DE3641122A1 - Antriebseinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, insbesondere eine tragbare Antriebseinheit, zum Umsetzen von Wärme in eine andere Energieform, insbesondere in elektrische Ener­ gie.

Bei der Erzeugung von insbesondere elektrischer Energie in einem System mit einem Arbeitsmittelkreislauf, in dem das Arbeitsmittel einen Rankine-Zyklus durchläuft, wird als Arbeitsmittel im allgemeinen Wasser verwendet, wenn die Temperaturen im Heizkreislauf hoch genug sind. Die meisten verfügbaren Wärmequellen gestatten jedoch nur eine geringe Erwärmung des Heizmittels im Heizkreislauf, so daß es nicht möglich ist, mit brauchbarem Wirkungsgrad eine ausreichend hohe Temperatur zu erzeugen, um einen ausreichend hohen Arbeitsdruck des Arbeitsmittels zu er­ reichen und damit eine hohe Leistungsabgabe des Systems zu ermöglichen. Mit Wasser als Arbeitsmittel werden also keine ausreichend hohen Drücke erreicht, um eine Turbine als Energieerzeuger mit brauchbarem Wirkungsgrad zu be­ treiben. Aus diesem Grunde sind in Systemen, die mit dem thermodynamischen Rankine-Zyklus arbeiten, organische Flüssigkeiten als Arbeitsmittel vorteilhaft, da diese bei derselben Temperatur leichter verdampfen und zu einem höheren Arbeitsdruck führen als Wasser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit gutem Wirkungsgrad arbeitende, billige, insbesondere leicht zu transportierende Antriebseinheit anzugeben, die überall dort einsetzbar ist, wo eine Energiequelle im niedrigen Temperaturbereich als Wärmequelle zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Antriebsein­ heit gelöst, die durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet ist.

Es ist ein spezielles Ziel der Erfindung, eine tragbare Antriebseinheit anzugeben, welche eine relativ geringe Ausgangsleistung in Form einer elektrischen Leistung von etwa 1 bis 5 kW erzeugt und dabei mit gutem Wirkungsgrad arbeitet.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung angestrebt, eine Ar­ beitseinheit zu schaffen, die mit einer möglichst geringen Zahl von Baueinheiten auskommt, die leicht zu warten und mechanisch und/oder elektrisch so ausgebildet sind, daß keine komplizierten Probleme auftreten können.

Gemäß der Erfindung wird ferner angestrebt, eine Arbeits­ einheit zu schaffen, bei der mit einem organischen Ar­ beitsmittel ein Rankine-Zyklus durchlaufen wird, wobei als Arbeitsmittel vorzugsweise ein Kältemittel mit nied­ rigem Dampfdruck verwendet wird und wobei im Expansions­ teil des Systems ein als Drehantrieb ausgebildeter Expan­ der mit einem Flügelrad verwendet wird.

Ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung besteht ferner darin, eine Arbeitseinheit zu schaffen, die so ausgebildet ist, daß eine automatische Anpassung der Wärmeübertra­ gungsleistung an den Wärmetauschern an die Menge des dampf­ förmigen Arbeitsmittels erfolgt, welches durch den Expan­ der strömt bzw. eine automatische Anpassung an die Aus­ gangsleistung des Expanders.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer trans­ portablen, einen Rahmen umfassenden Antriebs­ einheit gemäß einer bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung;

Fig. 2A ein T/s-Diagramm eines typischen Rankine- Zyklus;

Fig. 2B ein schematisches Blockdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Antriebseinheit gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische, schematische Darstellung der wesentlichen Elemente der Antriebseinheit gemäß Fig. 1 mit Ausnahme des Rahmens;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf die Antriebs­ einheit gemäß Fig. 1, wobei einige Teile zur Verbesserung der Übersichtlichkeit wegge­ lassen sind;

