DE4123665C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln von Wärme in Arbeit mittels eines Heißgasmotors von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Die Erfindung betrifft auch einen Heißgasmotor zur Durchführung des Ver­ fahrens.

Derartige Verfahren und Motoren sind aus der Fachzeitschrift "Philips' Technische Rundschau", 9. Jahrgang, Nr. 5, S. 125-135 (1947) bekannt.

Heißgasmotoren, bisher in der Form des Stirling-Motors be­ kannt und technisch realisiert, haben wegen der äußeren Wärmezufuhr den Vorteil, daß die Wärme durch kontinuier­ liche Verbrennung von festem, flüssigem oder gasförmigem Brennstoff erzeugt werden kann, wobei die Verbrennung mit hohem Luftüberschuß schadstoffarm, geräuscharm und mit gutem Wirkungsgrad durchgeführt werden kann, so daß der Heißgasmotor besonders umweltfreundlich arbeitet. Trotz dieser Vorteile und eines relativ guten Wirkungsgrades hat der Heißgasmotor gegenüber diskontinuierlich beheizten Wär­ mekraftmaschinen wie Otto-Motor oder Dieselmotor Nachteile, insbesondere hohe Herstellungskosten, ungünstiges Lei­ stungsgewicht und schwierige Leistungsregelung, so daß er sich in der Praxis nur wenig durchsetzen konnte. Durch Ver­ besserung des thermischen Wirkungsgrades könnten dem Heiß­ gasmotor neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen werden.

Ein Grund für die relativ geringen thermischen Wirkungs­ grade existierender Brennkraftmaschinen, die weit unter dem nach Carnot theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad liegen, besteht darin, daß die Verdichtung des Arbeitsgases bei niedriger Temperatur, insbesondere Umgebungstemperatur, durchgeführt wird und die dabei entstehende Wärme an die Umgebung abgeführt werden muß. Dies gilt nicht nur für den Heißgasmotor, sondern auch für Otto-Motor, Dieselmotor u. dgl. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein thermischer Kreisprozeß möglich ist, bei dem die Verdich­ tung des Arbeitsgases bei hoher Temperatur durchgeführt wird und die dabei entstehende Wärme im System verbleibt und nicht an die Umgebung abgegeben wird, und daß hierdurch eine Wirkungsgradverbesserung erzielt werden kann. Das hierbei erfindungsgemäß angewendete, neuartige Prinzip be­ steht darin, daß an der Expansion einerseits und der Ver­ dichtung andererseits unterschiedlich große Gasmengen be­ teiligt werden, wobei dieser Gasmassenunterschied durch Ausnutzung der Temperaturdifferenz zwischen Heißraum und Kaltraum des Motors erzeugt wird. Dieses Prinzip wird im folgenden kurz erläutert.

Eine vollständige Umwandlung von zugeführter Wärme in ab­ gegebene Arbeit ist nur beim Vorgang der reversiblen iso­ thermen Expansion möglich. Die thermodynamische Gleichung dieser isothermen Expansion wäre:

Wexp = m R T₁ ln p₁/p₂ (Gl. 1)

Um hier einen thermodynamischen Kreisprozeß zu bilden, mü­ ßte nach dem heutigen Stand der Technischen Wärmelehre ein Temperaturgefälle existieren. Die isotherme Verdichtung mü­ ßte bei Umgebungstemperatur durchgeführt werden. Die Glei­ chung dieser isothermen Verdichtung wäre:

Wver = m R T₂ ln p₂/p₁, (Gl. 2)

wobei T₁<T₂.

Die Gasmasse, die Gaskonstante und das Druckverhältnis sind bei beiden isothermen Vorgängen gleich geblieben. Wegen T₁<T₂ ist aber die Expansionsarbeit größer als die Ver­ dichtungsarbeit. Auf diese Weise, d. h. zwischen zwei Iso­ thermen T₁, T₂ arbeiten der Stirling- und der Ericson Prozeß. Wenn aber T₁=T₂, dann verlaufen die beiden Isothermen, in p. V. Diagramm, auf der gleichen Drucklinie.

Ein Arbeitsgewinn wäre bei T₁=T₂ beim heutigen Stand der Technischen Wärmelehre somit unmöglich.

Wenn aber die Gleichungen 1, 2 so geändert werden, daß die Gasmenge bei der Expansion größer ist als bei der Verdichtung, dabei aber die Temperatur konstant T₁=T₂ bleibt, dann ergeben sich folgende Gleichungen:

Wexp = m₁R T₁ ln p₁/p₂, (Gl. 3)

wobei m₁<m₂ und T₁=T₂

Wver = m₂ R T₂ ln p₂/p₁ (Gl. 4)

Aus den Gleichungen 3, 4 ist ersichtlich, daß die Gas­ konstante, die Temperatur und das Druckverhältnis konstant geblieben sind und die Expansionstemperatur gleich der Verdichtungstemperatur ist. Weil aber die Expansionsmasse größer ist als die Verdichtungsmasse, folgt Wexp<Wver, weil eben m₁<m₂, obwohl T₁=T₂. Wenn also m₁<m₂, dann ist Q₁<Q₂, wobei T₁=T₂. Die Erklärung, daß Q₁<Q₂ ist, wobei T₁=T₂, liegt in dem Gasmassenunterschied der an der Expansion bzw. der Verdichtung beteiligten Gasmengen.

