff-Ul-Gemisch angewandt, um den angeschlossenen Expansionsmotor
28 sicher mit Schmier-und Dichtöl zu versorgen. Als Expander eignen sich in diesem
Fall kommerziell verfügbare Axial- und Radialkolben-Hydromotoren, die hohen Wirkungsgrad
und ein kleines Leistungsgewicht aufweisen.
-
Ein praktisches Ausführungsbeispiel ist in den Figuren 3 gezeigt.
Zur Verringerung der Wärmeleitungsverluste zwischen heissem und kaltem Arbeitsraum
werden für das Druckgehäuse und den Verdränger hochwertige keramische Materialien
verwendet, die hohe Festigkeit und Oberflächengüte, sowie geringe Wärmeausdehnung
und -leitung in sich vereinen. Das Druckgehäuse 29 aus warmfestem Stahl umschließt
die Keramikauskleidung 30 mit zylindrischer Innenfläche, die eine dicke Isolierschicht
im Heißteil 31 der Maschine und eine dünnere für das kalte Arbeitsvolumen 32 ergibt.
Der flache, zylindrische Verdränger 33 besteht ebenfalls aus Keramik und wird vom
Exzenter 34, der um die Achse 35 rotiert, in geringem Abstand (0,1 bis 0,2 mm) an
der Innenfläche von 30 entlang geführt. Zur Verringerung der Masse des umlaufensen
Verdrängers 33 ist dieser mit durchgehenden Bohrungen 49 versehen. Aus der Schnittzewchnung
der Figur 3b ist der Exzenter 34 znd die durch das Gehäuse 29 hindurchgeführte Welle
35 zu ersehen, die vom Elektromotor 50 angetrieben wird. Der Verdränger wird durch
das Nadellager 51 am Exzenter 34 geführt.
-
Das Arbeitsvolumen ist auf beiden Stirnseiten durch geschliffene Keramikplatten
52, 53 abgeschlossen, die durch den mit Rippen versteiften Gehäusedeckel 54 justiert
und zusammengepreßt werden.
-
Die Arbeitsvolumina 31, 32 werden entsprechend dem Erfindungsgedanken
durch die Dichtleisten 36, 37 getrennt, die in Parallelnuten geführt und durch Federn
gegen den Umfang des Verdrängers 33 gedrückt werden. Die an diesen Dichtleisten
auftretenden Differenzdrücke resultieren lediglich aus dem Druckverlust, den das
Arbeitsmedium beim Durchströmen der Wärmetauscher und des Regenerators erleidet.
Da der Verdränger den Innenmantel von 30 nicht berührt,und wegen der Reibungskräfte
an den Dichtleisten
auf dem Exzenter 34 abrollt, ist die Relativgeschwindigkeit
an diesen gering, Die weiteren Komponenten der Gesamtanlage entsprechen der Prinzipdarstellung
in Figur 1: Der Hochtemperaturaustauscher 39 wird in der nach außen isolierten Brennkammer
41 vom Gas- oder Ulbrenner 42 beheizt; der Kühler 38 besteht aus einer großen Anzahl
parallel geschalteter Röhrchen, die außen von Wasser gekühlt werden. Der untere
(kalte) Arbeitsraum 32 ist über die Ventile 43, 44 mit den Druckbehältern 45, 46
verbunden, an welche über das Regelventil 48 die Expansionsmaschine 47 angeschlossen
ist. Der Regenerator 40 enthält eine Füllung aus kleinen, gleichgroßen Keramikkügelchen
oder solche aus rostfreiem Stahl.
-
Die in Gut. (3) auftretende Druckdifferenz bzw. der Quotient Pmax/pmjn
hängen vom Maximalwert des Verhältnisses der Arbeitsvolumina 31 und 32, d.h.vom
Durchmesserverhältnis für Druckgehäuse und Verdränger ab. Für das in Figur 3 gezeigte
Ausführungsbeispiel verhalten sich die entsprechenden Volumina wie 1:3 bis 1:5.
Ein weiteres Merkmal vorliegender Erfindung besteht in der speziellen Ausführung
des Exzenters 34, die im Prinzip in der Figur 4 erläutert wird. Ersetzt man den
Exzenter durch ein Getrieb-e, bei'dem in einem Innenzahnkranz 55 mit der Zähnezahl
N ein durch die Kurbel 56 geführtes Zahnrad 57 mit der halben Zähnezahl N/2 umläuft,
so beschreibt jeder Punkt auf dem Teilkreis des Planetenrades 57 eine Gerade durch
die Kurbelachse 58. Dieser Sonderfall einer Hypozykloide wird auf die Bewegung des
kreisförmigen Verdrängers 59 angewandt, indem dieser auf einer durch den Teilkreis
des Planetenrades gehenden Achse 60 drehbar befestigt wird, während der Innenmantel
des Arbeitsvolumens-von zwei Halbzylindern und zwei Ebenen gebildet wird. Die Dichtleisten
61, 62 sind in der Symmetrieebene angeordnet. Durch diese Konstruktion wird ein
optimales Verhältnis der extremen Arbeitsvolumina 63, 64 und daher ein hoher Druckqotient
Pmax/pmjn erzielt.
-
Wird auf die Forderung einer berührungsfreien Bewegung des Verdrängers
verzichtet, so kann der Hypqzykloid-Antrieb auch auf einen länglichen Verdränger
angewandt werden, der in einem korrespondierenden, länglichen Arbeitsraum linear
hin-und herbewegt wird.
-
Zusammenfassend lassen sich folgende Kennzeichen der beschriebenen
Erfindung hervorheben: 1. Anwendung einer äußeren, daher schadwstoffarmen Nutzung
von gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen.
-
2. Infolge der rotierenden Bewegung des Verdrängers und der Möglichkeit
des Massenausgleichs durch eine zweite um 1800 in der Drehrichtung phasenverschobene
identische Maschine können hohe Drehzahlen bei geringer Geräusch-und Erschütterungsentwicklung
erzielt werden.
-
3, Durch die Einschaltung des Fluidseparators kann für die eigentliche
Kraftmaschine Hydrauliköl oder mit Stickstoffgas vermisches Hydrauliköl angewandt
werden, das auch bei den hohen Arbeitsdrücken von 10 MPa (100 bar) eine ausreichende
Schmierung und Abdichtung nach außen garantiert.
-
4. Die Verwendung von spezieller Keramik für Arbeitsgehäuse und Verdränger
verbindet ausreichenden Wärmeschutz, d.h.hohen thermodynamischen Wirkungsgrad mit
langer Lebensdauer.
-
Die in Figur 3 dargestellte Wärmekraftmaschine nach dem Erfindungsgedanken
ist nur eines von eine Reihe möglicher Ausführungsbeispielen. Für größere Leistungseinheiten
lassen sich mehrere Druckgehäuse axial aneinander reihen, deren Verdränger mit einer
Phasendifferenz von 1800 von einer gemeinsamen Exzenterwelle angetrieben werden.
Die erforderlichen Hochtemperaturaustauscher befinden sich in dieser Anwendung in
einer gemeinsamen Brennkammer; für die Druckspeicherung genügen insgesamt die in
den Figuren 1, 2 und 3 eingetragenen Druckgefäße, in welche die Kraftmaschine angeschlossen
wird.
-
- Leerseite -