DE3619749A1 - Vorrichtung zur erzeugung mechanischer energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung mecha­ nischer Energie mit einem Kompressor für das Arbeitsmedium, mit einem Heizbehälter zum Erwärmen des komprimierten Arbeits­ mediums, mit einer Expansionsmaschine zur Erzeugung der mecha­ nischen Energie, und mit einem Wärmetauscher zum Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebung.

Bei solchen Vorrichtungen besteht ganz allgemein das Problem, daß sie einen begrenzten Wirkungsgrad haben. Dieser Wirkungs­ grad ist einmal durch physikalische Gesetzmäßigkeiten gegeben, andererseits aber auch durch konstruktive Einzelheiten be­ dingt. So ist es aus technischen Gründen meist nur möglich, diese Vorrichtungen mit einem verhältnismäßig niedrigen Wir­ kungsgrad zu betreiben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen sehr hohen Wir­ kungsgrad hat.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Vorrichtung ein Arbeitsmedium aufweist, daß bei der Temperatur des Heiz­ behälters aufgrund von chemischen Reaktionen und/oder Desorp­ tionsvorgängen eine bei tieferen Temperaturen reversible Vo­ lumenvergrößerung erfährt.

Das Prinzip der eingangs genannten, vorbekannten Vorrichtungen besteht darin, daß das Arbeitsmedium, das heißt im allgemeinen ein Gas, zunächst komprimiert wird. Es wird dann erwärmt, wo­ durch sich das Volumen erhöht. Anschließend wird das Arbeits­ medium in der Expansionsmaschine entspannt und leistet dabei Arbeit, die größer ist als die Kompressionsarbeit, so daß mechanische Energie gewonnen wird. Dabei kühlt sich das Ar­ beitsmedium nur teilweise ab; es wird dann im Wärmetauscher wieder auf die ursprüngliche Temperatur gebracht, bevor es erneut den Kreislauf durchläuft.

Erfindungsgemäß wird nun die Volumenerhöhung durch die Er­ wärmung noch dadurch verstärkt, daß man ein Arbeitsmedium verwendet, das bei der höheren Temperatur sein Volumen auf­ grund von chemischen Reaktionen und/oder Desorptionsvorgängen erhöht. Eine Möglichkeit wäre zum Beispiel, ein molekulares Gas zu verwenden, dessen Moleküle bei der höheren Temperatur in einzelne Bestandteile, im Extremfall in einzelne Atome zerfällt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, wie dies weiter unter ausgeführt werden wird, ein Metallpulver zu erhitzen, das ein Gas absorbiert oder adsorbiert hat.

Aufgrund der Tatsache, daß das Arbeitsmedium bei der höheren Temperatur mehr Volumen einnimmt, vermag das Gas mehr Arbeit zu leisten, als dies sonst der Fall wäre. Bei der tieferen Temperatur verlaufen dann die chemische Reaktion und/oder die Desorptionsvorgänge in der anderen Richtung, d. h. als Absorp­ tions- bzw. Adsorptionsvorgänge, so daß das Gas wieder sein normales Volumen einnimmt und dann erneut für den Zyklus zur Verfügung steht.

Wenn ein solches Arbeitsmedium verwendet wird, das sich bei der Volumenvergrößerung im Heizbehälter erwärmt, so kann die zugeführte Wärmemenge sehr klein gehalten werden. Dies be­ deutete eine weitere Energieeinsparung und damit Erhöhung des Wirkungsgrades.

Wenn sich das Arbeitsmedium bei der Volumenverringerung bei den tieferen Temperaturen abkühlt, so muß im Wärmetauscher nicht mehr so viel Abwärme an die Umgebung abgegeben werden, da das Gas nach dem Entspannen nur weniger gekühlt werden muß. Im Extremfall bei besonders gut geeigneten Arbeitsmedien kann die Abkühlung bei der Volumenverringerung sogar so groß sein, daß im Wärmetauscher sogar Wärme aus der Umgebung aufgenommen werden muß.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Ar­ beitsmedium aus zwei nicht miteinander chemisch reagierenden Komponenten besteht, von denen die eine ein normales Gas ist und von denen die andere die Volumenvergrößerungen/-verkleine­ rungen aufgrund von chemischen Reaktionen und/oder Desorp­ tionsvorgängen erfährt.

Insbesondere kann dabei das Arbeitsmedium bzw. der Teil des Arbeitsmediums, der die Volumenvergrößerung aufgrund von chemischen Reaktionen und/oder Desorptionsvorgängen erfährt, eine Mischung von einem Gas und einem Pulver sein.

