DE3347285A1

DE3347285A1 - Verfahren zur erzeugung von heizwaerme sowie waerme-generator zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3347285A1
Application number: DE19833347285
Authority: DE
Inventors: Friedhelm 4630 Bochum Laubkemeier; Günter 4019 Monheim Laubkemeier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-12-28
Filing date: 1983-12-28
Publication date: 1985-07-25
Also published as: DE3347285C2

Description

Friedhelm Laubkemeier -- ".. ...... .. ._

Verfahren zur Erzeugung von Heigwärme sowie Warme-Generator zur Durchführung des Verfahrens .

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung vpn Heizwärme, vorzugsweise zur Erhitzung von Brauchwasser, aus einer zur Verfügung stehenden, gespeicherten Wärmemenge einer Flüssigkeit als Wärmequelle, (z.B. Wasser mit Umgebungstemperatur) mit Wärmegraden bis nahe an den Erstarrungspunkt herunter, in einen Heizkreislauf höherer Temperatur, indem ein Arbeitsmedium bei gleichbleibendem, gasförmigen Aggregatzustand abwechselnd komprimiert und expandiert wird, die Kompressionswärme auf das Medium des Heizkreislaufes übertragen und die erforderliche Wärme zu einem nahezu isothermisch verlaufenden Expansionsvorgang aus der Wärmequelle zugeführt wird, sowie einen Wärme-Generator zu dein Verfahren, mit einem in einem Arbeits-Zylinder wirkenden Verdränger-Kolben zur we diselweisen Kompression und Expansion des Arbeitsmediums, mit Absorption der Kompressionswärme und Zufuhr von Wärme aus Umgebungsquellen mit niedrigem Temperatur-Niveau beim Vorgang der Expansion.

Der zu dem Verfahren gehörende Wärme-Generator ist eine maschinelle/apparative Einrichtung zur wechselweisen Kompression und Expansion eines eingeschlossenen Arbeitsgases, - vorzugsweise Luft - mit angeschlossenem Druckbehälter zur Aufnahme einer die erzeugte Wärme absorbierende Flüssigkeit sowie Vorrichtung zwecks direkter Zufuhr derWärme aus der Wärmequelle.

Kompressions- und Expansionsvorgang verlaufen zu einem geringen Anteil adiabatisch, größtenteils isothermisch.

Unter der Kategorie "Wärmepumpen" sind Einrichtungen solcher Art (Beibehaltung des gasförmigen Aggregatζustandes) in diversen Patent- und Üffenlegungsschriften beschrieben (siehe Auflistung, Bl. 11).

• b ■

Die in Betracht gezogenen Druckschriften beschreiben Einrichtungen mit mindestens 2 Kolben, je einer für die Kompression und Expansion, bzw» mit zwei getrennt vorgesehenen Kammern bei nur einem Arbeitskolben, in denen die Vorgänge Kompression und Expansion nacheinander oder phasenverschoben stattfinden»

Diese Einrichtungen weichen somit bereits von dem Prinzip der üblichen Wärmepumpen ab, die mit Kühlmittelkreislauf, Verdichter, Verdampfer zur Wärmeaufnahme und Kondensator zur Wärmeabgabe arbeiten.,

Für die Ableitung der Kompressionswärme wie auch für die Wärmezufuhr auf der Expansionsseite sind separate, in= direkt wirkende Wärmeaustauscher und zugehörige Umschal= tungen erforderlich_o

Aufgabe der Erfindung ist es, die mit den Wärmeaustauschern und Umschaltungen zwangsläufig verbundenen Wärmeverluste weitgehend zu vermeidenο

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bleibt das Arbeits-= medium - vorzugsweise Luft ■= ebenfalls im gasförmigen Aggregatzustand und außerdem in ein=· und demselben Arbeitsraum, wo es wechselweise komprimiert wird und wieder - unter Abgabe einer Arbeitsleistung = expandiert, wobei die Wärmeübertragungsvorgänge a) zum Wärme absorbierenden Zwischenmedium hin, b) von der Flüssigkeit der Wärmequelle auf das Arbeitsmedium, auf direkte Weise vorgenommen werden, und zwar zur Hauptsache während des isothermischen Teiles der jeweiligen Zustandeänderung„

Bei dem Kompressionsvorgang des Verfahrens wird das Arbeitsmedium blasenförmig über ein Tauchrohr durch eine Zwischenflüssigkeit (Wasser, Sole, öl und derglo) ge= preßt, so daß ein intensiver Wärmeübergang zustande kommt,

BAD ORIGINAL

• Q> ■

das Arbeitsmedium die Temperatur der Flüssigkeit annimmt und so die isothermische Kompression gewährleistet ist.

