DE4223224C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie in Bewegungsenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie.

Bei derartigen Verfahren und Vorrichtungen, beispielsweise einer Dampfmaschine, wird der Aggregatzustand eines Mediums (Wasser in Dampf) verändert, um eine Bewegungsenergie mit einem hohen Energiepotential zu erhalten.

Es war bekannt (US 20 54 152), bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Umwandeln von mechanischer und thermischer Energie in einem thermodynamischen Kreisprozeß danach zu streben, die bei einer Expansion eines erhitzten Gases freiwerdende Energie soweit wie möglich zurückzugewinnen, wobei möglichst wenig mechanische Mittel eingesetzt werden. Bei der bekannten Vorrichtung wird vorgesehen, daß ein Druckaustausch zwischen dem zu verdichtenden und dem zu expandierenden Gas ermöglicht wird, d. h. zwischen Medien, die ihren Aggregatzustand nicht ändern.

Bei einer Wärmekraftmaschine, bei der ein Gas erhitzt wird und die dadurch verursachte Drucksteigerung in einem Entspannungsprozeß zur Verrichtung von Arbeit ausgenutzt wird, ist es bekannt (DE 39 03 430 A1), dafür Sorge zu tragen, daß ein komprimiertes, erhitztes Gas oder eine Flüssigkeit nicht direkt den sich bewegenden Teilen wie Kolben und Schaufelrädern zugeführt wird. Bei dieser Vorrichtung, bei der ebenfalls das Medium seinen Aggregatzustand nicht ändert, wird vorgesehen, daß das in einem ersten Wärmetauscher erwärmte Medium in einen zweiten Wärmetauscher strömt, in dem ihm wieder Wärme entzogen wird, wonach es mittels einer Düse und einem Ventil den sich bewegenden Teilen zugeführt wird. Die entzogene Wärme wird in den ersten Wärmetauscher zurückgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem mechanische Bewegungsenergie mit einem hohen Energiepotential erhalten wird, ohne daß dazu ein Medium seinen Aggregatzustand ändern muß.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem mit Flüssigkeit befüllten Hohlraum ein Körper angeordnet wird, zu dem intervallweise Wärmeenergie zugeführt oder von dem intervallweise Wärmeenergie abgeführt wird, so daß sich das Volumen des Körpers derart vergrößert oder verkleinert, daß aus dem Hohlraum Flüssigkeit ausgetrieben oder in den Hohlraum Flüssigkeit eingesaugt wird, und daß die entstehende Flüssigkeitsströmung ein Arbeitselement antreibt.

Gemäß der Erfindung wird die temperaturabhängige Ausdehnung eines festen Körpers zur Erzeugung der mechanischen Bewegungsenergie ausgenutzt. Eine Veränderung des Aggregatzustandes irgendeines Mediums ist nicht erforderlich.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Paare von Körpern vorgesehen, zwischen denen jeweils ein mit Flüssigkeit befüllter Hohlraum vorhanden ist, die mittels einer an ein Arbeitselement angeschlossenen Leitung miteinander verbunden sind und daß die ihr Volumen ändernden Körper jeweils gegensinnig mit Wärmeenergie versorgt werden.

Zur Durchführung eines Verfahrens zum Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie wird bei einer Vorrichtung vorgesehen, daß in einem mit Flüssigkeit gefüllten Hohlraum ein Körper angeordnet ist, der an eine Einrichtung zum intervallweisen Zuführen oder Abführen von Wärmeenergie angeschlossen ist, und daß der Hohlraum über eine Flüssigkeitsleitung an ein mechanisches Arbeitselement angeschlossen ist. Das mechanische Arbeitselement in Form eines hydraulischen Motors o.dgl. wird somit von dem Flüssigkeitsstrom angetrieben, der durch ein temperaturabhängiges Ausdehnen oder Zusammenziehen eines Körpers erzeugt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele und den Unteransprüchen.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Energie,

Fig. 2 eine Vorrichtung mit zwei Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie umwandelnden Einheiten, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kälteaggregates zum intervallweisen und abwechselnden Versorgen von zwei Einheiten, ähnlich Fig. 2, zum Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Energie.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 ist innerhalb eines geschlossenen, druckfesten Hohlkörpers (10), der die Form eines Zylinders oder insbesondere einer Kugel aufweist, unter Belassung eines Hohlraumes (11) ein zweiter Körper (12) angeordnet. Dieser zweite Körper, der in Fig. 1 als massiver Körper dargestellt ist, kann selbstverständlich auch als Hohlkörper ausgebildet werden. Er besitzt eine zu dem äußeren Körper (10) geometrisch ähnliche Außenkontur, d. h. wenn der äußere Körper (10) zylindrisch oder kugelförmig ist, so ist der innere Körper (12) ebenfalls zylindrisch oder kugelförmig. Selbstverständlich sind auch weitere geometrische Formen denkbar.

