DE4317690A1 - Heissgasmotor - Google Patents

Description

Es sind eine Reihe von Heißgasmotoren bekannt, welche nach dem Stirlingmotorprinzip arbeiten; dabei werden zur Energieum­ wandlung (thermische in mechanische) Kolbenmotoren verwendet und der geschlossene Gaskreislauf ist von pulsierender Natur, das heißt, das Fließen des Gases im Gaskreislauf findet zwischen minimaler (Null) und maximaler Fließgeschwindigkeit mit pulsierenden Druckwerten des Gases statt.

Das pulsierende Fließen des Gases, durch die Hin- und Her­ bewegung des Kolbens verursacht, führt zu Unterbrechungen des Kraftflusses, das heißt, zu einer unstetigen Funktion und da­ her zu dem Kolbenmotoren charakteristischen Vibrieren. (Dieses ist bei Stirlingmotoren allerdings nicht so hart wie bei Explo­ sionsmotoren mit innerer Verbrennung.)

Der in den Ansprüchen 1 bis 5 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Gasfluß im Gaskreislauf des Heißgasmotors stetig in dieselbe Richtung zu lenken und durch die Anordnung des Zellenverdichters (2) und des Lamellenmotors (1) ein in der gleichen Richtung und in der selben unveränderlichen Größenordnung wirkendes Kraftmoment zu erzeugen.

Durch die Erfindung entsteht der Vorteil eines stetigen, von oberen und unteren Totpunkten freien, Drehmomentes und eines schwingungsfreien Laufes des Heißgasmotors.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, jede Art von Wärmeenergie umwandeln zu können. In diesem Fall muß nur der Erhitzungswärmetauscher (4) für die jeweilige Energieart ausgelegt und eingebaut werden. Durch geeignete Brenner kann für gasförmige, flüssige und feste Brennstoffe die Verbrennung möglichst schadstoffarm gehalten werden, da die Verbrennung kontinuierlich und bei gleichbleibendem Druck stattfindet. Sie kann auch katalytisch beeinflußt werden. Für Sonnenenergie, geothermische Energie oder Abwärme aus chemischen Prozessen entfallen Überlegungen über Schadstofferzeugung völlig.

Ein anderer Vorteil ist die Möglichkeit einer guten und unkomplizierten phonischen Abschirmung des in vorliegender Erfindung beschriebenen Heißgasmotors, da keine Explosionsgeräusche durch Schalldämpfer geschluckt werden müssen, wie bei Motoren mit innerer Verbrennung.

Desgleichen kann der einfache und aus wenig Einzelteilen bestehende Bau des Heißgasmotors als Vorteil gewertet werden, da in seiner Konstruktion elektrische Zündungsinstallationen sowie Ventile und verschiedene Verteilersysteme entfallen. (Der Start des Brenners für gasförmige, flüssige oder feste Brennstoffe kann selbstverständlich, wie beim Dieselmotor, elektrisch erfolgen.)

Die Funktion des Heißgasmotors kann an Hand des thermodynamischen Prozesses erklärt werden. Aus der Konstruktion des Heißgasmotors geht hervor, daß die druckbeaufschlagte Fläche der Lamellen im Wärmeteil (A) des Gaskreislaufes gleich groß ist der druckbeaufschlagten Fläche der Lamellen im Kälteteil (B) des Gaskreislaufes. Die druckbeaufschlagten Lamellenflächen des Lamellenmotors sind konstruktionsmäßig größer als die druckbeaufschlagten Lamellenflächen des Zellenverdichters.