Der aufgewandten Arbeit am Arbeitszylinder entsprechend wird ein Wärmeäquivalent auf die Zwischenflüssigkeit übertragen, wodurch sich diese erwärmt. Die in die Zwischenflüssigkeit auf diese Weise eingetragene Wärmemenge kann nun wieder über einen eingebauten Wärmeaustauscher abgezogen und auf das Heizsystem übertragen werden.

Das Einsprühen der Flüssigkeit aus der Wärmequelle (z.B. Fluß, See, Meer, Kühlteich) wird über eine oder mehrere Düsen in feinen Tröpfchen von ca. o,2 bis 0,4- mm Durchmesser vorgenommen, so daß eine große Wärmeübertragungsfläche (ca. 15 m d^e ^S Flüssigkeit) entsteht und somit bei hoher Geschwindigkeit der Tröpfchen, verursacht durch den Sprühdruck, eine intensive Wärmeübertragung gewährleistet ist«

Während der Wärmezufuhr beim Expansionsvorgang kühlt sich die eingesprühte Flüssigkeit ab. Sie muß daher am Ende des Expansionsvorganges wieder aus dem Arbeitsraum entfernt werden. Dieses wird vorzugsweise durch stehende Anordnung von Verdrängerkolben und Arbeitszylinder erreicht, indem die Flüssigkeit auf der unteren Abschlußfläche des Arbeitsraumes gesammelt und über ein Ventil am Ende des ExpansionsVorganges abgeleitet wird.

Die gekühlte Flüssigkeit aus der Wärmequelle wird dieser wieder zugeleitet bzw. kann in einem separaten Wärmeaustauscher mittels der Umgebungsluft wieder auf das Temperaturniveau derselben gebracht werden»

Wie bereits erwähnt, verlaufen die Vorgänge der Kompression und der Expansion teils adiabatisch und teils isothermisch; adiabatisch nach dem Gesetz

ig

T,

11-

•2

sowie

₂ .

und daran anschließend isothermisch nach

ρ . ν = ρ _o v-, = RcT und umgekehrt.

Demzufolge verändern sich auch die Zylinderkräfte bei Ver= ringerung bzw« Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraediums.

In nachfolgendem Diagramm ist die Veränderung der Zylinderkräfte dargestellte

Punkte A und E sind auf die Temperatur der Wärmequelle be= zogen, Punkte B, G und D auf die Temperatur der Wärme ab-= sorbierenden Zwischenflüssigkeit _o

Zylinderkraft

Von A nach B verläuft der Kompressionsvorgang adiabatisch, von B nach G isothermisch_o Der Expansionsvorgang verläuft von G nach D adiabatisch und von D nach E isothermisch„

BAD ORIGINAL

Die Fläche unterhalb der Kompressionskurve bis zur Grundlinie stellt den erforderlichen Arbeitsaufwand zum Verdichten des Arbeitsmediums von dem Druck P^ auf den Druck P^ dar. Die Fläche unterhalb der Expansionskurve bis zur Grundlinie stellt die zur Verfügung stehende Arbeit des komprimierten Arbeitsmediums vom Druck P^ auf den Druck Ρ>. dar.

Es ergibt sich somit eine Differenz (schraffierte Zwischenflache), welche der aufzuwendenden Arbeit für den Betrieb des Generators gleichkommt.

Bei dem erfindungsgeraäßen Wärme-Generator wird die am Arbeitszylinder aufzuwendende Kraft progressiv, d. h_o dem Kraftverlauf entsprechend eingeleitet durch einen entsprechenden Mechanismus mit zugehöriger Hebelanordnung«.

Hierzu bietet sich zum einen die Anordnung mit einem konstanten Gewicht an einem Hebel mit veränderlichem Hebelarm zum Zylinder-Angriffspunkt hin und zum andern eine Anordnung mit einem konstanten Drehmoment um eine Drehachse des Mechanismus, erzeugt durch eine hydraulische Vorrichtung an.

Durch diese Mechanismen kann auch die zur Verfügung stehende Kraft des expandierenden Arbeitsmediums regressiv abgenommen werden, so daß die geleistete Arbeit für den wieder nachfolgenden Kompressionsvorgang zur Verfügung steht„

Die Differenz zwischen dem Arbeitsaufwand bei der Korn= pression und der Arbeitsleistung bei der Expansion kann durch eine Hubunterstützung beim Expansionsvorgang_sb@i~ spielsweise durch einen Elektro-Getriebemotor vorgenommen werden, wobei ein Zugelement am Kopf des Arbeitszylinders angreift«

Die erwähnte stehende Anordnung des Generators gestattet es, zwischen Arbeitszylinder und Verdrängerkolben ein Dichtelement vorzusehen, welches gleichzeitig ein© Wärmeisolierung der inneren Fläche des Arbeitszylinders darstellt. Es ist dieses eine einfach wirkende Topfmanschette, welche der Hubbewegung des ArbeitsZylinders entsprechend eine Stülpbewegung mitmacht.

