EP0178348A1 - Gas compressor directly driven by a heat supply - Google Patents

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EP0178348A1
EP0178348A1 EP84112662A EP84112662A EP0178348A1 EP 0178348 A1 EP0178348 A1 EP 0178348A1 EP 84112662 A EP84112662 A EP 84112662A EP 84112662 A EP84112662 A EP 84112662A EP 0178348 A1 EP0178348 A1 EP 0178348A1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/02—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having pistons and displacers in the same cylinder
    • F02G2243/04—Crank-connecting-rod drives
    • F02G2243/08—External regenerators, e.g. "Rankine Napier" engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/50—Crosshead guiding pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2280/00—Output delivery

Definitions

  • the invention relates to a gas compressor in which the energy is supplied by means of an external combustion of gaseous, liquid or solid fuels and this is converted into an adequate compression work.
  • the gaseous or vaporous working medium should be separated as effectively as possible in two pressure vessels of different pressure, and this pressure potential should be used to generate mechanical work or to operate a heat pump or a refrigeration machine.
  • the gas compressor consists of the thermomechanical converter and a separate expansion motor, in which the pressure difference generated by the converter is converted into mechanical work.
  • High-pressure gas preferably helium or hydrogen, is used as the working medium for the pressure converter and the power or cooling machine connected to the pressure accumulator.
  • this has the disadvantage that at high working pressures, which are desirable in the interest of a low power-to-weight ratio, reliable sealing of the working medium in the engine or refrigerator becomes impossible.
  • no conventional expansion machines are known so far that permit dry gas operation.
  • the present invention avoids both disadvantages in that a separating device is connected between the thermomechanical converter and the expansion motor or the cooling machine, as a result of which different and different working media can be used for generating pressure in the converter and for the expansion device.
  • Helium gas of high pressure is preferably used in the converter and a gas-oil mixture is used in the expansion circuit, which is an oil-lubricated and pressure-tight expan sion machine allowed to use.
  • the gas compressor consists of the working cylinder 1, in which the poorly heat-conducting displacement piston 2, which is attached to the piston rod 3, which is pressure-tightly guided through the cylinder base, is moved approximately sinusoidally between the top and bottom dead center by the crankshaft 5 and the connecting rod 4.
  • the heat output required for operation is fed to the working cylinder 1 via the fin heat exchanger 6 inside the combustion chamber 7.
  • the cylinder head and the lower cylinder chamber 8 are connected via the thermal regenerator 9, the cooler 10 and said finned heat exchanger 6, so that only the pressure difference, which is caused by the malfunction losses in the heat exchangers 6, 10 and in the regenerator 9, is loaded on the displacement piston 2.
  • the thermal insulation of the high tem temperature (400 to 800 ° C) of the parts is in Fi g. 1 only hinted at; however, it is partly responsible for the efficiency achieved in converting heating energy into pressure energy.
  • the lower working space 8 of the cylinder 1 is connected to the media separator, which is shown in FIG. 1 as a divided, flat pressure vessel, which consists of two spherical caps 11a, 11b, which are separated gas-tight by the elastic membrane 12.
  • the calotte 11b is connected via the check valves 13, 14 with a different flow direction to the pressure vessel 15 or to the pressure-tight crankcase 16, in which the electric motor 17 for driving the displacement piston is arranged.
  • the expansion motor 18 is connected between the high-pressure tank 15 and the crankcase 16 functioning as a low-pressure tank, the flow rate of which can be adjusted by the control valve 19.
  • FIG. 2 shows the pressure curve in the working gas in the event that the pressure in the pressure vessel 15 is higher than the maximum value in the working cylinder and the valve 19 is closed.
  • the components 15, 16 and 18 connected to the chamber volume 11b of the fluid separator are filled with a gas-oil mixture;
  • nitrogen or carbon dioxide are also suitable as pressurized gas, since their kinematic toughness is noticeably greater and the adiabatic exponent is smaller than that of helium. The latter causes a lower temperature drop in the working medium during expansion in the expansion motor 18.
  • the gas pressure reaches its maximum value and the chamber volume 11b is compressed until the gas pressure in the cylinder 1 matches the pressure p h in the container 15, the check valve 14 remains closed during this time.
  • the displacer 2 moves upward, the gas pressure decreases and, after the pressure p n prevailing in the crankcase 16 is reached, the valve is opened and the gas / oil mixture is sucked into the chamber 11b; in extreme cases the membrane 12 lies against the inner wall of FIG. 11a.
  • the superheated steam of a condensable substance for example propylene, fluorinated hydrocarbons
  • a condensable substance for example propylene, fluorinated hydrocarbons
  • any working medium can be used in the secondary circuit of the fluid separator, which contains the expansion motor or a heating machine in addition to the pressure buffers will.
  • a mixture of nitrogen or carbon dioxide and mineral oil has the advantage that a relatively high operating frequency can be used in the converter and separator and the essential lubrication and sealing of the expansion motor is ensured for the secondary circuit.
  • the temperature increase that occurs in the separator during the compression cycle and the temperature decrease that occurs in the engine during work relaxation occurs. The latter can be used to reduce the heat output to be dissipated in the cooler 10 with the aid of an additional heat exchanger.
  • a second pressure vessel is connected to the check valve 14, into which the expanded working medium flows from the expander 18 at the pressure p. Since the conventional expansion motors act as a pump when the direction of rotation is reversed, this property can be used together with said pressure accumulators to store the braking energy generated during the braking process in a vehicle driven by such an expansion motor.
  • the gas lines leading to the expander are exchanged with the aid of a special changeover valve.
  • the expansion motor 18 is also located in the crankcase 16. Its output axis 20 is led out of it in a gas-tight manner.
  • the expansion motor 18 is coupled to the electric motor generator 17 and, after starting, not only drives the crankshaft 5 or the displacement piston 2, but also can also alternatively and controllably generate electrical energy that can be stored.
  • the expansion motor 18 is not tied to the location of the thermomechanical converter, but can be connected to the control valve 19 or to the crankcase 16 by means of flexible high-pressure hoses via the releasable couplings 21, 22. It is also possible to operate several expanders of the same type in parallel, the speed of which is automatically set in accordance with the torque output. There are many possible applications in the areas of vehicle drives, mobile and stationary hoists, conveyor systems, etc.
  • the volume enclosed by the rear of the piston 24 and the housing 23 is filled, for example, with the fluid of the secondary circuit and is connected to the pressure vessel 26, in which the constant, adjustable compensation pressure p c prevails.
  • the extreme pressures p ' h and p' n in the secondary circuit are translated in comparison with those in the primary circuit in the ratio of the corresponding piston cross sections.