Herrschen in Wärme- und Kälteteil des Gaskreislaufes gleiche Temperatur und entsprechend gleicher Druck kann keinerlei Drehmoment entstehen. Wird das Gas im Wärmeteil erwärmt, so vergrößert sich der Gasdruck in diesem Teil und wirkt auf die Lamellenflächen des Lamellenmotors und des Zellenverdichters und erzeugt in diesen je ein Drehmoment, welche entgegengesetzt gerichtet sind. Da aber die druckbeaufschlagte Lamellenfläche des Lamellenmotors größer ist als die des Zellenverdichters ist das vom Lamellenmotor erzeugte Drehmoment größer als das des Zellenverdichters und es findet eine Drehbewegung statt so, daß das erwärmte Gas in Richtung Kälteteil durch den Lamellenmotor fließt. Gleichzeitig, da der Rotor des Zellenverdichters auf derselben Welle wie der Rotor des Lamellenmotors sitzt, pumpt dieser frisches Gas aus dem Kälteteil in den Wärmeteil. Dieses strömt durch den Gegenstromwärmetauscher, wo es die Wärme des aus dem Lamellenmotor ausströmenden Gases übernimmt. Weiter vergrößert wird der Druck des Gases durch Erhitzen im Erhitzungswärmetauscher, welcher die in mechanische Energie umzuwandelnde Wärme von außen zuführt.

Eine kontinuierliche Funktion des Heißgasmotors ist gewährleistet, wenn die zugeführte Wärmemenge größer ist als die für eine spezifische Volumenvergrößerung notwendige, um die vom Zellenverdichter gelieferte Gasmenge auf das Volumen des Lamellenmotors, zuzüglich des Ausgleiches der Verluste durch Undichtheit der Lamellen, durch Reibung und durch Wärmeabstrahlung an die Umgebung von Zellenverdichter, Gegenstromwärmetauscher, Erhitzungswärmetauscher und Lamellenmotor, zu bringen. Die Temperatur im Kälteteil wird niedrig gehalten und dadurch der Druck ebenda vermindert durch einen Kühlungswärmetauscher, welcher überschüssige Wärme an die Umgebung abführt. Er ist zwischen Gegenstromwärmetauscher und Zellenverdichter eingebaut.

Um ein großes Drehmoment zu bekommen und gleichzeitig die Ausmaße des Heißgasmotors klein und sparsam ausführen zu können, empfiehlt es sich, den Gasdruck im geschlossenen Gaskreislauf möglichst hoch zu halten. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades sollte ein leichtflüssiges Gas (z. B. Helium) verwendet werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann statt einem Gas auch eine leichtverdampfbare Flüssigkeit verwendet werden. In diesem Fall wird statt dem Zellenverdichter (2) eine Flüssigkeitshochdruckpumpe eingebaut, der Erhitzungswärmetauscher (4) wird als Hochdruckverdampfer ausgeführt und der Kühlungswärmetauscher wird mit einem Behälter für das Kondensat versehen. In dieser Ausführung ist der Druck im Kälteteil (B) des Flüssigkeit-Dampfkreislaufes sehr niedrig im Vergleich zum hohen Dampfdruck im Wärmeteil (A). Durch ein Regelventil in der Dampfzufuhr des Lamellenmotors kann der Lauf des Motors beeinflußt werden. Die Wärmezufuhr im Hochdruckverdampfer kann dampfdruckabhängig geregelt werden. Der schematische Aufbau dieser Ausführung wird in Fig. 3 dargestellt.

Darstellung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch Funktion und Konstruktion des Heißgasmotors. Es bedeuten:
1 Lamellenmotor
2 Zellenverdichter
3 Gegenstromwärmetauscher
4 Erhitzungswärmetauscher
5 Kühlungswärmetauscher
6 Welle
Pfeil gibt die Fließrichtung des Gaskreislaufes an.
Pfeil gibt die Richtung des Wärmeüberganges an.
A Wärmeteil
B Kälteteil

In Fig. 2 sehen wir die perspektivische Ansicht einer möglichen Konstruktion eines Heißgasmotors, welcher geothermales Wasser als Wärmequelle benützt. Die Zeichnung läßt in vereinfachter Form die wesentlichen Bestandteile des Motors durch Schnittöffnungen des Lamellenmotors (1) des Zellenverdichters (2) des Gegenstromwärmetauschers (3) und des Kühlungswärmetauschers (5) sowie die Ansicht des Erhitzungswärmetauschers (4) und der Welle (6) erkennen ohne die, einer konkreten Konstruktion notwendigen, Verbindungselemente, guß- und metallbearbeitungserforderliche Formen oder Befestigungsrahmen zu berücksichtigen.