Der Einsatz der Topfmanschette gestattet es, daß auf eine hohe Fertigungsgenauigkeit der Durchmesser von Arbeitszylinder und Verdrängerkolben verzichtet werden kann_o

6ad original

Ein Fließbild des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt Fig. 1 mit der Zuordnimg der beschriebenen Teile und Stoffströme, woraus die Funktion wie folgt hervorgeht:

Der Verdrängerkolben 1 steht fest auf einem Untergrund. Der obere Abscihluß ist mit einem konischen Boden 1.1, einer Auffangtasche für Sprühwasser 1.2 und mit einem Stutzen 1.3 für Durchgang des Arbeitsmediums versehen.

Über die Außenfläche des Verdrängerkolbens gleitet der Arbeitszylinder 2 nach unten beim Kompressionsvorgang und geht beim Expansionsvorgang in die gezeichnete Ausgangsstellung zurück.

Bei der Hubbewegung unter Aufwand der progressiv zunehmenden Kräfte Fg- am Arbeitsring 2.2 nach unten (Kompression) strömt das im Raum 2,1 befindliche Arbeitsmedium durch den Stutzen 1.3, Rohrleitung 3 und Tauchrohr 3·1 in den Druckbehälter 4, in welchem es nach blasenf örmigem Durchgang durch die Zwischenflüssigkeit 4,2 sich in dem darüber befindlichen Druckraum 4.1 sammelt. Das Raumverhältnis 2.1 zu 4.1 entspricht der Druckzunahme des Arbeitsmediums.

Durch die intensive Wärmeübertragung beim blasenförmigen Durchgang des Arbeitsmediums durch die Zwischenflüssigkeit absorbiert diese die Kompressionswärme. Die so eingetragene Wärme kann mittels Wärmetauscher 4.3 (als Rohrschlange dargestellt) abgezogen und für den Heizkreislauf nutzbar gemacht? werden.

Mit Einsetzen der Aufwärtsbewegung des Arbeitszylinders beginnt der Expansionsvorgang, bei dem das komprimierte Arbeitsmedium aus dem Raum 4.1 über den Rückschlagteller 3«2 durch die Rohrleitung 3 und Stutzen 1.3 dem Arbeitszylinder zuströmt und den regressiv abnehmenden Kräften entgegenwirkt. Durch die Hilfsvorrichtung 5 wird der Aufwärtshub unterstützt.

BAD ORlGiWAl

Bei dem Expansionsvorgang wird eine bestimmte Menge an Flüssigkeit aus der Wärmequelle 6 über ein Druckaggregat 6.1, Rohrleitung b*2 und Düse 6«, 3 dem Arbeitsmedium in Form von nebelartigen Tröpfchen eingesprüht. Die gekühlte Flüssigkeit sammelt sich darauf in der Auffangtasche 1.2 des Kolbenbodens und wird aus dieser nach Beendigung des Expansionsvorganges über ein Ventil 6.4 abgezogen und der Wärmequelle wieder zugeführt.

Als Beispiel für den Prozeß der Kompression/Expansion seien folgende Daten genannt %

Anfangsdruck P^ = 1 bar aba, Enddruck Bj = 7 bar aba, Temperatur der Flüssigkeit aus der Wärmequell© T'-j = 1o°C„ Temperatur der Zwischenflüssigkeit im Druckbehälter T.₂ = 4o ° G.

Daraus resultiert für das Arbeitsmedium mit Luft als Beispiel ein Arbeitsaufwand von .173 »3 kJ/kg beim Kompressionsvorgang und ein Arbeitsvermögen von 15%,6 kJ/kg beim Expansions Vorgang«,

Zur Unterstützung des Expansionsvorganges sind somit \%1 kJ/kg erforderliche Zum Einsprühen der Flüssigkeit aus der Wärmequelle ist ein Arbeitsaufwand von ca. 4,9 kJ/kg erforderliche

Aus dem Kompressionsvorgang wird ein Anteil von 113. kJ/kg in nutzbare Wärme verwandelte

Aus dem Verhältnis von nutzbarer Energie zu aufgewandter Energie ergibt sich die Leistungszahl

13,7 -s-

= 6,07

BAD ORIGINAL

~ $ --/lot'" ^ 9 Λ 7 ? R R

Bei variierenden Temperaturverhältnissen ergeben sich Leistungszahlen gemäß nachfolgendem Diagramm, mit tz als Temperatur des Zwischenmediums und ta als Temperatur der Flüssigkeit aus der Wärmequelle.