Abstract

A thermal engine is capable of producing mechanical power by absorbing high temperature heat and releasing low temperature heat. To this aim, a pressure cylinder (1) is divided by a displacement piston (2) into two working chambers (7, 8) which are connected together by a thermal collector (9), the cylinder and the collector being filled with high pressure gas or steam. One of the working chambers (8) is heated at a high temperature by the supply of heat, the other chamber having a low temperature due to a refrigeration effect. At least one of the working chambers (7) is connected by two non-return valves (12, 13), acting in opposite directions, with two pressure tanks (14, 15), and the two tanks under different pressures are connected by an expansion machine (16).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasverdichter, bei dem die Energiezufuhr mittels einer äußeren Verbrennung von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen erfolgt und diese in eine adäquate Kompressionsarbeit verwandelt wird. Es soll möglichst effektiv das gas- oder dampfförmige Arbeitsmedium in zwei Druckbehältern unterschiedlichen Druckes separiert werden,und dieses Druckpotential soll zur Erzeugung mechanischer Arbeit oder zum Betrieb einer Wärmepumpe bzw. einer Kältemaschine ausgenutzt werden. Im Gegensatz zum bekannten Stirling-Motor besteht der Gasverdichter aus dem thermomechanischen Konverter und einem separaten Expansionsmotor, in dem die durch den Konverter erzeugte Druckdifferenz in mechanische Arbeit verwandelt wird. Hierbei wird Hochdruckgas, vorzugsweise Helium oder Wasserstoff als Arbeitsmedium für den Druckkonverter und die an die Druckspeicher angeschlossene Kraft- oder Kältemaschine verwendet. Dies bringt für den praktischen Betrieb den Nachteil mit sich, daß bei hohen Arbeitsdrücken, die im Interesse eines geringen Leistungsgewichtes anzustreben sind, eine zuverlässige Abdichtung des Arbeitsmediums in Kraft- oder Kältemaschine unmöglich wird. Es sind ferner bislang keine gebräuchlichen Expansionsmaschinen bekannt, die einen Trockengasbetrieb erlauben.The invention relates to a gas compressor in which the energy is supplied by means of an external combustion of gaseous, liquid or solid fuels and this is converted into an adequate compression work. The gaseous or vaporous working medium should be separated as effectively as possible in two pressure vessels of different pressure, and this pressure potential should be used to generate mechanical work or to operate a heat pump or a refrigeration machine. In contrast to the known Stirling engine, the gas compressor consists of the thermomechanical converter and a separate expansion motor, in which the pressure difference generated by the converter is converted into mechanical work. High-pressure gas, preferably helium or hydrogen, is used as the working medium for the pressure converter and the power or cooling machine connected to the pressure accumulator. For practical operation, this has the disadvantage that at high working pressures, which are desirable in the interest of a low power-to-weight ratio, reliable sealing of the working medium in the engine or refrigerator becomes impossible. Furthermore, no conventional expansion machines are known so far that permit dry gas operation.