Fig. 5 eine Vorderansicht der Anordnung gemäß Fig. 4,

Fig. 6 eine Stirnansicht der Arbeitseinheit gemäß Fig. 1 mit einer Draufsicht auf die Innensei­ te der in Fig. 1 linken Platte des Rahmens, wo­ bei ein Teil der rechten Platte des Rahmens weg­ gebrochen ist;

Fig. 7 eine Teil-Stirnansicht der Antriebseinheit, wobei die Verbindungsleitungen zwischen den Baueinheiten als Linien angedeutet sind;

Fig. 8 eine vergrößerte Teil-Seitenansicht der An­ triebseinheit mit Ventileinrichtungen und

Fig. 9 eine vergrößerte Darstellung von Teilen der Ventileinrichtungen gemäß Fig. 8 in Verbindung mit einem Schmiermittelseparator.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Antriebs- bzw. Genera­ toreinheit, die einen Rahmen 10 aufweist, der zwei hori­ zontale, U-schienenförmige Träger 12, 14 und zwei senk­ rechte Platten 16, 18 umfaßt, die mit den Trägern 12, 14 verschweißt oder auf andere Weise mit diesen verbunden sind. An bzw. zwischen den Platten 16, 18 sind folgende Elemente befestigt: ein Verdampfer (Boiler) 20 für ein organisches Arbeitsmittel, ein Kondensator 20, ein Ex­ pander 24, eine davon angetriebene Energie-Umsetzer­ einheit 26, ein Wärmetauscher 28 für einen Heizmittel­ kreislauf, der dem Verdampfer 20 zugeordnet ist, ein Wärmetauscher 30 für den Kühlmittelkreislauf, der dem Kondensator 22 zugeordnet ist und Leitungen, wel­ che die genannten Bauelemente miteinander verbinden. Der Verdampfer 20 und der Kondensator 22 sind hori­ zontal an den vertikalen Platten 16, 18 befestigt, wo­ bei sich jeweils ihr eines Ende auf der einen Seite (der linken Seite in Fig. 1) einer der Platten, näm­ lich der Platte 16 befindet. Die Leitungen, welche die genannten Bauteile miteinander verbinden, sind haupt­ sächlich auf der linken Seite der vertikalen Platte 16 angeordnet und an den freien Enden des Verdampfers 20 und des Kondensators 22 derart angeschlossen, daß eine Verbindung mit den zugehörigen Wärmetauschern 28, 30 und den Innenräumen bzw. den Kammern des Arbeitsmit­ telkreislaufs herstellbar ist.

Wie Fig. 2A und 2B zeigen, sind der Verdampfer 20, der Expander 24 und der Kondensator 22 so ausgebildet und miteinander verbunden, daß die Antriebseinheit nach dem konventionellen Rankine-Zyklus arbeiten kann, der in Fig. 2A dargestellt ist. Im Verlauf eines Ar­ beitszyklus wird das Arbeitsmittel, vorzugsweise ein Kältemittel, wie z.B. FREON R 11 oder R 114, in dem Verdampfer 20 erwärmt, so daß sich ein Gas mit einer Temperatur T ₁ und einem Druck P ₁ ergibt, welches über eine Einlaßleitung 31 dem Expander 24 zugeführt wird, der als Drehantrieb ausgebildet ist und in dem der Druck des gas- bzw. dampfförmigen Arbeitsmittels adia­ batisch auf einen Druck P ₂ abgebaut wird, wobei an der Abtriebswelle des Expanders 24 eine Antriebslei­ stung erzeugt wird. Das den Expander 24 verlassende gasförmige Arbeitsmittel gelangt über Leitungen 44, 45 in den Kondensator 22, wo es abgekühlt, kondensiert und anschließend als Flüssigkeit zu dem Verdampfer 20 zurückgeleitet wird, wodurch der thermodynamische Zyk­ lus beendet ist.

Gemäß vorliegender Erfindung wird das flüssige Arbeits­ mittel in dem Verdampfer 20 durch Wärmeaustausch mit einem Heizmittel erhitzt, welches von einer Wärmequelle erwärmt wird und welches durch den Wärmetauscher 28 zirkuliert, der in den Heizmittelkreislauf 36 eingefügt ist. Dabei ändert das zunächst flüssige Arbeitsmittel seinen Aggregatzustand und wird zu einem unter Druck stehenden Dampf bzw. Gas. Das zuvor aufgeheizte Heiz­ mittel wird mit Hilfe einer Umwälzpumpe 34 durch den Wärmetauscher 28 gepumpt. Das Heizmittel wird dabei über Leitungen 36 zu- und abgeführt, die mit Einlaß­ und Auslaßfittings 37 des Wärmetauschers 28 verbunden sind, welcher innerhalb des äußeren Mantels des Ver­ dampfers 20 angeordnet ist. Wenn das Heizmittel mit ausreichendem Gefälle verfügbar ist, um durch den Wärmetauscher 28 zu zirkulieren, kann die Pumpe 34 weggelassen oder umgangen werden, um die Leistung ein­ zusparen, die andernfalls für den Antrieb der Umwälz­ pumpe 34 erforderlich ist.

In entsprechender Weise zirkuliert ein zuvor abge­ kühltes Kühlmittel durch den Wärmetauscher 30 des Kühlmittelkreislaufs 38. In diesem Kühlmittelkreis­ lauf 38 ist eine zweite Umwälzpumpe 40 vorgesehen, die das Kühlmittel über die dafür vorgesehenen Lei­ tungen zu den Fittings 39 des Wärmetauschers 30 und von diesen weg transportiert, wobei der Wärmetauscher 30 der Abkühlung und Kondensation des Arbeitsmittels in dem Kondensator 22 dient. Wenn das Kühlmittel mit ausreichendem Gefälle zur Verfügung steht, kann auch die Pumpe 40 weggelassen oder umgangen werden.

Wie aus Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 3 bis 7 deut­ lich wird, wird mit Hilfe der Abtriebswelle des Ex­ panders 24 vorzugsweise ein elektrischer Generator 26, insbesondere ein Wechselstromgenerator, angetrie­ ben, der auf der anderen Seite der Platte 16 sitzt. Die an der Abtriebswelle des Expanders 24 verfügbare Energie kann aber auch auf andere Weise genutzt bzw. umgewandelt werden. Die Umwälzpumpen 34, 40 für den Heizkreislauf und den Kühlkreislauf sind auf derselben Seite wie der Expander 24 an der Platte 16 montiert. Die Pumpen 34, 40 werden von der Abtriebswelle des Ex­ panders 24 über einen Riementrieb 60, 61, 62, 64 ange­ trieben. Am freien Ende des Expanders 24 ist beim be­ vorzugten Ausführungsbeispiel eine Doppelpumpe 42 mon­ tiert, deren einer Pumpenteil dazu dient, das vom Ar­ beitsmittel mit Hilfe eines Ölseparators 43 zwischen den Leitungen 44, 45 getrennte Schmiermittel zu fördern. Das Schmiermittel wird dem Kühlmittel zunächst beige­ mischt, um den Expander 24 zu schmieren. Beim Ausfüh­ rungsbeispiel wird das Schmiermittel von der Pumpe 42 über die Leitung 47 zum Rotor des Expanders 24 trans­ portiert und im Expander 24 mit dem Arbeitsmittel ge­ mischt. Der zweite Pumpenteil der Doppelpumpe 42 dient dazu, das flüssige Arbeitsmittel über die Rückführ­ leitung 48 von dem Kondensator 22 zu dem Verdampfer­ gefäß 20 zu pumpen.