■1

*ίο ·*	\\\	C*
θ ;

6 '
V -
Z

60 -r t_z

In Anlehnung an Fig. 1 lassen sich Verdrängerkolben 1, Arbeitszylinder 2 und Druckgefäß 4 platzsparend nach Fig. anordnen, indem das Druckgefäß mit Anschluß für das Heizmedium auf der Innenseite des Kolbens angeordnet wird.Dadurch entfällt eine längere Rohrleitung zwischen dem oberen Kolbenabschluß und dem Druckgefäß.

In Fig. 5 ist der Kraftmechanismus zur Einleitung der Zylinderkräfte mittels hydraulischer Einrichtung 9 ersichtlich. Über ein Druckaggregat 9·1» welches eine Handpumpe sein kann, wird ein Öldruck erzeugt und dauernd aufrecht erhalten. Die Einrichtung 9 bildet somit einen Arbeitsspeicher.Über den Hebel 9·2 wird auf den Hebel 8 ein nahezu konstantes Moment übertragen. Der Hebel 8 ist um seinen Drehpunkt 8.1 schwenkbar gelagert und übt einen Anpreßdruck auf die Rolle 7 aus. Rolle 7 ist auf einem Zapfen gelagert, welcher mit dem Arbeitsring 2.2 verbunden ist. Der Zapfen trägt eine zweite Rolle, die an einem senkrechten Holm des Gestelles 1o der Hubbewegung entsprechend entlang gleitet.

Auf diese Weise wird eine senkrechte Kraftkomponente F, auf jeder der zwei Seiten erzeugt, die zum Bewegen des Zylinders erforderlich ist. Mit der Hubbewegung nach unten verändert sich der wirksame Hebelarm. In unterster Stellung ist der Hebelarm mit dem Abstand b am kleinsten und somit

BAD.-ORIGINAL·:.: -

die Kraft F_fc am größten. Dem Verlauf der Zylinderkräfti^ ' 2ob ist die Lauffläche 8.2 des Hebels kurvenförmig ausgebildet .

Verdrängerkolben 8, Hydraulikaggregat 9 und Gestell 1o sind auf einem gemeinsamen Grundrahmen 11 angeordnet. Gestell 1o trägt außerdem die Hilfshub-Vorrichtung 5·

Fig. 4- zeigt die erwähnte Anordnung mit einem Ballast-Gewicht 13» welches mit dem Auf- und Niedergang das erforderliche Hebelmoment und somit die erforderliche Zylinderkraft Fk erzeugt. Es wirkt hier das Gewicht 15 als Arbeitsspeicher.

Das Gewicht 13 kann so angeordnet werden, daß es unterhalb der Aufstellfläche in eine Versenkung 14- eintaucht,,

Fig. 5 zeigt erfindungsgemäß die Abdichtung zwischen Arbeitszylinder und Verdrängerkolben mittels einstülpbarer Topfmanschette 2.3 aus leicht biegbarem Material.

Die Manschette wird am oberen Ende in dem Flanschenpaar 2.4 gasdicht eingeklemmt und unten mit dem Rand des Ver— drängerkolbens 1 gasdicht verbundene Die wirksame Kraft, die als Beanspruchung des Manschettenquerschnittes auftritt, ergibt sich aus der relativ geringen Spaltfläche 2_O5? multipliziert mit dem erzeugten Innendruck des Arbeitszylinders.

In der oberen Stellung des Arbeitszylinders (a) ist die Innenfläche des Zylinders durch die Manschette gegen evtl. korrodierende Einwirkung der Flüssigkeit aus der Wärmequelle geschützt* Die Manschette aus weichem Material mit normalerweise schlechter Wärmeleitung verhindert außerdem ein Einströmen der Kompressionswärme in die Zylinderwand.

Die mit dem Wärme-Generator erzielbare Leistung hängt ab von den gewählten Aaessungen_? dem Hub^ dem gewählten Koapressions-Enddruck, der Hubzahl pro Zeiteinheit sowie den Teraperaturverhaltnissen.

BAD ORIGINAL

Durchmesser des Arbeitszylinders 5oo ram, Hub 815 mm, Anfangsdruck 1 ba'r, ünddruck 7 bar abs., Hubzahl 9 /min., Temperatur der »ärmequelle 1o ⁰C, Temperatur der Flüssigkeit des absorbierenden Zwischenmediums 4o ⁰C; daraus ergibt sich eine Wärmeleistung von ca. 3»7 kW· Aufzuwenden sind für die Expansionsvorgänge ca. o,6 kW.