Ein geeignetes Pulver kann dabei ein Metallpulver sein. Insbe­ sondere kann das Gas Wasserstoff und das Metall Platin, Palla­ dium oder ein sonstiges Katalysatormetall sein, das Wasser­ stoff aufnehmen kann. Wird noch ein zweites Gas verwendet, das für den normalen konventionellen Anteil des Kreislaufes beson­ ders geeignet ist, so kann man zum Beispiel Stickstoff verwen­ den.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann als Me­ tall eine Legierung verwendet werden, die Helium absorbieren oder adsorbieren kann; als Gas wird dann Helium verwendet.

Vorteilhafterweise kann noch vorgesehen werden, daß die Expan­ sionsmaschine mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Dieser Generator liefert dann statt mechanischer Energie elek­ trische Energie. Wenigstens ein Teil der Heizenergie für den Heizbehälter kann dabei von dem Generator geliefert werden. Insbesondere dann, wenn sich das Gas bei der Volumenvergröße­ rung aufgrund von chemischen Reaktionen und/oder Desorptions­ vorgängen sehr stark erwärmt, könnte man sogar anstreben, die Heizenergie vollständig durch den elektrischen Generator liefern zu lassen. In vielen anderen Fällen wird es aber einfacher sein, bereits vorhandene Wärmequellen für diesen Zweck zu verwenden.

Vorteilhafterweise sind noch die Teile des Kreislaufs des Ar­ beitsmediums mit Oberflächen versehen, die die zu den Volumen­ vergrößerungen/-verkleinerungen führenden Reaktionen fördern oder verstärken. Insbesondere der Heizbehälter und der Wärme­ tauscher bzw. Teile davon können mit solchen Oberflächen ver­ sehen sein.

Der Wärmetauscher kann den Wärmeaustausch mit der Luft der Umgebung durchführen. Es ist aber auch ein Wärmetausch mit einer Wassermenge möglich; für diesen Zweck müssen dann ge­ gebenenfalls Pumpen für das Wasser vorgesehen sein. Man kann aber auch, was sich in gewissen Extremsituationen als zweck­ mäßig erweisen kann, um zum Beispiel eine zu tiefe Temperatur des Arbeitsmediums im Wärmetauscher zu vermeiden, die Luft, die von außen über den Wärmetauscher geführt wird, zunächst komprimieren, wodurch sie erwärmt wird. Die Abluft kann dann über eine Expansionsmaschine geführt werden, so daß die für die Druckerhöhung der Umweltluft verwendete Energie wenigstens teilweise wieder zurückgewonnen wird. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Gesamtvorrichtung weiter erhöht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeich­ nungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 2 ein P-V-Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.

In der in Fig. 1 gezeigten Maschine wird das Arbeitsmedium, das heißt normalerweise ein Gas, das aber zum Beispiel Staub­ anteile von staubförmigen Metallen enthalten kann, zunächst in einem Kompressor (1) komprimiert und gelang dann in Pfeilrich­ tung in den Heizbehälter (2). Dieser Heizbehälter enthält ein bei (3) angedeutetes Heizelement, das von einer Wärmequelle (4) erwärmt wird. Selbstverständlich könnte das Heizelement (3) auch die Außenwand des Behälters (2) sein; in manchen Fäl­ len wird man aber ein separates Heizelement (3) verwenden, zum Beispiel bei elektrischer Beheizung.

Das durch die Kompression bereits erwärmte Arbeitsmedium wird durch die Heizquelle (3) weiter erwärmt, bis sich durch De­ sorptionsvorgänge sein Volumen vergrößert. Es steht damit mehr Gas zur Verfügung, das in der Expansionsmaschine (5) entspannt wird und dabei mechanische Arbeit leistet.

Anschließend wird das entspannte Gas bzw. sonstige Arbeits­ medien über ein Regelventil (6) in einen Wärmeaustauscher (7) geleitet, in der der Wärmeaustausch mit der Umgebung statt­ findet, so daß das Gas wieder seine ursprüngliche Temperatur annimmt. Dabei findet auch die umgekehrte chemische Reaktion bzw. die der Desorption entsprechende Absorption oder Adsorp­ tion an den mitgeführten Teilchen des Gases statt. Das Gas hat damit seinen Kreislauf vollendet und kann im Kompressor (1) komprimiert werden.

Zur Unterstützung des Wärmeaustausches mit der Umgebung dient noch ein Ventilator (8), der durch einen Motor (9) angetrieben ist.