Es wäre also möglich nur mit Hilfe dieses Gasmassen­ unterschieds laufend Wärmemengen aus einer heißen Quelle in mechanische Arbeit umzuwandeln.

Eine hierfür geeignete mechanische Konstruktion müßte zwei Bedingungen erfüllen. Erstens eine heiße Quelle mit höherer mittlerer Temperatur und zweitens Mittel zum Erzeugen eines Gasmassenunterschiedes zwischen Expansion und Verdichtung in annähernd reversibler Weise.

Gasmassenunterschiede kann man auch bei den üblichen Wärmekraftmaschinen beobachten. Beim Otto-Motor beispiels­ weise ist die Frischgasmenge größer als die Abgasmenge, die nach dem Öffnen des Auslaßventiles im Zylinder verbleibt. Beim Öffnen ist das Ansaugvolumen gleich dem Zylinder­ volumen am Ende der isentropen Expansion.

Obwohl die Volumina gleich sind, ist die im Zylinderraum verbliebene Abgasmenge geringer als die angesaugte Frisch­ gasmenge. Der Grund für diesen Gasmassenunterschied liegt im Temperaturunterschied zwischen Abgas und Frischgas. Der interessanteste Gasmassenunterschied, weil er eben annähernd reversibel erreicht werden kann, läßt sich beim Stirling-Motor beobachten.

Die vorliegende Erfindung zeigt, daß mittels eines Temperaturunterschieds ein Gasmassenunterschied, innerhalb eines gasförmigen Arbeitsmediums, der proportional zum Temperaturunterschied ist, gezielt erzeugt und innerhalb des Kreisprozesses zur Arbeitsleistung genutzt werden kann. Die Gasmasse im kalten Raum ist größer als die Gasmasse im heißen Raum, obwohl Volumen und Druck gleich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Umwandlung von Wärme in Arbeit anzugeben, das eine verbesserte Umwandlungsleistung und damit einen verbesserten Wirkungsgrad, sowie insbesondere sehr geringe Abwärmeverluste aufweist, wobei die Vorteile und Umwelt­ freundlichkeit des kontinuierlich beheizten Heißgasmotors, insbesondere hinsichtlich geringer Schadstoffbelastung und geringer Geräuschentwicklung, erhalten bleiben sollen. Fer­ ner soll erfindungsgemäß ein Heißgasmotor zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden, der sich durch hohen Wir­ kungsgrad, einfache Konstruktion und geringe Wärmeverluste auszeichnet.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer in einem Heiß­ gasmotor verwendeten Verdrängerkolbeneinheit mit Regnera­ tor, zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Erfindung.

Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen Heißgasmotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 den Heißgasmotor nach Fig. 1 in vier verschiedenen Arbeitsstellungen.

Fig. 4 ein idealisiertes p, V Diagramm eines Stirling-Motors

Fig. 5 ein idealisiertes p, V Diagramm der neuen Heißkolben­ maschine

Für die folgende Beschreibung wird der übliche Stirling- Motor und der zugehörige thermodynamische Prozeß und te­ chnische Funktionsweise als bekannt vorausgesetzt. Hierbei entsteht ein Gasmassenunterschied, zwischen Heißraum und Kaltraum. Zur ausführlichen Erläuterung ist in Fig. 1 eine Verdrängerkolbeneinheit eines Stirling-Motors die aber auch bei der Erfindung Verwendung findet, schematisch dargestellt.

In einem Verdrängerzylinder 1 ist ein Verdrängerkolben 2 axial bewegbar. Die beiden Kammern des Verdrängerzylinders 1 sind über eine Wärmetausch- und Regeneratoreinrichtung 3 miteinander verbunden und bilden eine Erwärmungszone a und eine Kühlzone b. Stirling-Motoren und auch der erfindungs­ gemäße Heißkolbenmotor sind notwendigerweise mit thermischen Regeneratoren ausgerüstet, um einen hohen thermischen Wi­ rkungsgrad zu erzielen. Die Aufgabe des Regenerators 3 besteht darin, das Arbeitsmittel in jeder Periode rever­ sibel, also in beiden Richtungen, mit geringen Verlusten, durchzulassen. Zu Beginn sei das Arbeitsmittel im Verdränger­ zylinder 1 mit dem Wärmereservoir a von höherer mittlerer Temperatur im Kontakt, d. h. nach Fig. 1b ist der Verdränger­ kolben 2 am unteren Totpunkt (U. T) und die gesamte Gasmasse befindet sich im heißen Raum 4. Der Verdrängerkolben 2 wird nun Richtung oberer Totpunkt (O. T) bewegt, und die Gasmasse wird über die zwischen a und b im Regenerator 3 liegenden Wärmereservoire geschoben. Dabei kühlt sich das Gas schrittweise jeweils isochor um ΔT ab, bis die gesamte Gasmasse im Kontakt mit dem Reservoir b mit einer niedri­ geren mittleren Temperatur ist. Insgesamt wird dabei eine Wärmemenge an die Zwischenreservoire im Regenerator 3 abgegeben. Die Wärmeabgabe- und Aufnahme ist theoretisch bei jeder isochoren Periode im Regenerator 3 gleich. Praktisch muß eine bestimmte Wärmemenge an das Reservoir b abgegeben werden. Diese abgegebene Wärmeenge ist proportional zum thermischen Wirkungsgrad des verwendeten Regenerators 3. In Fig. 1c ist ein Zwischenzustand schematisch dargestellt. Der Verdrängerkolben 2 wurde zwischen O. T und U. T zum Stehen gebracht. In dieser Stellung schafft der Verdränger­ kolben 2 zwei volumenmäßig gleiche Räume 5 und 6. Im Raum 5 befindet sich ein Teil des Arbeitsmittels mit einer höheren mittleren Temperatur und im Raum 6 der restliche Teil des gleichen Arbeitsmittels mit einer niedrigeren mittleren Temperatur. Die Räume 5 und 6 stehen über den Regenerator 3 und weitere rohrförmige Verbindungen in offener Verbindung. Der Gasdruck im Raum 5 ist gleich dem Gasdruck im Raum 6, weil diese Räume, in offener Verbindung stehen. Dieser Gasdruck ist, nach Fig. 4, im p, V Diagramm mit p_a und p_b angegeben. Der Gasdruck p_b liegt bei der isochoren Tempe­ ratur-Drucksenkung zwischen dem Druck p₂ am Ende der isothermen Expansion und dem Enddruck p_c, der sich ein­ stellt, wenn der Verdrängerkolben 2 die gesamte Gasmasse im kalten Raum 6, verdrängt hätte.

Aus der allgemeinen Zustandsgleichung der Gase entsteht, bei diesem Zwischenzustand, in der Verdrängerkolbeneinheit einer Stirling-Maschine ein Gasmassenunterschied.

5=heißer Raum, 6=kalter Raum

p₅ = p₆ = p_m, V₅ = V₆ = V_m, R₅ = R₆ = R_m (5a, b, c)

p V = m R T (Gl. 6)

p₅V₅ = m₅R₅T₅
p₆V₆ = m₆R₆T₆ (Gl. 7)

Durch Anwendung von (5a, b, c) erhalten wir:

Bei einer höheren mittleren Temperatur T₅ von 1120 K und einer niedrigeren mittleren Temperatur T₆ von 293 K folgt man:

Wenn also das Volumen des heißen Raumes 5 gleich dem Vo­ lumen des kalten Raumes 6 ist, dann ist die Gasmasse im kalten Raum 6, bei den erwähnten Temperaturunterschied, um 3,82 mal größer als die Gasmasse im heißen Raum 5, obwohl Volumen und Druck gleich sind. Bei diesem Zwischenzustand hat der Verdrängerkolben 2, die Hälfte seines Wegs von U. T in Richtung O. T, oder umgekehrt, zurückgelegt. Der Bewegungsablauf des Verdrängerkolbens 2 beeinflußt auch die Entstehung eines Gasmassenunterschieds, wenn z. B. der Verdrängerkolben 2²/₃ des Wegs in Richtung O. T zurück­ gelegt hat, dann entsteht ein anderer Gasmassenunterschied entsprechend Fig. 1d. Bei diesem Bewegungsablauf des Verdrängerkolbens 2 beträgt das Volumen des kalten Raumes 6²/₃ des Gesamtvolumens. Das Volumen des heißen Raumes 5 beträgt, dementsprechend, ¹/₃ des Gesamtvolumens. Auch bei dieser neuen Position des Verdrängerkolbens 2 existiert mit Hilfe der genannten Verbindungselemente, eine offene Verbindung zwischen heißen Raum 5 und kalten Raum 6. In Fig. 4 werden die Gasdrücke mit p_e und p_d gekennzeichnet. Der Gasdruck p_d ist niedriger als der Gasdruck p_b, weil eben der Verdrängerkolben 2, bei diesem neuen Zwischen­ zustand ²/₃ seines Wegs Richtung O. T schon zurückgelegt hat. Um diesen neuen Gasmassenunterschied zu berechnen sind folgende Gleichungen notwendig:

p₅ = p₆ = p_m, V₆ = 2 V₅, R₅ = R₆ = R_m (11a, b, c)

Wir wenden die Gleichung 6 an und erhalten für diesen neuen Zwischenzustand:

Durch Anwendung von (11a, b, c) erhalten wir:

Bei einer höheren mittleren Temperatur T₅ von 1120 K und einer niedrigeren mittleren Temperatur T₆ von 293 K erhalten wir:

Wenn also der Verdrängerkolben 2²/₃ seines Wegs in Ri­ chtung O. T zurückgelegt hat, dann ist der Gasmassen­ unterschied, bei gleichem Tempraturunterschied größer. Dieser Gasmassenunterschied wird aufgehoben, wenn der Verdrängerkolben 2 die Gasmasse entweder vollständig in den heißen Raum 5 oder den kalten Raum 6 geschoben hat. Die höhere mittlere Temperatur im heißen Raum 5 bewirkt eine höhere Geschwindigkeit der Gasmoleküle im heißen Raum 5. Die Gasmoleküle im heißen Raum 5 können z. B. den Gasdruck p_b mit Hilfe der höheren mittleren Temperatur aufrechterhalten, während die Gasmoleküle im kalten Raum 6 den Gasdruck p, nicht durch ihre Geschwindigkeit, sondern nur durch die größere Anzahl an Gasmolekülen, die in diesem Raum vorhanden sind, aufrechterhalten können.