Die vorliegende Erfindung vermeidet beide Nachteile, indem zwischen thermomechanischem Konverter und dem Expansionsmotor bzw. der Kältemaschine eine Trennvorrichtung geschaltet wird, wodurch für die Druckerzeugung im Konverter und für die Expansionsvorrichtung verschiedene und unterschiedliche Arbeitsmedien angewandt werden können. Vorzugsweise werden im Konverter Heliumgas von hohem Druck und im Expansionskreis ein Gas-ölgemisch verwendet, das eine ölgeschmierte und druckdichte Expansionsmaschine anzuwenden erlaubt.The present invention avoids both disadvantages in that a separating device is connected between the thermomechanical converter and the expansion motor or the cooling machine, as a result of which different and different working media can be used for generating pressure in the converter and for the expansion device. Helium gas of high pressure is preferably used in the converter and a gas-oil mixture is used in the expansion circuit, which is an oil-lubricated and pressure-tight expan sion machine allowed to use.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

  • Fig. 1 eine schematische Ansicht des Gasverdichterss
  • Fig. 2 ein Diagramm des Druckverlaufs des Arbeitsgases;
  • Fig. 3 ein Diagramm des Volumendurchsatzes des thermomechanischen Konverters;
  • Fig. 4 eine Teilansicht einer geänderten Ausführungsform;
  • Fig. 5 eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsform.
The invention is explained in more detail with reference to exemplary embodiments shown in the drawing. The drawing shows:
  • Fig. 1 is a schematic view of the gas compressor
  • 2 shows a diagram of the pressure profile of the working gas;
  • 3 shows a diagram of the volume throughput of the thermomechanical converter;
  • Fig. 4 is a partial view of a modified embodiment;
  • Fig. 5 is a partial view of a further embodiment.

Der Gasverdichter besteht aus dem Arbeitszylinder 1, in dem der schlecht wärmeleitende Verdrängerkolben 2, der an der durch den Zylinderboden druckdicht geführten Kolbenstange 3 befestigt ist über eine Kreuzkopfführung sowie das Pleuel 4 von der Kurbelwelle 5 etwa sinusförmig zwischen oberen und unterem Totpunkt bewegt wird. Die zum Betrieb erforderliche Wärmeleistung wird dem Arbeitszylinder 1 über den Rippenwärmetauscher 6 im Inneren der Brennkammer 7 zugeführt. Zylinderkopf und der untere Zylinderraum 8 sind über den thermischen Regenerator 9, den Kühler 10 und besagten Rippenwärmetauscher 6 verbunden, so daß auf dem Verdrängerkolben 2 lediglich der Druckunterschied lastet, der durch die Störmungsverluste in den Wärmetauschern 6, 10 und im Regenerator 9 verursacht wird. Die thermische Isolation der auf hoher Temperatur (400 bis 800°C) befindlichen Teile ist in Fig.1 nur angedeutet; sie ist aber zu einem Teil für den bei der Umsetzung von Heiz- in Druckenergie erzielten Wirkungsgrad verantwortlich.The gas compressor consists of the working cylinder 1, in which the poorly heat-conducting displacement piston 2, which is attached to the piston rod 3, which is pressure-tightly guided through the cylinder base, is moved approximately sinusoidally between the top and bottom dead center by the crankshaft 5 and the connecting rod 4. The heat output required for operation is fed to the working cylinder 1 via the fin heat exchanger 6 inside the combustion chamber 7. The cylinder head and the lower cylinder chamber 8 are connected via the thermal regenerator 9, the cooler 10 and said finned heat exchanger 6, so that only the pressure difference, which is caused by the malfunction losses in the heat exchangers 6, 10 and in the regenerator 9, is loaded on the displacement piston 2. The thermal insulation of the high tem temperature (400 to 800 ° C) of the parts is in Fi g. 1 only hinted at; however, it is partly responsible for the efficiency achieved in converting heating energy into pressure energy.

Der untere Arbeitsraum 8 des Zylinders 1 ist mit dem Medienseparator verbunden, der in Fig. 1 als geteilter flacher Druckbehälter dargestellt ist, der aus zwei Kugelkalotten 11a, 11b besteht, die gasdicht durch die elastische Membran 12 getrennt sind. Die Kalotte 11b ist über die Rückschlagventile 13, 14 mit unterschiedlicher Durchströmrichtung mit dem Druckbehälter 15 bzw. mit dem druckdichten Kurbelgehäuse 16 verbunden, in dem der Elektromotor 17 für den Antrieb des Verdrängerkolbens angeordnet ist. Zwischen dem Hochdruckbehälter 15 und dem als Niederdruckbehälter fungierenden Kurbelgehäuse 16 ist der Expansionsmotor 18 geschaltet, dessen Mengenstrom durch das Regelventil 19 einzustellen ist.The lower working space 8 of the cylinder 1 is connected to the media separator, which is shown in FIG. 1 as a divided, flat pressure vessel, which consists of two spherical caps 11a, 11b, which are separated gas-tight by the elastic membrane 12. The calotte 11b is connected via the check valves 13, 14 with a different flow direction to the pressure vessel 15 or to the pressure-tight crankcase 16, in which the electric motor 17 for driving the displacement piston is arranged. The expansion motor 18 is connected between the high-pressure tank 15 and the crankcase 16 functioning as a low-pressure tank, the flow rate of which can be adjusted by the control valve 19.

Da die im Arbeitszylinder 1 und angeschlossenem Teilvolumen 11a des Hedienseparators enthaltene Gasmenge konstant ist, wird sich der darin einstellende Gasdruck periodisch ändern, wenn der Verdrängerkolben 2 zwischen den Totpunktlagen hin- und hergeschoben wird.Since the gas quantity contained in the working cylinder 1 and connected partial volume 11a of the hedging separator is constant, the gas pressure set therein will change periodically when the displacement piston 2 is pushed back and forth between the dead center positions.

In Fig. 2 ist der Druckverlauf im Arbeitsgas dargestellt für den Fall, daß im Druckbehälter 15 ein höherer Druck herrscht als dem Maximalwert im Arbeitszylinder entspricht und das Ventil 19 geschlossen ist. Die mit dem Kammervolumen 11b des Fluidseparators verbundenen Komponenten 15, 16 und 18 sind mit einem Gas-ölgemisch gefüllt; als Druckgas sind außer Helium oder Wasserstoff auch Stickstoff oder Kohlendioxid geeignet, da ihre kine- .matische Zähigkeit merklich größer und der Adiabatenexponent kleiner als bei Helium sind. Letzterer bewirkt eine geringere Temperaturabsenkung des Arbeitsmediums während der Entspannung im Expansionsmotor 18.2 shows the pressure curve in the working gas in the event that the pressure in the pressure vessel 15 is higher than the maximum value in the working cylinder and the valve 19 is closed. The components 15, 16 and 18 connected to the chamber volume 11b of the fluid separator are filled with a gas-oil mixture; In addition to helium or hydrogen, nitrogen or carbon dioxide are also suitable as pressurized gas, since their kinematic toughness is noticeably greater and the adiabatic exponent is smaller than that of helium. The latter causes a lower temperature drop in the working medium during expansion in the expansion motor 18.