Kompressor (1) und Expansionsmaschine (5) sind auf einer ge­ meinsamen Welle (10) angeordnet, so daß der Kompressor nach einem einmaligen Start durch den Kreislauf selbst angetrieben werden kann, das heißt durch die Expansionsmaschine (5). Die darüber hinaus zur Verfügung stehende mechanische Energie kann von einem Generator (11) aufgenommen werden, von dem ein Teil der elektrischen Leistung über Leitungen (12) zum Motor (9) für den Ventilator (8) geführt wird. Ein anderer Teil der Energie kann bei (13) nutzbringend entnommen werden. Außerdem oder statt dessen kann bei (14) auch mechanische Energie von der Welle (10) abgenommen werden.

Es soll nun die Wirkungweise anhand des Diagramms der Fig. 2 verdeutlicht werden. Das Arbeitsmedium wird im Kompressor (1) adiabatisch verdichtet (Strecke 1-2 im P-V-Diagramm) und ge­ langt durch die Rohrleitungen in das Heizgefäß (2). Das ver­ dichtete Arbeitsmedium wird hier durch das Heizelement (3) auf die Reaktionstemperatur gebracht (Strecke 2-3 im P-V-Dia­ gramm).

Ist die Reaktionstemperatur erreicht, kommt es im Arbeits­ medium durch die chemischen Reaktionen und/oder Desorptions­ vorgänge zu einer beträchtlichen Volumenvergrößerung bei ungefähr konstantem Druck (Strecke 3-3′ im P-V-Diagramm).

Das verdichtete und durch die Volumenvergrößerung vermehrte Arbeitsmedium gelangt dann in die Expansionsmaschine (5) und expandiert hier unter Arbeitsleistung adiabatisch (Strecke 3-4 im P-V-Diagramm).

Am Ende des Expansionsvorganges befindet sich das Arbeits­ medium auf niedriger Temperatur und es findet die umgekehrte Reaktion zur Volumenvergrößerung im Heizbehälter (2) statt. Das Arbeitsmedium nimmt dabei seinen Normalzustand wieder ein (Strecke 4′-5 im P-V-Diagramm).

Ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, das Arbeitsmedium durch die Volumenverkleinerungsreaktion so sehr abgekühlt, das es sich auf einer niedrigeren Temperatur als die Umgebung be­ findet, so wird es im Wärmetauscher erneut auf höhere Tempera­ tur, das heißt Umgebungstemperatur, gebracht (Strecke 5-6-7 im P-V-Diagramm). Anschließend beginnt dann der Kreislauf von neuem.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie mit einem Kompressor für das Arbeitsmedium, mit einem Heizbehälter zum Erwärmen des komprimierten Arbeitsmediums, mit einer Expansionsmaschine zur Erzeugung der mechanischen Energie, und mit einem Wärmetauscher zum Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebung, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Ar­ beitsmedium aufweist, das bei der Temperatur des Heizbe­ hälters (2) aufgrund von chemischen Reaktionen und/oder Desorptionsvorgängen eine bei tieferen Temperaturen re­ versible Volumenvergrößerung erfährt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium sich bei der Volumenvergrößerung im Heizbehälter (2) erwärmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium sich bei der Volumenverringerung bei der tieferen Temperatur abkühlt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kenzeichnet, daß das Arbeitsmedium aus zwei nicht mitein­ ander chemisch reagierenden Komponenten besteht, von denen die eine ein normales Gas ist und von denen die andere die Volumenvergrößerungen/-verkleinerungen aufgrund von chemi­ schen Reaktionen und/oder Desorptionsvorgängen erfährt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Arbeitsmedium, das die Volumenver­ größerungen aufgrund von chemischen Reaktionen und/oder Desorptionsvorgängen erfährt, eine Mischung von einem Gas und einem Pulver ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver ein Metallpulver ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Wasserstoff und das Metall Platin oder Palladium ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Legierung und das Gas Helium ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Expansionsmaschine (5) mit einem elektrischen Generator (11) verbunden ist und daß wenig­ stens ein Teil der Heizenergie für den Heizbehälter (2) von dem Generator (11) geliefert wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Teile (2, 3, 7) des Kreislaufs des Arbeitsmediums mit Oberflächen versehen sind, die die zu den Volumenvergrößerungen/-verkleinerungen führenden Reak­ tionen fördern oder verstärken.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Absinken der Temperatur des Arbeitsmediums unter die Umwelttemperatur Wärmeenergie über den Wärmetauscher (7) aufgenommen wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium, das die Volumen­ vergrößerung aufgrund von chemischen Reaktionen und/oder Desorptionsvorgängen erfährt, eine Mischung von zwei Gasen ist, von welchen mindestens eines synthetisch hergestellt ist und wie ein Katalysator auf das andere wirkt.