Der innere Körper (12) ist an eine nicht dargestellte Einrichtung zum Zuführen von Wärmeenergie oder an eine Einrichtung zum Abführen von Wärmeenergie angeschlossen, d. h. an eine Heizeinrichtung oder eine Kühleinrichtung. Das von dieser Einrichtung kommende Wärmetauschmedium durchströmt den inneren Körper (12) unter Abgabe oder Aufnahme seiner Wärmeenergie. Der Hohlraum (11) zwischen dem inneren Körper (12) und dem äußeren Körper (10) ist mit einer Flüssigkeit befüllt, beispielsweise Wasser oder einem Hydrauliköl. Der Hohlraum (11) ist über eine Leitung (13) mit einem mechanischen Arbeitselement (14) verbunden, das in Fig. 1 als ein Zylinder (15) mit einem Kolben (16) dargestellt ist, der an eine Kurbelwelle (17) angeschlossen ist.

Wird dem inneren Körper (12) Wärmeenergie zugeführt, beispielsweise in Form einer elektrischen Beheizung oder einer Beheizung mit Abgasen eines Brenners, so dehnt er sich aus, wodurch der Hohlraum (11) verkleinert wird. In entsprechender Weise wird dann Flüssigkeit aus dem Hohlraum (11) ausgetrieben und über die Leitung (13) an den Kolben (16) und damit auf die Kurbelwelle (17) übertragen. Kühlt der Körper (12) wieder ab, so reduziert er sein Volumen, so daß entsprechend wieder Flüssigkeit in den Hohlraum (11) zurückgesaugt wird. Wird nun dem Körper (12) intervallweise Wärmeenergie zugeführt, so wird der Kolben (16) intervallweise verfahren, so daß sich eine entsprechende Antriebsbewegung ergibt. Um diese Intervalle zu verkürzen und somit die Bewegung zu beschleunigen, ist es zweckmäßig, wenn nach einer Zufuhr von Wärmeenergie zu dem Körper (12) anschließend Wärmeenergie aus dem Körper (12) abgeführt wird, d. h. der Körper (12) gekühlt wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß abwechselnd durch den Körper (12) ein erhitztes Gas oder kühle Luft hindurchströmen. Die den Körper umgebende Flüssigkeit wird wenigstens im unmittelbaren Bereich des Körpers mit erwärmt oder mit gekühlt. Ein dadurch verursachtes Ausdehnen oder Zusammenziehen der Flüssigkeit wirkt in die gleiche Richtung.

Das als Zylinder (15) mit einem Kolben (16) und einer Kurbelwelle (17) dargestellte Arbeitselement (14) ist nur als Prinzip zu verstehen. Selbstverständlich können an diese Stelle andere Arbeitselemente treten, insbesondere Turbinen oder Rotationspumpen o.dgl.