Befindet sich der Verdrängerkolben 2 im unteren Totpunkt und damit die Hauptmenge des Arbeitsgases im oberen Zylinderabschnitt, so erreicht der Gasdruck seinen Maximalwert und wird das Kammervolumen 11b soweit zusammengepreßt, bis der Gasdruck im Zylinder 1 mit dem Druck ph im Behälter 15 übereinstimmt, das Rückschlagventil 14 bleibt währenddessen geschlossen. Bei der Aufwärtsbewegung des Verdrängerkolbens 2 nimmt der Gasdruck ab und wird nach Erreichen des im Kurbelgehäuse 16 herrschende Druckes pn das Ventil geöffnet und das Gas-ölgemisch in die Kammer 11b gesaugt; die Membran 12 liegt im Extremfall an der Innenwand von 11a an.If the displacement piston 2 is at the bottom dead center and thus the main amount of the working gas in the upper cylinder section, the gas pressure reaches its maximum value and the chamber volume 11b is compressed until the gas pressure in the cylinder 1 matches the pressure p h in the container 15, the check valve 14 remains closed during this time. When the displacer 2 moves upward, the gas pressure decreases and, after the pressure p n prevailing in the crankcase 16 is reached, the valve is opened and the gas / oil mixture is sucked into the chamber 11b; in extreme cases the membrane 12 lies against the inner wall of FIG. 11a.

Bei geöffnetem Ventil 19 wird dem Expansionsmotor 18 das Gas-ölgemisch mit dem Druck ph zugeführt und verläßt diesen mit dem Druck p . Bezeichnet man den durchgesetzten Volumenstrom mit V (m3/s), so beträgt die im Expander erzeugte mechanische Leistung

Figure imgb0001
wenn dieser das Druckgefälle Δp = Ph - pn verarbeitet.When the valve 19 is open, the expansion motor 18 is supplied with the gas-oil mixture at the pressure p h and leaves it at the pressure p. If you designate the volume flow with V (m 3 / s), the mechanical power generated in the expander is
Figure imgb0001
 if this processes the pressure drop Δp = Ph - p n .

Bei großem Volumendurchsatz wird sich das Druckgefälle im Konverter verringern, wie aus dem gestrichelten Druckverlauf in Fig. 2 der über dem Kurbelwinkel φ aufgetragen ist, hervorgeht. Beim Kurbelwinkel φh öffnet sich das Ventil 13 und wird während der Phase φh<φ<2 Π das Kammervolumen 11b des Fluidseparators in den Hochdruckbehälter 15 gepumpt. Während der Aufwärtsbewegung des Verdrängers 2 sinkt der Gasdruck und erreicht beim Phasenwinkel φn den im Kurbelgehäuse 16 herrschenden Druck pn. Zwischen φn<φ<Π bleibt das Ventil 14 geöffnet und wird Gas-ölgemisch in die Kammer 11b gesaugt. Mit zunehmendem Volumenstrom V , d.h. mit wachsender Drehzahl n des Expanders 18 nimmt die Druckdifferenz (Ph-Pn) ab, da sich die Öffnungswinkel φn bzw. φh nach kleineren Kurbelwinkeln verlagern.With a large volume throughput, the pressure drop in the converter will decrease, as can be seen from the dashed pressure curve in FIG. 2, which is plotted over the crank angle φ. At the crank angle φ h , the valve 13 opens and the chamber volume 11 b of the fluid separator is pumped into the high-pressure container 15 during the phase φ h <φ <2 Π. During the upward movement of the displacer 2 decreases, the gas pressure, and reaches at the phase angle φ n prevailing in the crankcase 16 pressure p n. Between φ n <φ <Π, valve 14 remains open and gas-oil mixture is sucked into chamber 11b. With increasing volume flow V, ie with increasing speed n of the expander 18, the pressure difference ( Ph - Pn ) decreases because the opening angles φ n and φ h shift towards smaller crank angles.

Aus dem angeführten Zusammenhang resultiert zwischen 4p und V: Für V=0, d.h. im Stillstand des Expansionsmotors, wirdap und damit das erzeugte Drehmoment seinen Höchstwert erreichen. Nimmt die zu V proportionale Drehzahl zu, so nimmt zwar Δp ab, doch erreicht das Produkt Δp.V=P (Leistung) einen Maximalwert, der bei hohen Drehzahlen wieder abnimmt. In Fig. 3 sind über dem Volumendurchsatz V des thermomechanischen Konverters bzw. über der Drehzahl des Expanders 18 Drehmoment D und Leistung P aufgetragen. Die Leistungscharakteristik der Maschine, die aus Konverter und Expansionsmotor besteht, entspricht der eines Hauptschluß-Elektromotors; bei der Anwendung für den Antrieb eines Fahrzeuges erübrigen sich daher die Kupplungsvorrichtung und ein Schaltgetriebe.The relationship between 4 p and V results from this: For V = 0, ie when the expansion motor is at a standstill, ap and thus the torque generated will reach its maximum value. If the speed proportional to V increases, then Δp decreases, but the product Δp.V = P (power) reaches a maximum value, which decreases again at high speeds. 3, torque D and power P are plotted over the volume throughput V of the thermomechanical converter or over the speed of the expander 18. The performance of the machine, which consists of a converter and expansion motor, corresponds to that of a main-circuit electric motor; in the application for driving a vehicle, the coupling device and a manual transmission are therefore unnecessary.

Im Primärkreis, d.h. im Arbeitszylinder 1 mit angeschlossenen Wärmetauschern 7, 9 und Regenerator 8 findet anstelle von Helium- oder Wasserstoffgas der überhitzte Dampf einer kondensierbaren Substanz, z.B. Propylen, fluorierte Kohlenwasserstoffe,Anwendungp Der Vorteil dieser im Bereich der Sattdampfzustände stark vom idealen Gasverhalten abweichenden Stoffe besteht für den Primärkreis darin, daß für dasselbe Druckverhältnis ph/ pn eine niedrigere Heiztemperatur T2 für den Wärmetauscher 6(Fig. 1) angewandt werden kann und dadurch Wärmeleitungs- und Abstrahlverluste des Zylinders 1 verringert werden.In the primary circuit, i.e. in the working cylinder 1 with connected heat exchangers 7, 9 and regenerator 8, instead of helium or hydrogen gas, the superheated steam of a condensable substance, for example propylene, fluorinated hydrocarbons, is used. The advantage of these substances in the area of saturated steam states that deviate greatly from the ideal gas behavior for the primary circuit is that for the same pressure ratio p h / p n a lower heating temperature T 2 can be used for the heat exchanger 6 (FIG. 1) and thereby heat conduction and radiation losses of the cylinder 1 can be reduced.

Im Sekundärkreis des Fluidseparators, der neben den Druckpuffern den Expansionsmotor oder eine Wärmemaschine enthält, kann ein beliebiges Arbeitsmedium benutzt werden. Als solches bietet ein Gemisch aus Stickstoff oder Kohlendioxid und Mineralöl den Vorteil, daß eine relativ hohe Arbeitsfrequenz in Wandler und Separator angewandt werden kann und für den Sekundärkreis die unabdingbare Schmierung und Abdichtung des Expansionsmotors gewährleistet wird. Gleichzeitig verringert sich mit einem mehratomigen Arbeitsmedium im Sekundärkreis wegen des kleineren Adiabatenexponenten die beim Kompressionstakt im Separator entstehende Temperaturerhöhung und die bei der arbeitsleistenden Entspannung im motor auftretende Temperaturerniedrigung. Letztere kann dazu genutzt werden, um mit Hilfe eines zusätzlichen Wärmetauschers die im Kühler 10 abzuführende Wärmeleistung zu verringern.Any working medium can be used in the secondary circuit of the fluid separator, which contains the expansion motor or a heating machine in addition to the pressure buffers will. As such, a mixture of nitrogen or carbon dioxide and mineral oil has the advantage that a relatively high operating frequency can be used in the converter and separator and the essential lubrication and sealing of the expansion motor is ensured for the secondary circuit. At the same time, with a multi-atomic working medium in the secondary circuit, because of the smaller adiabatic exponent, the temperature increase that occurs in the separator during the compression cycle and the temperature decrease that occurs in the engine during work relaxation occurs. The latter can be used to reduce the heat output to be dissipated in the cooler 10 with the aid of an additional heat exchanger.

Im Sekundärkreis wird anstelle des Kurbelgehäuses 16 ein zweiter Druckbehälter an das Rückschlagventil 14 angeschlossen, in den das expandierte Arbeitsmedium aus dem Expander 18 vom Druck p strömt. Da die gebräuchlichen Expansionsmotoren bei Umkehr der Drehrichtung als Pumpe wirken, kann diese Eigenschaft zusammen mit besagten Druckspeichern dazu benutzt werden, um bei einem von einem solchen Expansionsmotor angetriebenen Fahrzeug die während des Bremsvorganges entstehende Bremsenergie zu speichern. Hierzu werden erfindungsgemäß die zum Expander führenden Gasleitungen mit Hilfe eines besonderen Umschaltventils vertauscht.In the secondary circuit, instead of the crankcase 16, a second pressure vessel is connected to the check valve 14, into which the expanded working medium flows from the expander 18 at the pressure p. Since the conventional expansion motors act as a pump when the direction of rotation is reversed, this property can be used together with said pressure accumulators to store the braking energy generated during the braking process in a vehicle driven by such an expansion motor. For this purpose, according to the invention, the gas lines leading to the expander are exchanged with the aid of a special changeover valve.

In einer weiteren konstruktiven Ausführung,die vereinfacht in Fig. 4 dargestellt ist, befindet sich auch der Expansionsmotor 18 im Kurbelgehäuse 16. Seine Abtriebsachse 20 ist gasdicht aus diesem herausgeführt. Der Expansionsmotor 18 ist an den elektrischen Motor-Generator 17 gekuppelt und treibt nach dem Anlassen nicht nur die Kurbelwelle 5 bzw. den Verdrängerkolben 2 an, sondern kann auch alternativ und regelbar elektrische Energie erzeugen, die gespeichert werden kann.In a further design, which is shown in simplified form in FIG. 4, the expansion motor 18 is also located in the crankcase 16. Its output axis 20 is led out of it in a gas-tight manner. The expansion motor 18 is coupled to the electric motor generator 17 and, after starting, not only drives the crankshaft 5 or the displacement piston 2, but also can also alternatively and controllably generate electrical energy that can be stored.

Der Expansionsmotor 18 ist nicht an den Standort des thermomechanischen Konverters gebunden, sondern kann mittels flexibler Hochdruckschläuche über die lösbaren Kupplungen 21, 22 an das Regelventil 19 bzw. an das Kurbelgehäuse 16 angeschlossen werden. Ferner ist auch der Parallelbetrieb mehrerer gleichartiger Expander möglich, deren Drehzahl sich selbsttätig entsprechend dem abgegebenen Drehmoment einstellt. Es ergeben sich vielseitige Anwendungsmöglichkeiten auf den Gebieten des Fahrzeugantriebes, der fahrbaren und stationären Hebezeuge, der Förderanlagen u.a..The expansion motor 18 is not tied to the location of the thermomechanical converter, but can be connected to the control valve 19 or to the crankcase 16 by means of flexible high-pressure hoses via the releasable couplings 21, 22. It is also possible to operate several expanders of the same type in parallel, the speed of which is automatically set in accordance with the torque output. There are many possible applications in the areas of vehicle drives, mobile and stationary hoists, conveyor systems, etc.

Die Leistungsfähigkeit und Abmessungen dieser neuartigen Wärmekraftmaschine läßt sich aus theoretischen überlegungen und praktischen Ergebnissen ableiten: Mit einem Hubvolumen von 1 dm , einer Heiztemperatur T2=500°C, einem Maximaldruck ph=900 bar beträgt bei einer Drehzahl von 1500 1/min die theoretische mechanische Leistung etwa 25 kW; praktisch wird dieser Wert durch den Wirkungsgrad des Konverters und des Expansionsmotors nur zu etwa 65% erreicht.The performance and dimensions of this new type of heat engine can be derived from theoretical considerations and practical results: With a stroke volume of 1 dm, a heating temperature T 2 = 500 ° C, a maximum pressure p h = 900 bar at a speed of 1500 1 / min theoretical mechanical power about 25 kW; In practice, this value is only reached by about 65% by the efficiency of the converter and the expansion motor.