Bei der Realisierung der Erfindung wird vorzugsweise ein Expander mit hohem Wirkungsgrad und vom Verdränger­ typ sowie mit einem Flügelrad verwendet, wie er bei­ spielsweise in den US-PSen 42 99 097 und 44 10 305 be­ schrieben ist. Auch andere Expander vom Verdrängertyp, wie z.B. mit einem Wankel- oder einem Scroll-Rotor können verwendet werden. Die genannten Verdränger­ maschinen haben eingeschlossene (constrained) Rotoren, so daß zwischen Rotor und Gehäuse Zwischenräume auf­ rechterhalten werden können, welche die Verwendung von Kälte- bzw. Arbeitsmitteln mit niedrigem Damp­ druck ermöglichen; bei einigen Verdrängermaschinen kann allerdings für einen effektiven Betrieb ein Ar­ beits- bzw. Kältemittel mit hohem Dampfdruck erfor­ derlich sein. Die Verwendung von Expandern mit eng umschlossenen Rotoren, wie sie in den genannten Pa­ tentschriften beschrieben sind, ermöglicht eine Ver­ einfachung des Systems, da keine Regeneration erfor­ derlich ist, weil sie nur zu einer geringen Erhöhung der Leistung führen würde. Außerdem sind derartige Maschinen bzw. Expander unempfindlich gegenüber Flüs­ sigkeitströpfchen, da der Expansionsprozess unabhängig von Geschwindigkeits- bzw. Drehmomentänderungen ist. Die Expansion des Dampfes bzw. des Gases ist die Ba­ sis für die Energieumwandlung. Während das Arbeiten im Überhitzungsbereich für einen befriedigenden Be­ trieb nicht für erforderlich gehalten wird, kann es wünschenswert sein, einen überhitzten Kältemitteldampf zu erzeugen, um Hilfsfunktionen durchzuführen, welche die Leistung des Systems verbessern.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des betrach­ teten Systems können die an den Flügeln des Expander­ rotors angreifenden Zentrifugalkräfte dazu benutzt werden, auch bei niedrigen Drehzahlen einen ständi­ gen Kontakt von Flügelrollen mit einer Kurvenbahn aufrechtzuerhalten, da die Zentrifugalkräfte auf die Flügel bei diesen Arbeitsbedingungen niedrig sind. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dies mit Hilfe einer kleinen Gaszuführleitung 52 erreicht, wel­ che vom Expandereinlaß zu dem Ende des einstückigen Pumpengehäuses reicht, an dem das Gas durch die Pumpen­ welle in den Kern der Maschine eintritt, so daß sein Druck auf die Basis der Flügel wirkt und damit hilft, dieselben radial nach außen zu drücken.

Bei einer anderen Konstruktion werden die Flügel so ausgebildet, daß bei niedrigen Drehzahlen angemessene Zentrifugalkräfte erzeugt werden, ohne daß ein An­ schlagen der Flügel erfolgt. Dies kann erreicht wer­ den, indem man die Masse der Flügel erhöht, beispiels­ weise indem man in den Flügeln schwere Einsätze an­ bringt. Außerdem können zwei einander gegenüberlie­ gende "Federstangen" in einander gegenüberliegenden Flügelschlitzen verwendet werden, um die Flügel nach außen vorzuspannen.

Vom Auslaß des Expanders 24 wird der Arbeits- bzw. Kältemitteldampf dem Kondensator 22 zugeführt. Gemäß der Erfindung ist der Kondensator 22 so angeordnet, daß sich für das flüssige Arbeitsmittel ein Gefälle zur Saugseite der Pumpe 42 ergibt. Vorzugsweise ist der Kondensator 22 am Rahmen oberhalb des Verdampfers 20 angeordnet, so daß nicht nur die Flüssigkeit ab­ wärts zum Pumpeneinlaß fließt, sondern beim Eintritt in die Pumpe 42 in zwei Strömungen aufgespalten wird. Hierdurch wird das Risiko einer Kavitation in der Pumpe vermieden, was zur Langlebigkeit des Systems beiträgt. Von der Förderpumpe 42 gelangt die Flüssig­ keit zunächst zu einer Filter/Trockner-Einheit 54. Ein Rückschlagventil 56 in der der Rückführung des flüssigen Arbeitsmittels zum Verdampfer 20 dienenden Leitung - stromabwärts von der Förderpumpe 42 - sorgt dafür, daß ein Auslaufen des Verdampfers verhindert wird, wenn dessen Innendruck über dem Kondensa­ tordruck steigt.