Die Zahlen 1 bis 6 zeigen:
1 Lamellenmotor
2 Zellenverdichter
3 Gegenstromwärmetauscher
4 Erhitzungswärmetauscher
5 Kühlungswärmetauscher
6 Welle

Die Pfeile in den Rohrleitungen und in den Wärmetauschern zeigen die Fließrichtung des Gases im Gaskreislauf an, der Pfeil über der Welle die Drehrichtung derselben.

Da, wie in Anspruch 1 erwähnt, die zum Heißgasmotor zusammengebauten Untergruppen wie Lamellenmotor, Zellenverdichter und die verschiedenen Wärmetauscher als Konstruktionen an sich aus der Fachliteratur bekannt sind, müssen ihre Einzelteile nicht mehr beschrieben werden. Sollen Untergruppen aus der Weltproduktion für den Zusammenbau eines, in der Erfindung beschriebenen, Heißgasmotor verwendet werden müssen, allerdings, zwecks guter Abstimmung aufeinander, kleinere Änderungen an ihnen vorgenommen werden.

Fig. 3 zeigt schematisch den Schnitt durch die Konstruktion einer Ausführung des Heißgasmotors in dem, statt eines Gaskreislaufes von einem idealen Gas, ein Flüssigkeits-Dampfkreislauf verwendet wird.

In Fig. 3 bedeuten die Zahlen von 1 bis 8:
1 Lamellenmotor
2 Hochdruckflüssigkeitspumpe
3 Gegenstromwärmetauscher
4 Erhitzungswärmetauscher
5 Kühlungswärmetauscher
5a Kondensatsammler
6 Motorwelle
6a Pumpenantrieb
7 Dampfzufuhrregelventil
8 Wärmezufuhrregler
A Wärmeteil
B Kälteteil
Pfeil gibt die Richtung des Dampfkreislaufes an.
Pfeil gibt die Richtung des Wärmeüberganges an.

Die Motorwelle (6) und der Pumpenantrieb (6a) sind durch ein, in der Zeichnung nicht sichtbares, Bewegungsübertragungselement verbunden.

Claims (5)

1. Heißgasmotor, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung von einem Lamellenmotor (1) verbunden durch eine gemeinsame Welle (6) mit einem Zellenverdichter (2) und drei Wärmetauschern (3, 4, 5) - alle von an sich bekannter Konstruktion - in einem geschlossenen Gaskreislauf zur Umformung von thermischer in mechanische Energie verwendet wird.

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslegungsgrößen von Lamellenmotor (1) und Zellenverdichter (2) so aufeinander abgestimmt sind, daß durch die wärmebedingte Druckerhöhung im Wärmeteil (A) des Gaskreislaufes eine Drehbewegung der gemeinsamen Welle (6) durch Druckwirkung auf verschieden große Lamellenflächen im Lamellenmotor und Zellenverdichter erzwungen wird.

3. Heißgasmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das, in den Kälteteil (B) des Gaskreislaufes abströmende heiße Gas seine, nach der Arbeitsleistung noch verbliebene, Wärme in einem Gegenstromwärmetauscher (3) an das vom Zellenverdichter (2) in den Wärmeteil (A) des Gaskreislaufes gepumpte Gas abgibt.

4. Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem in Anspruch 3 genannten Gegenstromwärmetauscher (3) ein, nur im Wärmeteil (A) des geschlossenen Gaskreislaufes befindlicher, Erhitzungswärmetauscher (4) nachgeschaltet ist, durch den die in mechanische Energie umzuwandelnde Wärme dem geschlossenen Gaskreislauf von außen zugeführt wird.

5. Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kälteteil (B) des geschlossenen Gaskreislaufes ein Kühlungswärmetauscher (5) eingeschaltet ist, welcher für die notwendige Temperaturdifferenz zwischen Wärme- und Kälteteil des geschlossenen Gaskreislaufes sorgt.