Die unterschiedliche Geschwindigkeit der Gasmoleküle erklärt die Entstehung eines Gasmassenunterschieds. Der thermische Wirkungsgrad einer isochoren Zustands­ änderung die mit Hilfe eines Regenerators durchgeführt werden kann, ist größer als der des Carnotschen Kreispro­ zesses. Beim Carnotschen Kreisprozeß müssen bei idealer Prozeßführung Wärmemengen durch die isotherme Verdichtung des Arbeitsmittels an die Umgebung abgegeben werden. Bei der isochoren Zustandsänderung werden, mit Hilfe des Rege­ nerators bei einer idealen Zustandsänderung keine Wärme­ mengen an die Umgebung abgegeben. Praktisch entstehen bei der isochoren Zustandsänderung Wärmeenergieverluste in Form von Abstrahlung, Strömungsverluste usw. Die gleichen Wärmeenergieverluste entstehen auch beim Durchführen des Carnotschen Kreisprozesses aber bei diesem Kreisprozeß ent­ steht durch die isotherme Verdichtung ein zusätzlicher hoher Wärmeenergieverlust. Deshalb kann durch Ausnutzen des Gas­ massenunterschiedes, der wiederum in einem Zwischenzustand einer isochoren Zustandsänderung entsteht, ein höherer thermischer Wirkungsgrad erreicht werden als bei einem Carnotschen Kreisprozeß.

Das Prinzip der Erfindung ist es also, den Gasmassen­ unterschied, der eine hohe Reversibilität aufweist, zur Energieerzeugung zu verwenden. Dies kann in einem Heiß­ gasmotor nach Fig. 2 gemäß einem bevorzugten Ausführungs­ beispiel der Erfindung erreicht werden.

Der in Fig. 2 gezeigte erfindungsgemäße Heißgaskolbenmotor hat ein Maschinengehäuse 7, in dem ein Arbeitszylinder 8, ein Verdrängungszylinder 9, ein Regeneratorgehäuse 10 und ein Gaskühler 11 angeordnet sind. Der Arbeitszylinder 8 und der Verdrängungszylinder 9 sind mit einer wärmeisoli­ renden Schicht aus glaskeramischem Material ausgekleidet ebenso die Innenwände des Regeneratorgehäuses 10. Der Arbeits­ zylinder 8, der Verdrängungszylinder 9 und das Regenerator­ gehäuse 10 stehen daher nicht in direktem wärmeleitenden und mechanischen Kontakt mit dem Arbeitsmittel, sodaß auch bei hohen Temperaturen und hohen Drücken des Arbeitsmittels die wärmeleitende und mechanische Belastung der Zylinder­ wand und der Regeneratorgehäusewand niedrig bleibt. Die erwähnten Zylinder und das Regeneratorgehäuse können daher aus üblichen billigen Werkstoffen bestehen. Die aus den verhältnismäßig gut wärmeleitenden Zylindern und dem Rege­ neratorgehäuse abfließende Wärmemenge bleibt wegen der wä­ rmeisolierenden Schicht beschränkt, was dem Wirkungsgrad des Motors zugute kommt.

In dem Arbeitszylinder 8 ist hin und her beweglich ein Arbeitskolben 12 gelagert. Im Verdrängungszylinder 9 ist der Verdrängerkolben 13 beweglich gelagert. Der Arbeits­ kolben 12 und der Verdrängerkolben 13 sind über Arbeits­ kolbenstange 14 und Verdrängerkolbenstange 15 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden. Der Verdränger­ kolben 13 und der Arbeitskolben 12 sind mit Wärmeiso­ lierungskappen 16 versehen, die eine Wärmeleitung in axialer Richtung verhindern. Über dem Arbeitskolben 12 befindet sich der Expansionsraum 17, an dem sich Erhitzer­ rohre 18 anschließen, die durch eine Brennkammer 19 ver­ laufen. Die Brennkammer 19 hat einen Abfuhrkanal 20 für Verbrennungsgase, und ihre Innenwände sind mit eine wär­ meisolierenden Schicht 21 ausgekleidet. Ferner ist das Maschinengehäuse 7 durch eine wärmeisolierende Schicht 22 von der Brennkammer 19 getrennt. Unterhalb des Arbeits­ kolbens 12 befindet sich ein Austrittsspalt 23, um den stangenseitigen Zylinderraum mit einem nicht dargestellten Pufferraum zu verbinden.

In dem Verdrängerzylinder 9 befindet sich der heiße Raum 24 oberhalb des Verdrängerkolbens 13 und der Kaltgasraum 25 darunter. An dem Regenerator 26, der einen runden Quer­ schnitt hat, schließt sich ein Verbindungskanal 27 an, der den Regenerator 26 über ein Verbindungsrohr 28, welches durch die Brennkammer 19 verläuft, mit dem heißen Raum 24 verbindet. Der Regenerator 26 hat einen herkömmlichen Aufbau mit einer wärmespeichernden Füllung, z. B. aus Drä­ hten, die aus Edelstahl, mit 18% Chrom und 8% Nickel be­ stehen. An dem Gaskühler 11, der gleichfalls einen runden Querschnitt aufweist, schließt sich ein Verbindungskanal 29, an der den Gaskühler 11 mit dem Kaltgasraum 25 ver­ bindet. Der Expansionsraum 17 steht über die Erhitzer­ rohre 18 und einen Steuerungskanal 30 mit dem heißen Raum 24 und dieser über das Verbindungsrohr 28, den Regenerator 26, den Gaskühler 11 und den Verbindungskanal 29 mit dem Kaltgasraum 25 in offener Verbindung. Diese offene Ver­ bindung kann mit einem Drehschieber 31, der im Steuerungs­ kanal 30 angeordnet ist, unterbrochen werden. Der Dreh­ schieber 31 weist eine Bohrung oder einen Ringkanal 32 auf, der den Expansionsraum 17 bei geöffneter Position und über den erwähnten Verbindungsweg mit dem Kaltgasraum 25 verbindet. Der Drehschieber 31 wird mit nicht darge­ stellten elektrischen, mechanischen oder hydraulischen Steuereinrichtungen gesteuert. Ferner ist der Drehschieber 31 selbst und die Innenwände des Raumes, wo der Drehschieber 31 gelagert ist, mit einer glaskeramischen Schicht aus­ gekleidet, um die Wärmeverluste zu verringern.

Die heißen Verbrennungsgase werden in einer zentralen Brenneranordnung 33 mit einer Brennstoffzufuhr 34 und einer Verbrennungsluftzufuhr 35 erzeugt. Die Erhitzerrohre 18 liegen in einem größeren Wärmeübertragungsrohr 36. Die Innenwand des Wärmeübertragungsrohrs 36 ist mit einer Ka­ pillarstruktur ausgekleidet. Weiter ist im Wärmeübertra­ gungsrohr 36 ein eutektisches Gemisch aus Lithiumfluorid und Natrium als Wärmetransportmittel vorhanden.

Die Zylinder (8, 9) mit variablen Volumen, das Innere des Regenerators 26 und des Gaskühlers 11 sowie die Gas­ verbindungen, beispielsweise zwischen den Zylindern (8, 9) mit variablen Volumen und dem Regenerator 26 enthalten ein unter hohem Druck, beispielsweise einem Hauptdruck von 150 bar stehendes gasförmiges Arbeitsmittel z. B. Luft, Helium, Wasserstoff. Die Temperatur des Arbeitsmittels im oberen Teil der Zylinder (8, 9) und im oberen Teil des Regenerators 26 kann über 750°C sein.

Der in der Zeichnung dargestellte Heißgaskolbenmotor arbeitet in der folgenden Weise:

Während des Betriebes wird über die große Wärmedurchgangs­ wand des Wärmeübertragungsrohrs 36 dem Natrium oder Lithium­ fluorid Wärme, durch Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, zugeführt, wodurch dieses Natrium und Lithiumfluorid verdampft. Der Dampf des eutektischen Gemisches strömt darauf zu den Erhitzerrohren 18 und konde­ nsiert darauf unter Wärmeabgabe. Das Kondensat wird auf­ grund kapillarer Wirkung, durch die Kapillarstruktur, an die Wärmedurchgangswand rückgeführt, um dort erneut verda­ mpft zu werden. Nach der Erhitzung des eutektischen Gemi­ sches kann der Wärme-Kraft-Prozeß gemäß Fig. 3 beginnen.

In Fig. 3a steht der Verdrängerkolben 13 am unteren Totpunkt der Arbeitskolben 12 am oberen Totpunkt, das gesamte Arbeits­ mittel befindet sich somit im heißen Raum 24. Der Dreh­ schieber 31 steht in der geöffneten Position, bei der das Arbeitsmittel vom heißen Raum 24 durch die Erhitzerrohre 18 in den Expansionsraum 17 einströmen kann. Der Arbeits­ kolben 12 bewegt sich nun nach unten, der Verdrängerkolben 13 dagegen bleibt an seinem U. T. stehen. Das Arbeitsmittel expandiert bei diesem Vorgang im Expansionsraum 17 annä­ hernd isotherm. Die Wärmemenge, die bei dieser isothermen Expansion dem eutektischen Gemisch entnommen wird, führt zu einer teilweisen Kondensation des eutektischen Gemisches. Das Arbeitsmittel expandiert nach Fig. 5 im p, V Diagramm von p₁ nach p₂. Der Arbeitskolben 12 bleibt nach der iso­ thermen Expansion am U. T. stehen (Fig. 3b). Der Verdränger­ kolben 13 bewegt sich nun Richtung O. T. und schiebt Teile des Arbeitsmittels durch den Regenerator 26 und den Gas­ kühler 11 in den Kaltgasraum 25. Der Gasdruck fällt im Expansionsraum 17 den Erhitzerrohren 18, dem Regenerator 26, dem Gaskühler 11, dem Kaltgasraum 25 und den übrigen Gasverbindungen von p₂ nach p₃. Der Gasdruck p_c nach Fig. 5, der dem Gasdruck bei einer vollständigen isochoren Druck­ senkung in einem Stirling-Motor entspricht, kann nicht er­ reicht werden. Der Grund dafür liegt in der unvollständigen isochoren Drucksenkung, die bei dem erfindungsgemäßen Motor durchgeführt wird.

Die Menge des Gases die sich bei dieser unvollständigen isochoren Drucksenkung im Kaltgasraum 25 sammelt, ist nicht nur vom Temperaturunterschied abhängig, sondern auch vom Expansionsverhältnis. Je größer das Expansionsverhältnis, desto geringer die Gasmasse im Kaltgasraum 25. Die Wärme des Arbeitsmittels, welches durch den Regenerator 26 geschoben wurde, wird im Regenerator 26 gespeichert. Wärmemengen, die wegen der vielfältigen Strömungsverluste nicht im Regenerator 26 gespeichert werden können, werden durch den Gaskühler 11 abgeführt. Diese abgeführte Wärme­ menge muß, bei der anschließenden isochoren Drucksteigerung durch das Verbindungsrohr 28 in der Brennkammer 19 wieder dem Arbeitsmittel zugeführt werden. Diese abgeführte Wärme­ menge ist proportional zum thermischen Wirkungsgrad des Re­ generators 26.

Wenn der Verdrängerkolben 13 seinen O. T. erreicht hat (Fig. 3c) schließt der Drehschieber 31 mit Hilfe der Steuereinrichtung den Steuerungskanal 30. Der Expansionsraum 17 ist dadurch vom heißen Raum 24 und dem Kaltgasraum 25 getrennt. Nach dieser Gastrennung bewegt sich der Verdrängerkolben 13 in Richtung U. T., das Arbeitsmittel durchströmt den Gaskühler 11, den Regenerator 26, das Verbindungsrohr 28 und gelangt in den heißen Raum 24. Die Gasmasse, die nach der Schließung des Steuerungskanals 30 durch den Drehschieber 31 im Kalt­ gasraum 25 vorhanden war, ist also gleich der Gasmasse, die sich jetzt im heißen Raum 24 befindet. Somit ist die Wärme­ mengenaufnahme- und abgabe im Regenerator 26 gleich. Beim Erreichen des U. T. des Verdrängerkolbens 13 weist das Arbei­ tsmittel im heißen Raum 24 den Gasdruck p₄ auf. Dieser Gas­ druck ist proportional zum Temperaturunterschied und um­ gekehrt proportional zum isothermen Expansionsverhältnis. Gleichzeitig mit der Abwärtsbewegung des Verdrängerkolbens 13 bewegt sich der Arbeitskolben 12 nach oben, sodaß das restliche Arbeitsmittel im Expansionsraum 17 getrennt isotherm verdichtet wird. Das Arbeitsmittel gibt dabei durch die Erhitzerrohre 18′ Wärme an das eutektische Ge­ misch im Wärmeübertragungsrohr 36 ab. Ein Teil der Menge des Natriums und Lithiumfluorids, welches sich bei der isothermen Expansion kondensiert hat, verdampft nun durch die Wärme, die bei der isothermen Verdichtung freigesetzt wird. Das Arbeitsmittel im Expansionsraum 17 wird bis zum Gasdruck p₄ im p, V Diagramm nach Fig. 5 verdichtet. Diese Verdichtung wird erreicht, bevor der Arbeitskolben 12 den O. T. und der Verdrängerkolben 13 den U. T. erreicht hat, vgl. Fig. 3d. Das zu diesem Zeitpunkt erreichte isotherme Verdichtungsverhältnis ist so gewählt, daß es dem Tempe­ raturunterschied entspricht, der zwischen heißem Raum 24 und Kaltgasraum 25 erreicht werden kann. Ein höheres Verdichtungsverhältnis würde zu einem Druckunterschied zwischen dem heißen Raum 24 und Expansionsraum 17 führen. Nach Erreichen des Gasdruckes p₄ in der Stellung nach Fig. 3d öffnet der Drehschieber 31 mittels der Steuerein­ richtung den Steuerungskanal 30. Der Expansionsraum 17, die Erhitzerrohre 18 und der heiße Raum 24 stehen wieder in offener Verbindung und weisen den Gasdruck p₄ auf. Der Arbeitskolben 12 bewegt sich nun weiter Richtung O. T. und das Arbeitsmittel wird von p₄ nach p₁ isotherm endverdichtet. Die Wärmemengen die bei dieser Verdichtung entstehen, be­ wirken eine weitere Verdampfung des eutektischen Gemisches. Das gesamte Arbeitsmittel befindet sich an seinem Anfangs­ zustand entsprechend Fig. 3a.

Bei der isothermen Expansion nach Fig. 5 mit der Arbeits­ fläche 1-4-2-3-6-7-8 hat sich das gesamte Arbeitsmittel beteiligt, dagegen bei der isothermen Verdichtung mit der Arbeitsfläche 4-3-6-7 hat sich am Anfang von p₃ nach p₄ nur ein Teil des Arbeitsmittels beteiligt. Erst bei der isothermen Endverdichtung von p₄ nach p₁ mit der Arbeits­ fläche 8-1-4-7 befindet sich das gesamte Arbeitsmittel im heißen Raum 24. Daraus folgt:

(1-4-2-3-6-7-8) < (4-3-6-7)+(8-1-4-7)

Die Wärmemenge, die von der zentralen Brenneranordnung 33 an das Arbeitsmedium bei der isothermen Expansion abgegeben wird ist also größer als die Wärmemenge, die bei der ge­ samten isothermen Verdichtung wieder der Brenneranordnung 33 bzw. dem Natrium oder Lithium fluorid zugeführt würden. Die Differenz zwischen Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe des Arbeitsmittels im heißen Raum 24 wird in mechanische Arbeit umgewandelt. Diese Differenz muß durch Verbrennung von Brennstoffen dem Arbeitsmittel zugeführt werden.