Zur Herstellung des Wärme-Generators eignen sich normale, im Maschinenbau und Apparatebau übliche Werkstoffe. Gemäß den vvitterungsverhältnissen am Aufstellungsort kann ein entsprecnender Korrosionsschutz vorgesehen werden.

In Betracht gezogene Druckschriften

Patentschrift DE 2617971 C2

Offenlegungsschrift P 2344269

" DE 3115876 A1

" DE 3013358 A1

" DE 3003561 A1

" DE 2938641 A1

6AD ORIGINAL

Claims

Patentansprüche ;

1J Verfahren zur Erzeugung von Heizwärnae aus einer zur Verfügung stehenden, gespeicherten Wärmemenge einer Flüssigkeit von geringer Temperatur als Wärmequelle in einen Heizkreislauf höherer Temperatur, indem ein Arbeitsmedium bei gleichbleibendem, gasförmigen Aggregatzustand abwechselnd komprimiert und expandiert wird, die Kompressionswärme auf das Medium des Heizkreislaufes übertragen und die erforderliche Wärme zu einem nahezu isothermisch verlaufenden Expansions= Vorgang aus der Wärmequelle zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß die !Compressionswärm© von einem flüssigen Zwischenmedium zwischen Arbeitsmedium und Medium des Heizkreislaufes durch Einperlen des gasförmigen Arbeitsmediums direkt absorbiert wird und die Wärmezufuhr aus der Wärme·= quelle in das expandierende Arbeitsmedium auf direktem Wege - d.ho ohne Wärmeaustauscher =■ durch Einsprühen der Flüssigkeit der Wärmequelle durchgeführt wirdo
2. Wärme-Generator zum Verfahren nach Anspruch Λ mit einem in einem Arbeitszylinder wirkenden Verdrängerkolben zur wechselweisen Kompression und Expansion des Arbeitsmediums sowie mit Gefäß zur Aufnahme der die Wärme absorbierenden Flüssigkeit und Vorrichtung zur direkten Zufuhr der Wärme₉

dadurch gekennzeichnet;,

daß der Arbeitsraum des Arbeitsraediums (2₀1) und das Ge= faß (4) zur Aufnahme der die Wärme absorbierenden Flüssigkeit (^«2) und des komprimierten Arbeitsmediums eine räumlich unterteilte Druckeinheit bilden, daß das korn·= primierte Arbeitsmedium nach Durchgang durch die Flüssig= keit oberhalb derselben (4-»1) in dem Gefäß bis zum Einsetzen des Expansionsvorganges gespeichert ist und das

BAD ORIGINAL "

Gefäß mit einer Kühlschlange (4.3) zum Abzug der von der Flüssigkeit absorbierten Wärme ausgerüstet ist.
3. Wärme-Generator nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben. (1) mit Sprühdüsen (6.3) und Auffangtasche (1.2) für die Warme-zuführende Flüssigkeit beim Expansionsvorgang ausgerüstet ist.
4. Wärme-Generator nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Achse von Verdrängerkolben (1) und Arbeitszylinder (2) senkrecht angeordnet ist, der Verdränge rkol< ben auf einer festen Unterlage (Fundament) feststehend angeordnet und der Arbeitszylinder beweglich - d.h. über den Verdrängerkolben gestülpt - angeordnet ist.
5. Wärme-Generator nach Ansprüchen 2 und 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Generator mit einem Hebelsystem (8) u. (12) versehen ist, das die Kräfte auf den Arbeitszylinder beim Kompressionsvorgang progressiv einleitet und beim Expansionsvorgang regressiv, die Expansionsarbeit speichernd, übernimmt, und daß eine Hubvorrichtung (5) angeordnet ist zur Unterstützung des Expansionsvorganges.
6. Wärme-Generator nach Ansprüchen 2, 4 und 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß der auf den Arbeitszylinder (2) wirkende Hebel (8) eine gekrümmte Lauffläche (8.2) für die mit dem Arbeitszylinder verbundenen Laufrollen (7) hat.
7. Warme-Generator nach Ansprüchen 2, 4 und 5,

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dadurch gekennzeichnet,

daß der auf den Arbeitszylinder wirkende Hebel (12) mit einem angehängten Ballastgewicht (13) versehen ist.
8. Wärme-Generator nach Ansprüchen 2 und 4-, gekennzeichnet durch eine einstülpbare Topfmanschette (2.J) als Dichteleraent zwischen Verdrängerkolben und Arbeitszylinder ο

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