Es ist zweckmäßig, wenn für den inneren Körper (12) ein Werkstoff vorgesehen wird, der einerseits eine recht hohe Temperaturleitfähigkeit aufweist, so daß er schnell erwärmt und schnell abgekühlt werden kann, und der andererseits einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, so daß eine relativ große Flüssigkeitsströmung erhalten wird. Zusätzlich muß der Körper (12) relativ hohe Drücke aushalten, so daß sich hierfür ein Metall eignet, insbesondere Aluminium. Der äußere Körper (10) kann thermisch weitgehend neutral sein, d. h. er kann aus einem Material hergestellt werden, das lediglich eine ausreichende Festigkeit aufweist. Es ist jedoch auch möglich, den Effekt bezüglich der Vergrößerung und Verminderung des Hohlraums (11) dadurch zu vergrößern, daß der äußere Körper (10) jeweils gegensinnig zu dem inneren Körper (12) mit Wärmeenergie versorgt wird, d. h. daß der äußere Körper (10) gekühlt wird, wenn der innere Körper (12) beheizt wird, und umgekehrt beheizt wird, wenn der innere Körper (12) gekühlt wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind zwei Einheiten (18, 19) vorgesehen, die jeweils auf ein nur angedeutetes mechanisches Arbeitselement wirken. Die beiden Einheiten (18, 19) entsprechen jeweilg dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, d. h. sie besitzen einen äußeren Körper (10) sowie einen inneren Körper (12), die zwischen sich einen mit Flüssigkeit befüllten Hohlraum (11) belassen. Der innere Körper (12) ist als eine Art Wärmetauscher ausgebildet und mit einer Einrichtung zum Zuführen von Wärmeenergie oder zum Abführen von Wärmeenergie verbunden. Die beiden Einheiten (18, 19) werden gegensinnig mit Wärmeenergie versorgt. Wird der Einheit (18) Wärmeenergie zugeführt, so wird aus der Einheit (19) Wärmeenergie abgeführt, wie dies mit den Zeichen + und - angedeutet ist. Dadurch ergeben sich in den Leitungen (13, 13′) gleichsinnige Flüssigkeitsströmungen, die auf das Arbeitselement (14) wirken. Auch hier erfolgt intervallweise ein Umschalten, nach welchem dann aus der Einheit (18) Wärmeenergie abgeführt und der Einheit (19) Wärmeenergie zugeführt wird. In der Praxis wird es sinnvoll sein, in die Leitung (13) oder Leitungen (13, 13′) Druckbegrenzungsventile einzubauen, die zu oder von jeweils einem Flüssigkeitsreservoir führen.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist es möglich, zwei derartige Einheiten (18, 19) mit einem Kälteaggregat zu kombinieren. Das Kälteaggregat enthält in einem Kältekreislauf einen Kondensator (20), eine Drosseleinrichtung (21), einen Verdampfer (22) und einen Verdichter (23). Der Kondensator (20) und der Verdampfer (22) sind Wärmetauscher, die über ein Umschaltventil (24) an die Einheiten (18) und (19) angeschlossen sind. In der dargestellten Schaltstellung des Umschaltventils (24) ist die Einheit (18) mit dem Kondensator (20) und die Einheit (19) mit dem Verdampfer (22) verbunden, so daß die Einheit (18) erwärmt und die Einheit (19) gekühlt wird. Durch Umschalten des Umschaltventils (24) wird erreicht, daß dann die Einheit (19) erwärmt und die Einheit (18) gekühlt wird.

Die Erfindung ermöglicht es, Wärmeenergie in extrem hohe Drücke umzuwandeln, die als mechanische Bewegungsenergie verwertbar sind.

Claims (8)

1. Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie, dadurch gekennzeichnet, daß in einem mit Flüssigkeit befüllten Hohlraum ein Körper angeordnet wird, zu dem intervallweise Wärmeenergie zugeführt oder von dem intervallweise Wärmeenergie abgeführt wird, so daß sich das Volumen dieses Körpers vergrößert oder verkleinert, daß aus dem Hohlraum Flüssigkeit ausgetrieben oder in den Hohlraum Flüssigkeit eingesaugt wird, und daß die entstehende Flüssigkeitsströmung ein Arbeitselement antreibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Körper in jeweils einem Hohlraum vorgesehen sind, wobei die Hohlräume mittels einer an ein Arbeitselement angeschlossenen Leitung miteinander verbunden sind, und wobei die ihr Volumen ändernden Körper jeweils gegensinnig mit Wärmeenergie versorgt werden.

3. Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem mit Flüssigkeit gefüllten Hohlraum (11) ein Körper (12) angeordnet ist, der an eine Einrichtung zum intervallweisen Zuführen oder Abführen von Wärmeenergie angeschlossen ist, und daß der Hohlraum (11) über eine Flüssigkeitsleitung (13) an ein mechanisches Arbeitselement (14) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere mit Flüssigkeit gefüllte Hohlräume mit jeweils einem an eine Einrichtung zum Zuführen oder Abführen von Wärmeenergie angeschlossenen Körper (12) vorgesehen sind, die jeweils gegensinnig geschaltet werden, und daß die beiden Hohlräume (11) mittels einer ein mechanisches Arbeitselement (14) enthaltenden Leitung (13, 13′) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Körpern (12) als Einrichtung zum Zuführen und Abführen von Wärmeenergie ein Kälteaggregat zugeordnet ist, dessen Verdampfer (22) und Kondensator (20) wechselweise mit einem der beiden Körper verbindbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der an die Einrichtung zum Zuführen oder Abführen von Wärmeenergie angeschlossene Körper (12) unter Belassen einer Hohlkammer (11) innerhalb eines geometrisch ähnlichen Körpers (10) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der an die Einrichtung zum Zuführen oder Abführen von Wärmeenergie angeschlossene Körper (12) in Hohlkörper ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der an die Einrichtung zum Zuführen oder Abführen von Wärmeenergie angeschlossene Körper (12) aus einem Werkstoff mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht.