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THERMISCHER KOMPRESSOR
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Es sind Verfahren zur Verdichtung von gasförmigen und flüssigen Medien
bekannt, bei denen im Unterschied zum mechanisch angetriebenen Kolben- oder Rotationskompressor
durch Wärmezufuhr in einem geschlossenen mit Gas oder Dampf betriebenen Kreisprozeß
das Arbeitsmedium verdichtet werden kann. Diesen Verdichtern wird die Antriebsenergie
nicht in Form mechanischer Leistung sondern unmittelbar als Verbrennungswärme eines
gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffs zugeführt, die über einen Wärmetauscher
in den Kreisprozeß eingekoppelt wird. Den gleichen Zweck verfolgen zwar die von
einem Verbrennungsmotor angetriebenen Kolben- oder Rotationsverdichter, jedoch mit
dem Unterschied, daß dieser mit einer inneren Verbrennung des Brennstoffs, d.h.
mit hoher Schadstoffemission arbeitet, während bei einer äußeren Verbrennung in
einer Brennkammer nur etwa ein Zehntel der Schadstoffe bei gleicher Wärmeleistung
emittiert wird.
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Zur Erläuterung des geschlossenen Verdichtungsprozesses ist in Fig.1
dessen Schema angegeben. Die Komponenten dieses Verdichters werden vom Arbeitszylinder
1, dem Verdrängerkolben 2, dem Wärmetauscher 3 in der Brennkammer 4, dem thermischen
Regenerator 5 und dem Kühler 6 gebildet. Durch eine Antriebsvorrichtung 7, die aus
einer Kurbelwelle mit Pleuel, einer pneumatischen oder hydraulischen Vorrichtung
oder einem elektrodynamischen Linearmotor bestehen kann, wird der Verdrängerkolben
2 periodisch zwischen seinen Endlagen auf- und abbewegt. Bei geschlossenem Ventil
8 stellt diese Anordnung ein abgeschlossenes System dar, das mit einem gas-oder
dampfförmigen Arbeitsmedium, z.B. mit .Helium, von hohem Druck gefüllt ist. Durch
den auf-und abbewegten Verdrängerkolben, der an seinem Fuß durch Kolbenringe 9 gegen
die Zylinderlauffläche abgeeichtet ist, wird das Arbeitsgas über die Wärmetauscher
3, 6 und den thermischen Regenerator 5 zwischen dem oberen Arbeitsvolumen 10, in
dem die hohe Temperatur T2 des Wärmetauschers 3 herrscht, und dem unteren Arbeitsvolumen
11 mit der Temperatur To des Kühlers 6 periodisch hin- und hergeschoben. Im thermischen
Regenerator
5 stellt sich im stationären Zustand ein Temperaturgefälle zwischen T2 und To ein.
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In der oberen Totpunktlage des Verdrängerkolbens 2 befindet sich
die Hauptmenge des Arbeitsgases im unteren, kalten Arbeitsvolumen 11 und wird nach
dem idealen Gasgesetz, wonach der Gasdruck p proportional zur Temperatur T ist,
der Druck des Arbeitsgases seinen Tiefstwert Pmln in erreichen. In der unteren Totpunktstellung
von 2 befindet sich die Hauptmenge des Arbeitsgases im oberen Arbeitsvolumen 10
mit der hohen Temperatur T2 und nimmt den relativ hohen Druck an. Da der Gasdruck
- abgesehen von den geringen Druckdifferenzen infolge der Strömungswiderstände in
den Wärmetauschern 3 und 6 sowie im Regenerator 5 - in der gesamten Anlage überall
derselbe ist, wird sich der Arbeitsdruck bei periodisch auf-und abbewegtem Verdränger
etwa sinusförmig ändern. Die Druckamplitude Pma%-pmjn zu hängt von den Temperaturen
T0 und T2 sowie von den Totvolumina der Wärmetauscher und des Regenerators ab.
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Es sind Vorschläge bekannt, den periodischen Druckverlauf (mit einem
Verhältnis pmax/pmin= 2:1 und mehr!) durch zwei Rückschlagventile mit unterschiedlicher
Durchlaßrichtung "gleichzurichten" und zwei Druckpuffer auf unterschiedliche Gasdrücke
aufzuladen. Diese Vorrichtung entspricht einem Gasverdichter mit zwei Druckreservoirs,
deren Druckdifferenz entweder mit bekannten Mitteln in mechanische Arbeit umgewandelt
oder in einem angekoppelten zweiten thermodynamischen Regenerativprozeß zur Kälteerzeugung
genutzt werden kann.