Wie ferner aus Fig. 3, 4 und 5 deutlich wird, ist der als Drehantrieb dienende Expander 24 an der linken Seite der vertikalen Platte 16 montiert, während sei­ ne Abtriebswelle 58 die Platte 16 durchgreift und auf deren rechter Seite übersteht, wo sie mit verschiede­ nen, am Rahmen montierten Bauteilen verbunden ist, nämlich mit der Antriebswelle des Generators 26, mit der Doppelpumpe 42 und mit den beiden Förderpumpen 34, 40 der Wärmetauscherkreise. Beim bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel sind die Generatorwelle und die Wellen der Doppelpumpe über flexible Kupplungen mit der Ab­ triebswelle 58 des Expanders 24 verbunden. Die beiden Förderpumpen 34, 40 der Wärmetauscherkreise haben ho­ rizontale Wellen, welche auf der rechten Seite der Platte 16 vorstehen und die parallel zueinander ver­ laufenden Wellen des Generators 26 und der Pumpen 34, 40 werden über einen Riementrieb angetrieben, der vor­ zugsweise einen Zahnriemen 60 umfaßt. Dieser läuft über eine Riemenscheibe 61 auf der Abtriebswelle 58 und von dort nacheinander über Riemenscheiben 62, 64 auf den Wellen der Pumpen 34, 40. Dieser direkte An­ trieb für die Pumpen des Systems sorgt für einen opti­ malen Wirkungsgrad, da unmittelbar mechanische Energie abgezweigt wird, wobei gleichzeitig erreicht wird, daß der Antrieb der Pumpen synchron mit der Drehzahl der Abtriebswelle des Expanders 24 und entsprechend der Leistungsabgabe erfolgt. Auf diese Weise wird die Menge des Heizmittels und des Kühlmittels, welches in den Wärmetauscherkreisen 32 bzw. 38 zirkuliert und damit die Wärmeübertragung zum Verdampfen und die Wärmeabfuhr aus dem Kondensator 22 automatisch an die Arbeitsmittelströmung durch den Expander 24 und damit an die Ausgangsleitung desselben angepaßt.

Die direkte Art des Antriebs stellt eine einfache Möglichkeit zur Anpassung der Leistungskurve (Durch­ satz zu Druck) einer Zentrifugalpumpe - dieser Pumpentyp wird vorzugsweise für die Förderpumpen der Wärmetauscherkreise verwendet - an die Leistungskurve von Verdampfer und Kondensator dar (Wärmeübergang zu Durchflußmenge). Diese Anpassung kann durch Änderungen der Durchmesser der Riemenscheiben oder auch durch Anpassung des Rotordurchmessers der Pumpen erfolgen.

Ferner ändert sich der Pumpendurchsatz im wesentli­ chen direkt mit der Wellengeschwindigkeit, so daß eine automatische Anpassung des Dampfdurchsatzes durch den Expander an die von der Flüssigkeitspumpe gelieferte Menge des flüssigen Arbeitsmittels erfolgt. Hierdurch ist gewährleistet, daß die jeweiligen Flüssigkeits­ pegel im Verdampfer und im Kondensator im wesent­ lichen ihre Optimalwerte beibehalten, wobei der Kon­ densator nahezu leer und der Verdampfer bzw. das Sie­ degefäß nahezu voll sein sollte, wenn eine optimale Kondensation und Verdampfung erfolgen soll.