Die geleistete mechanische Arbeit errechnet sich anhand eines Beispieles durch folgende Gleichungen:

Verwendetes Arbeitsmittel Luft R=0,287 kJ/kgK,
p₁ = 150 bar Anfangsdruck im heißen Raum 24, vor der iso­ thermen Expansion,
p₁/p₂≡ = 1,5 Isothermes Expansionsverhältnis,
T₁ = 1120 K Obere mittlere Temperatur,
T₂ = 293 K Untere mittlere Temperatur,
T₁/T₂ = 1120 K/293 K = 3,82 Temperaturverhältnis zwischen heißen Raum 24 und Kaltgasraum 25,
m_g = 1 kg Gesamtmasse der verwendeten Luft,
m₆ Gasmasse, die nach der unvollständigen iso­ choren Temperatur-Drucksenkung sich im Kalt­ gasraum 25 befindet,
m₅ Gasmasse, die nach der unvollständigen iso­ choren Temperatur-Drucksenkung sich im Expa­ nsionsraum 17 befindet.

Für die Isotherme 1 . . . 2 gilt:

With₁₂ = m_g R T₁ ln p₁/p₂ = 130,4 kJ (Gl. 17)

Bei einem Expansionsverhältnis von ε=1,5, befinden sich am Ende der isothermen Expansion von (1→2) ²/₃ der Gasmasse im heißen Raum 24 und ¹/₃ der Gasmasse im Expa­ nsionsraum 17. Bei der darauffolgenden unvollständigen iso­ choren Temperatur-Drucksenkung von (2→3), die wiederum, wegen dem Expansionsverhältnis von ε=1,5 zu ²/₃ durch­ geführt werden kann, erreicht man einen Gasmassenunterschied, der sich nach der folgenden Gleichung berechnen läßt:

Daraus folgt, daß die Gasmasse, die nach der unvollständigen isochoren Temperatur-Drucksenkung von (2→3) im Expansions­ raum 17 übriggeblieben ist, gleich 11,57% der gesamten Gasmasse ist. Dementsprechend befinden sich 88,42% der Gasmasse im Kaltgasraum 25. Der Gasdruck p₃ nach Fig. 5, der sich nach der unvollständigen isochoren Drucksenkung in den Arbeitsräumen einstellt, ist gleich 88,42% von p_g.

p_g = 39,3 bar, p₃ = p_g 0,884 = 34,7 bar

Bei einem Temperaturverhältnis von T₁/T₂=1120 K/293 K steigt der Gasdruck am Ende der isochoren Temperatur-Druck­ steigerung auf p₄=132,5 bar. Dementsprechend wird die im Expansionsraum 17 vorhandene restliche Gasmenge von p₃=34,7 bar auf p₄=132,5 bar isotherm verdichtet.

Für die Isotherme 3 . . . 4 gilt:

With₃₄ = m₅ R T₁ ln p₃/p₄ = -49,5 kJ (Gl. 19)

Obwohl das Verdichtungsverhältnis p₃/p₄ größer ist als das Expansionsverhältnis p₁/p₂, ist die Expansionsarbeit trotz­ dem größer als die Verdichtungsarbeit.

Das Arbeitsmittel wird vom Gasdruck p₄=132,5 bar auf den Gasdruck p₁=150 bar isotherm endverdichtet.

Für die Isotherme 4 . . . 1 gilt:

With₄₁ = m_g R T₁ ln p₄/p₁ = -39,9 kJ (Gl. 20)

Die gesamte isotherme Verdichtungsarbeit beträgt also -89,4 kJ/kg und ist gleich mit 68% der Expansionsarbeit. Bei einem Expansionsverhältnis von ε=1,5 und einem Tempera­ turverhältnis von 1120 K/293 K, ist die gewonnene mecha­ nische Arbeit gleich mit 41 kJ/kg.

Weiterführendes Beispiel: In einem umweltfreundlichen Heiß­ gaskolbenmotor, Drehzahl 3000 1/min, befinden sich im Kaltgasraum 25 1 l Luft bei 39,3 bar, 20 C. Die Luft wird durch die Erhitzerrohre 18 auf 847°C erhitzt. Das Volumen des Expansionsraums 17 beträgt 0,5 l. Die Leistung der PuH wäre:

Bewegte Gasmasse im Zylinder:

Die geleistete mechanische Arbeit ist proportional zum Gas­ massenunterschied m_g<m₅. Der Gasmassenunterschied ist vom Temperaturunterschied abhängig, dementsprechend steigt das Arbeitsverhältnis mit dem Temperaturunterschied. Der ther­ mische Wirkungsgrad bei dem neuen Heißgasmotor ist bei jedem Temperaturunterschied konstant.

Die Differenz zwischen Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe des Arbeitsmittels wird bei der erfindungsgemäßen Heißgas­ maschine in mechanische Arbeit umgewandelt. Gleiches läßt sich auch mit den üblichen Wärmekraftmaschinen erreichen. Beide Wärmekraftmaschinentypen verwenden Temperaturunter­ schiede, um Wärme in mechanische Arbeit umzuwandeln. Der Unterschied besteht darin, daß bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine die Wärmeabfuhr mit Hilfe des Gasmassen­ unterschiedes, der wiederum durch den verwendeten Tempera­ turunterschied selbst erzeugt wird, bei der oberen Betriebs­ temperatur durchgeführt werden kann. Die Gasmasse ist bei den üblichen thermodynamischen Prozessen konstant. Der neue thermodynamische Prozeß dagegen basiert auf einen Gasmassen­ unterschied. Auch bei der neuen Maschine findet ein Wärme­ fluß von einer heißen Quelle in Richtung kalte Quelle statt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß bei diesem Wärmefluß bei der neuen Maschine eine endliche Wärmemasse, Regenerator, vorhanden ist, während bei den üblichen Maschi­ nen eine unendliche Wärmemasse, Umgebung, existiert. Der Wärmefluß zwischen einer heißen Quelle und einer kalten Quelle wird bei der neuen Wärmekraftmaschine nur zur Erzeugung eines Gasmassenunterschiedes verwendet.