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Ein weiterer Vorschlag zur Nutzung der periodischen Druckänderung
im Arbeitszylinder ist in Fig.1 näher erläutert. Bei geöffnetem Ventil 8 wird das
untere Arbeitsvolumen 11 mit einem Druckübertrager 12 verbunden, der durch die elastische
Membran 13 in die Arbeitsräume 14 und 15 geteilt ist, in denen immer gleicher Druck
herrscht. Die Kammer 15 ist über die Rückschlagventile 16, 17 mit den bereits erwähnten
Druckreservoirs verbunden; Kammer und Druckpuffer können mit einem beliebigen gasförmigen
oder flüssigen Arbeitsmedium gefüllt sein. Die periodischen Druckänderungen
werden
Uber die Membranl3 auf den Inhalt der Kammer 15 über tragen und bewirken, daß in
den angeschlossenen Druckreservoirs das Arbeitsmedium, wie z.B. Hydrauliköl, auf
unterschiedlichen DrUcken gehalten werden. Die erzeugten Druckdifferenz hängt u.a.von
den Betriebstemperaturen To, T2 ab und kann mit bekannten Mitteln, wie z.B. durch
einen hydraulischen Kolbenmotor, in mechanische Arbeit umgewandelt werden.
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Bei der praktischen Ausführung der in Fig.1 gezeigten Anordnung treten
eine Reihe schwerwiegender Verlustquellen auf, welche die Effektivität, d.h. den
thermodynamischen Wirkungsgrad bei der Umwandlung der zugeführten Wärmeenergie in
Verdichtungsarbeit beeinträchtigen. Vor allem bewirken die bei der Obertragung der
Verbrennungswärme auf den Wärmeaustauscher 3 in der Brennkammer und im Kühler 6
auftretenden Temperaturdifferenzen eine Verringerung des idealen thermodynamischen
Wirkungsgrades für die Umwandlung der zugeführten Wärmemenge Q2 in die Verdichtungsarbeit
W tun = W/Q = (T2-To)/T2 . (1) Treten an den Wärmetauschern 3 und 6 zwischen dem
Arbeitsgas und den Austauschflächen die Temperaturdifferenzen hT2 bzw. ATo auf,
so muß Gl.(1) durch die Beziehung n = (T2-AT2-To+ATo)/(T2-T2) (2) ersetzt werden,
welche einen kleineren Wert im Vergleich zum IdealprozeD liefert.
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Eine weitere Verlustursache stellen die thermischen Isolationsverluste
des außerhalb des Arbeitszylinders angebrachten Wärmetauschers 3 und des Regenerators
5 dar, deren Obertemperatur T2-To beträgt. Die dadurch bewirkten Konvektions-und
Strahlungsverluste lassen sich bei der in Fig.1 gezeigten Ausführungsform nur durch
aufwendige und voluminöse Isoliermäntel verringern.
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Schließlich wirken sich die Totvolumina der Wärmetauscher 3, 6, des
thermischen Regenerators 5 und ihrer Ve.rt.indunqs-
leitungen untereinander und mit dem ArbeitszylinderAaus, da das bei vorgegebenen
Temperaturen T2, T0 erzeugte Druckverhältnis PmaXtpmin und damit die pro Volumeneinheit
des Zylin-
ders bezogene Verdichtungsarbeit stark mit den Totvolumina
abnimmt.
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Der Erfindungsgegenstand basiert auf dem beschriebenen Arbeitsschema,
weist jedoch gegenüber dem Bekannten neuartige Merkmale auf, welche die angeführten
Nachteile vermeiden. In Fig.2 ist das Prinzip des Erfindungsgegenstandes an einem
Beispiel erläutert.
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Der Arbeitszylinder 18 verbindet druckfest und gasdicht den Zylinderkopf
19 mit dem Kühlerfuß 20 und ist innen mit dem Hohlzylinder 2i aus wärmeisolierendem
Material hoher Druckfestigkeit, z.B. Keramik ausgekleidet. In seinem Innern befindet
sich der Verdrängerkolben 22, der über die druckdicht durch den Zylinderfuß 20 geführte
Kolbenstange 23 von der Antriebsvorrichtung 24 periodisch zwischen seinen Endlagen
auf- und abbewegt wird. Zwischen Verdrängerkolben 22 und Auskleidung 21 verbleibt
einGasspalt von 0.1 bis 0.2 mm; die gegenseitige Abdichtung wird durch den Kolbenring
41 aus abriebfestem Kunststoff bewirkt.
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Der Verdränger 22 enthält den zentrisch eingebauten thermischen Regenerator
25, der nach außen durch den Hohlzylinder 26 aus wärmeisolierendem Material gegen
Wärmeverluste geschützt ist. Ober- und Unterteil (27, 28) des Verdrängers bestehen
aus ebenen oder zylindrischen Wärmeaustauschflächen, die mit den korrespondierenden
Austauschflächen (29,30) je einen Spaltstromwärmetauscher für die Obertragung der
Antriebs- bzw.Kühlleistung auf das Arbeitsmedium darstellen.