Wie aus Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 8 und 9 deut­ lich wird, sind bei der Realisierung der Erfindung Einrichtungen vorgesehen, welche die Drehzahl der Abtriebswelle 58 des Expanders 54 derart kontrollie­ ren, daß ein sicherer und effizienter Betrieb des Systems erreicht wird. Wenn im Verdampfer ein ange­ messener Druck für ein Anlaufen der Antriebseinheit erreicht ist, wird das Drosselventil 65, welches im vorliegenden Fall ein Kugelventil in der Expander­ eingangsleitung 31 ist, von Hand geöffnet, indem man eine Ventilstange 66 verschiebt - nach rechts in Fig. 1 und 8. Dabei wird eine Rückholfeder 67 des Ventils 65 gespannt (Fig. 8). Gleichzeitig erfaßt ein Schaft eines Magnetschalters 68 zum Erfassen ei­ ner zu hohen und einer zu niedrigen Drehzahl einen Riegel 70 an der Stange 66, so daß diese festgehal­ ten wird. Wenn nunmehr eine gewisse Höchstgeschwin­ digkeit bzw. Höchstdrehzahl erreicht wird, wird der Magnetschalter 68 entregt, und sein Schaft wird zu­ rückgezogen, während die in der Feder 67 aufgrund der manuellen Betätigung gespeicherte Energie eine schnelle Bewegung der Stange 66 nach rechts und da­ mit ein Schließen des Ventils 65 bewirkt, wodurch die Antriebseinheit abgeschaltet wird, ehe infolge einer zu hohen Drehzahl ein Schaden entstehen kann. Die Rückholfeder 67 dient also dem Zweck, das Dros­ selventil sehr schnell zu schließen, wenn der Ver­ dampferdruck einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Das Drosselventil 65 muß vollständig schließen, wenn die Antriebseinheit nicht arbeitet, so daß das Gas nicht mit der Zeit vom Verdampfer durch den Expander zu dem Kondensator hinüberwandert. Solange die Kraft der Feder 67 nicht durch manuelle Betätigung über­ wunden wird, wird das Drosselventil 65 automatisch in der Schließstellung gehalten, wobei das kugelför­ mige Ventilelement für eine vollständige Abdichtung sorgt.

Solange der Schaft des Magnetschalters während der Startphase in seiner zurückgezogenen Position bleibt, besteht die einzige Möglichkeit für das Öffnen des Drosselventils 65 darin, die Betätigungsstange von Hand festzuhalten, da die Feder nicht in der Offen­ stellung verriegelt werden kann. Auf diese Weise wird auch eine Kontrolle von niedrigen Geschwindig­ keiten bzw. Drehzahlen erreicht. Als Alternative besteht die Möglichkeit für den Einsatz einer Falten­ balgkonstruktion. Die Kontrolle bei zu niedriger Dreh­ zahl ist wichtig, da sie verhindert, daß die Antriebs­ einheit mit niedriger Drehzahl läuft und daß die Ro­ torflügel im Inneren des Expanders anschlagen und be­ schädigt werden. Ein untertouriger Betrieb würde aus­ serdem nach kürzester Zeit den Flüssigkeitsvorrat im Verdampfer erschöpfen, da die Flüssigkeitspumpe bei sehr niedrigen Drehzahlen möglicherweise nicht in der Lage ist, Flüssigkeit zu fördern.

Zusätzlich zu dem Drosselventil 65 ist in der Expan­ dereinlaßleitung 31 zwischen dem Kugelventil 65 und dem Expander 24 ein Drehzahlreglerventil 75 angeord­ net, um die Drehzahl des Expanders 24 zu regeln. Vor­ zugsweise ist das Reglerventil 75 ein Drosselklappen­ ventil, zu dessen Betätigung im Vergleich zur Betäti­ gungskraft für das Drosselventil 65 nur eine geringe Kraft erforderlich ist und welches in der Lage ist, die Drehzahl der Abtriebswelle automatisch in einem vorgegebenen Bereich von beispielsweise etwa 1800 Upm zu halten, wenn es durch einen Drehzahlregler betä­ tigt wird. Der Drehzahlregler 78 ist vorzugsweise ein konventioneller mechanischer Regler, der an der ver­ tikalen Platte 16 montiert ist und der über ein Ge­ stänge 79 die Position der Drosselklappe des Ventils 75 beeinflußt. Der Drehzahlregler wird durch eine Riemenscheibe oder dergleichen angetrieben, welche an dem Riemen 60 anliegt und folglich mit einer Dreh­ zahl, welcher der Drehzahl der Abtriebswelle 58 des Expanders 24 entspricht.

Wie Fig. 9 zeigt, wird bei dem erfindungsgemäßen Sy­ stem ein flüssiges Schmiermittel dem Kern des Expan­ ders zugeführt. Das expandierte Gas verläßt den Expan­ der 24 in Richtung auf den Kondensator 22 durch den Ex­ pander-Auslaßkrümmer 71 und beginnt durch ein Standrohr 72 des Schmiermittel/Dampf-Separators 43 in senkrechter Richtung zu wandern. Wenn das Schmiermittel, welches von dem austretenden Gas mitgerissen wird, auf ein Trennele­ ment 74 trifft, sammelt es sich an der Unterseite des­ selben und fällt in den Hauptkörper des Separators, von wo es nach unten in den Schmiermittelförderteil der Doppelpumpe 42 fließt, die das Schmiermittel in den Ex­ panderkern zurückpumpt.

Zum Trennen des Schmiermittels von dem Arbeits- oder Kältemittel können auch andere Trenneinrichtungen ver­ wendet werden. Ferner besteht die Möglichkeit, das Ar­ beitsmittel und das flüssige Schmiermittel im gesamten Arbeitsmittelkreislauf zu mischen, so daß die Notwendig­ keit für den Einsatz eines Separators und für die Ver­ wendung von Einspritzeinrichtungen für das Schmiermittel in den Kern des Expanders entfällt.

Claims (12)

1. Antriebseinheit, insbesondere tragbare Antriebseinheit, zum Umsetzen von Wärme in eine andere Energieform, insbesondere in elektrische Energie, gekennzeich­ net durch folgende Merkmale:
es ist ein Rahmen (10) vorgesehen, an dem ein Ver­ dampfer (20), ein Kondensator (22) und eine Ener­ gie-Umsetzereinheit (26) montiert sind;
es ist ein als Drehantrieb ausgebildeter Expander (24) vom Verdrängertyp mit einer Abtriebswelle (58) vorgesehen;
es ist ein Kältemittelkreislauf vorgesehen, wel­ cher den Verdampfer (20), den Expander (24) und den Kondensator (22) miteinander verbindet und Umwälzeinrichtungen (42) umfaßt, die dafür sorgen, daß das Kältemittel einen Rankine-Zyklus durch­ läuft, in dessen Verlauf das verdampfte Kältemit­ tel unter Druck aus dem Verdampfer (20) durch den Expander (24) zu dem Kondensator (22) fließt, wo es zu einer Flüssigkeit kondensiert und im flüs­ sigen Zustand zu dem Verdampfer (20) zurückgelei­ tet wird;
es ist ein Heizmittelkreis (32) vorgesehen, wel­ cher mit einer Wärmequelle in Verbindung steht und einen dem Verdampfer (20) zugeordneten Wärme­ tauscher (28) umfaßt;
es ist ein Kühlmittelkreis (38) vorgesehen, wel­ cher mit einer Kühlquelle in Verbindung steht und einen dem Kondensator (22) zugeordneten Wärmetau­ scher (30) umfaßt;
es sind Pumpeinrichtungen (34, 40) zum Umwälzen des Heizmittels und des Kühlmittels in den beiden,
die Wärmetauscher (28, 30) enthaltenden Kreisen (32, 38) vorgesehen; und
es sind Einrichtungen vorgesehen, welche die Ab­ triebswelle (58) des Expanders (24) mit der Ener­ gie-Umsetzereinheit (26), den Pumpeinrichtungen (34, 40) zum Umwälzen des Heizmittels und des Kühl­ mittels und den Umwälzeinrichtungen (42) für das Kältemittel verbinden.