Claims (9)

1. Verfahren zum Umwandeln von Wärme in Arbeit mittels eines Heißgasmotors mit kontinuierlich beheizter Wärmequelle, bei dem ein eingeschlossenes komprimiertes Gas, das sich im Ausgangszustand bei einer oberen Temperatur (T_max) und einem Höchstdruck (p_max) befindet, unter Wärmeaufnahme aus der Wärmequelle isotherm expandiert wird und dabei Arbeit leistet und dann durch isochore Abkühlung, isotherme Verdichtung und isochore Rückerwärmung in den Ausgangszustand zurückgebracht wird, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß nach isothermer Expansion der gesamten Gasmenge eine erste Teilmenge des Gases isochor abgekühlt wird, während eine zweite Teilmenge des Gases auf der oberen Temperatur (T_max) gehalten wird, aber in offener druckausgleichender Verbindung mit der ersten Teilmenge steht und entsprechend der abkühlungsbedingten Druckerniedrigung Gas an diese abgibt,
• b) daß dann die Verbindung zwischen der ersten und zweiten Teilmenge gesperrt wird, die erste Teilmenge isochor rückerwärmt wird und gleichzeitig die zweite Teilmenge bei der oberen Temperatur (T_max) verdichtet wird und die dabei erzeugte Wärme an die Wärmequelle abgibt,
• c) und daß dann durch Öffnen der Verbindung die erste und zweite Teilmenge wieder vereinigt und gegebenenfalls bis zum Höchstdruck (p_max) nachverdichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der ersten und zweiten Teilmenge zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, an dem der durch die isotherme Verdichtung der zweiten Teilmenge erreichte Druck gleich dem durch die isochore Rückerwärmung der ersten Teilmenge erreichte Druck ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragung zwischen der Wärmequelle und der zweiten Teilmenge mittels eines Wärmeübertragungsmediums erfolgt, dessen Verdampfungstemperatur im Bereich der oberen Temperatur (T_max) liegt derart, daß das Wärmeübertragungsmedium bei Wärmeabgabe an das isotherm expandierende Gas kondensiert und bei Wärmeaufnahme von dem Gas bei dessen isothermen Verdichtung verdampft.

4. Heißgasmotor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Arbeitsraum (17) mit Arbeitskolben (12), einem Verdrängungsraum, der durch einen Verdrängerkolben (13) in einen Heißraum (24) und einen Kaltraum (25) unterteilt wird, die durch Verschieben des Verdrängungskolbens gegenläufig volumenveränderlich sind und über einen wärmespeichernden Regenerator (26) und einen Gaskühler (11) miteinander verbunden sind, mit einer Brennkammer (19) mit Brenner (33), wobei der Heißraum (24) des Verdrängerraums mit dem Arbeitsraum (17) über mindestens einen Verbindungskanal (18) verbunden ist, der mit der Brennkammer (19) in Wärmekontakt steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (18) zwischen Heißraum (24) und Arbeitsraum (17) ein steuerbares Absperrorgan (31) enthält,
und daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die das Absperrorgan (31) in zeitlicher Abstimmung mit den Hüben des Verdrängerkolbens (13) und Arbeitskolbens (12) derart steuert, daß er während des Expansionshubes des Arbeitskolbens (12) und während des den Heißraum (24) verkleinernden Hubes des Verdrängerkolbens (13) geöffnet und während des größten Teils des Verdichtungshubes des Arbeitskolbens (12) geschlossen ist.

5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen des Arbeitskolbens (12) und Verdrängerkolbens (13) durch ein Getriebe derart zwangsgekoppelt sind, daß der Verdrängerkolben (13) während des Expansionshubes des Arbeitshubes (12) an seinem unteren Totpunkt stillsteht und der Arbeitskolben (12) während des den Heißraum (24) verkleinernden Hubes des Verdrängerkolbens (13) an seinem unteren Totpunkt stillsteht, während der Verdichtungshub des Arbeitskolbens (12) und der den Heißraum (24) vergrößernde Hub des Verdrängerkolbens (13) gleichzeitig erfolgen.

6. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den Heißraum (24) mit dem Arbeitsraum (17) verbindende Verbindungskanal (18) mit der Brennkammer (19) über einen Wärmeübertragungsraum (36) mit einem eingeschlossenen Wärmeübertragungsmittel thermisch gekoppelt ist, wobei das Wärmeübertragungsmittel aus einem Material mit einer Verdampfungstemperatur im Bereich der Betriebstemperatur des Heißraumes (24) besteht.

7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wärmeübertragungsraum (36) eine Kapillarstruktur angeordnet ist.

8. Motor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmittel ein eutektisches Gemisch aus Lithiumfluorid und Natrium ist.

9. Motor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal aus einer Anzahl von Rohren (18) besteht, die in dem Wärmeübertragungsraum (36) angeordnet und von dem Wärmeübertragungsmittel umgeben sind.