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Die Freiräume 31, 32 zwischen den feststehenden und den auf dem Verdrängerkolben
befestigten Austauschflächen bilden die in Fig.1 gekennzeichneten Arbeitsvolumina
10, 11, welche durch die Bohrungen 33, 34 mit dem Regenerator 25 kommunizieren.
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Während des Aufwärtstaktes des Verdrängers 22 verringert sich das
obere Arbeitsvolumen 32, während der untere Arbeitsraum 31 im selben Maße abnimmt.
Das in 32 enthaltene Arbeitsgas von hoher Temperatur wird dabei durch den Regenerator
geschoben und strömt in das untere Teilvolumen 31, wobei es gezwungen wird, durch
die engen Gasspalte zwischen den festen (29, 30) und bewegten Austauschflächen (27,
28) mit einer relativ hohen Gasgeschwindigkeit zu strömen. Da die Aus tauschflächen
erfindungsgemß aus sehr gut wärmeleitenden Metallen,
wie Kupfer,
Aluminium oder Silber bestehen und infolge der Spaltströmung eine hohe Wärmeübergangszahl
zustandekommt, treten zwischen den bewegten und feststehenden Austauschflächen nur
relativ kleine Temperaturdifferenzen aTo undhT2 auf. Dem Fachmann ist klar, daß
durch Optimieren von Dicke, Anzahl und gegenseitigem Abstand der Austauschflächen
die Wärmeübertragung bei minimalem Temperatursprung und einem noch tolerablen Strömungswiderstand
erzielt werden kann.
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Ein weiteres Erfindungsmerkmal betrifft die Konstruktion der Zylinderabschlüsse:
Der Zylinderfuß 20 enthält neben den feststehenden Austauschflächen 29 seitliche
und untere Kühlrippen 35, die von einem Kühlmantel 36 umgeben und von Wasser gekühlt
sind. In den Zylinderkopf 19 mit seinen feststehenden Austauschflächen 30 ist die
Brennkammer 37 integriert, die mit Innenrippen 38 zur besseren Wärmeaufnahme aus
der Brennzone des Gas- oder Ulbrenners 39 ausgekleidet ist. Infolge der guten Wärmeleitung
der aus einem Stück gefertigten Brennkammer-Spaltstromaustauscher-Kombination entsprechend
dem Erfindungsmerkmal wird eine effektive Obertragung der zugeführten Heizenergie
an das Arbeitsmedium garantiert. Analoges gilt für den Kühler 20 und die Abfuhr
der Kühlwärme. Um geringe Druckdifferenzen zwischen benachbarten Ringkammern der
Spaltstromwärmetauscher zu verhindern, sind radiale Bohrungen 40 angebracht.
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Wie bei der Ausführung nach Fig.1 ist der untere Arbeitsraum 31 mit
einem Druckübertrager 42 verbunden, dessen Druckräume 43 und 44 durch die elastische
Membran 45 hermetisch getrennt sind. Während der Druckraum 43 mit dem Hochdruckgas
des Arbeitszylinders gefüllt ist, kann das Arbeitsmedium im Teilvolumen 44 aus einem
Gas, einer Flüssigkeit oder aus einem Flüssigkeits-Gasgemisch bestehen, deren periodischen
Druckänderungen durch die Rückschlagventile 46, 47 unterschiedlicher Durchlaßrichtung
gleichgerichtet werden. Hierdurch lassen sich zwei Druckpuffer, die an die Ventile
46, 47 angeschlossen sind, im stationären Zustand auf unterschiedliche Drücke aufpumpen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das in Fig.2 dargeste-lte
Ausführungsbeispiel beschränkt: Infolge der kompakten Bauweise ist sie mit Vorteil
auf größere Aggregate anwendbar, die aus mehreren, nebeneinanderliegenden Arbeitszylindern
bestehen.
Die besonderen Merkmale der Erfindung lassen sich in vier
Punkten zusammenfassen: 1. Die Konstruktion des Verdrängerkolbens stellt eine Integration
von thermischem Regenerator, (beweglichen) Austauschflächen für Wärmezu- und abfuhr
und radialer Wärmeisolation dar.
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2. Brennkammer und Kühler bilden eine konstruktive Einheit mit den
(feststehenden) Austauschflächen der Spaltstromwärmetauscher.
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3. Die Spaltstromwärmetauscher nach dem Erfindungsvorschlag verbinden
in einer kompakten Konstruktion eine hervorragende Wärmeübertragung mit geringem
Druckverlust und minimalem Totvolumen.
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4. Die konstruktive Ausführung ermöglicht eine optimale und raumsparende
Wärmeisolation des Arbeitszylinders und führt zu geringen Wärmeverlusten an die
Umgebung.