2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe die dampfförmige Kältemittel­ strömung von dem Verdampfer (20) zu dem Expander (24) derart kontrollierbar ist, daß sie den Durchflußmen­ gen in den Wärmetauscherkreisen (32, 38) angepaßt ist.

3. Antriebseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtungen zum Kontrollieren der Kältemittelströmung einen Riemenantrieb (60 bis 64) umfassen, der die Abtriebswelle (58) des Expanders (54) mit der Energie-Umsetzereinheit (26) und mit den Pumpeinrichtungen (34, 40) und den Umwälzein­ richtungen (42) derart verbindet, daß die genannten Aggregate mit zueinander proportionalen Geschwindig­ keiten angetrieben werden.

4. Antriebseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rahmen (10) eine vertikale Platte aufweist, daß der Verdampfer (20) horizontal ange­ ordnet und mit einem freien Ende über die vertikale Platte (16) vorsteht, daß der Kondensator (22) horizontal oberhalb des Verdampfers (20) angeordnet und mit einem freien Ende über die vertikale Platte (16) vorsteht, daß der Expander (24) als Dreh­ antrieb vom Verdrängertyp mit einem eingeschlossenen Flügelrad ausgebildet ist, auf der einen Seite der vertikalen Platte (16) montiert ist und eine hori­ zontale Abtriebswelle (58) aufweist, welche die Platte (16) durchgreift und über deren gegenüber­ liegende Seite vorsteht, daß der Kältemittelkreis­ lauf die freien Enden des Verdampfers (20) und des Kondensators (22) mit dem Expander (24) verbindet und daß das im Kondensator (22) kondensierte, flüs­ sige Kältemittel unter dem Einfluß der Schwerkraft zu dem Verdampfer (20) zurückfließt, daß die Energie- Umsetzereinheit als elektrischer Generator (26) aus­ gebildet ist, daß der Riementrieb (60 bis 64) auf der dem Verdampfer (20) und dem Kondensator (22) gegenüberliegenden Seite der Platte (16) angeordnet ist und daß die Antriebswellen der Pumpeinrichtungen (34, 40) und des Generators (20) parallel zueinander angeordnet sind.

5. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kondensator (22) bezüg­ lich des Verdampfers (20) derart angeordnet ist, daß das flüssige Kältemittel aufgrund der Schwerkraft mit einem vorgegebenen Pegel über einem Ansaugstutzen einer Kältemittel-Umwälzpumpe (42) steht.

6. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß Steuereinrichtungen (65, 66, 75, 78, 79) vorgesehen sind, welche ein übertouriges oder untertouriges Laufen eines Flügelrades des Expan­ ders (24) verhindern.

7. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Riementrieb für einen synchronen Antrieb der Abtriebswelle (58) des Expanders (24) einerseits und der Wellen der Pump- und Umwälzein­ richtungen (34, 40, 42) ausgelegt ist.

8. Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die zu einer Drehbewegung angetriebenen Aggregate (24, 26, 34, 40, 42) insbesondere an je­ weils einer Stirnseite derart starr montiert sind, daß eine vorgegebene gegenseitige Lage ihrer Wellen gewährleistet ist.

9. Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche den Heiz- und den Kühlmitteldurchsatz in den Wärmetau­ scherkreisen (32, 38) auf einem Wert halten, der proportional zum Durchsatz des Arbeitsmittels durch den Expander (24) ist.

10. Antriebseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Durchsatz der Kältemittelpumpe im we­ sentlichen direkt proportional zur Drehzahl des Expanders (24) veränderbar ist.

11. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß in das Innere des Expanders (24) im Betrieb ein Schmiermittel einspritzbar ist, welches sich mit dem verdampften Kältemittel mischt.

12. Antriebseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schmiermittel von dem verdampften Kälte­ mittel in einem Schmiermittelseparator (43) trennbar ist, der zwischen dem Expander (24) und dem Konden­ sator (22) angeordnet ist.