Größere Leistungen werden als Mehrzylindermaschinen ausgeführt; die gegenseitige Ausrichtung der Zylinder und die Phasenlage der Verdrängerkolben werden zweckmäßig derart gewählt, daß a) sich die freien Massenkräfte kompensieren, b) die unteren Arbeitsräume 8 der Zylinder mit gleichphasig arbeitenden Verdrängerkolben mit der Gasseite 11a eines gemeinsamen Fluidseparators verbunden, und c) die Hochtemperaturwärmetauscher 6 aller Arbeitszylinder in einer gemeinsamen Brennkammer angeordnet sind. Eine spezielle Konstruktion des Fluidseparators, die den in Fig. 1 gezeigten im Vorteil dann ersetzt, wenn die mittleren Arbeitsdrücke im Primär- und Sekundärkreis verschieden sein sollen, ist in Fig. 5 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in dem druckfestem Gehäuse 23 mit den Rückschlagventilen 13, 14 der Differentialkolben 24, 25 zwischen den Endlagern frei verschiebbar. . Das von der Rückseite des Kolbens 24 und dem Gehäuse 23 eingeschlossene Volumen ist z.B. mit dem Fluid des Sekundärkreises gefüllt und wird mit dem Druckbehälter 26 verbunden, in dem der konstante, einstellbare Kompensationsdruck pc herrscht. Die Extremdrücke p'h und p'n im Sekundärkreis werden im Vergleich zu denen im Primärkreis im Verhältnis der entsprechenden Kolbenquerschnitte übersetzt. Durch Wahl des passenden Kompensationsdruckes pc lassen sich die in Fig. 2 eingetragenen Drücke nach unten verschieben und kann der Minimaldruck Pmin etwa zu Null kompensiert werden.Larger outputs are carried out as multi-cylinder machines; the mutual alignment of the cylinders and the phase position of the displacement pistons are expediently chosen such that a) the free mass forces compensate, b) the lower working spaces 8 of the cylinders are connected with displacement pistons operating in phase to the gas side 11a of a common fluid separator, and c) the high-temperature heat exchanger 6 of all working cylinders are arranged in a common combustion chamber. A special construction of the fluid separator, which advantageously replaces the one shown in FIG. 1 when the mean working pressures in the primary and secondary circuits are to be different, is shown in FIG. 5. In this embodiment, the differential piston 24, 25 can be freely moved between the end bearings in the pressure-resistant housing 23 with the check valves 13, 14. . The volume enclosed by the rear of the piston 24 and the housing 23 is filled, for example, with the fluid of the secondary circuit and is connected to the pressure vessel 26, in which the constant, adjustable compensation pressure p c prevails. The extreme pressures p ' h and p' n in the secondary circuit are translated in comparison with those in the primary circuit in the ratio of the corresponding piston cross sections. By selecting the appropriate compensation pressure p c , the pressures shown in FIG. 2 can be shifted downward and the minimum pressure P min can be compensated for approximately to zero.

Es lassen sich im Vergleich zur konventionellen Wärmekraftmaschine folgende Vorteile herausstellen:

  • 1) Die beschriebene Wärmekraftmaschine wird durch äußere Zufuhr von thermischer Energie betrieben, wobei als Primärenergieträger flüssige, gasförmige und feste Brennstoffe genutzt werden können. Die bei ihrer Verbrennung auftretenden relativ niedrigen Betriebstemperaturen von maximal 800 C ergeben im Vergleich zum herkömmlichen Otto- oder Dieselmotor nur etwa ein Zehntel der Schadstoffemission an Stickoxiden und Kohlenmonoxid.
  • 2) Der in der beschriebenen Wärmekraftmaschine ablaufende Arbeitsprozeß spielt sich in einem kleinen Druckverhältnis von etwa 1:2 ab, wobei die wenigen beweglichen Teile,wie Verdrängerkolben,nur gegen geringe dynamische Druckdifferenzen abgedichter zu werden brauchen, was sich in einer langen Lebensdauer und hoher Betriebssicherheit niederschlägt.
  • 3) Während im Primärkreis vorzugsweise inertes Helium unter hohem Druck angewandt wird, werden im angekoppelten Sekundärkreis für den Betrieb des oder der Expansionsmotoren passende Gas-ölgemische als Arbeitsmedium benutzt, welche eine zusätzliche Dicht-und Schmierfunktion erfüllen.
  • 4) Bei der Anwendung auf den Fahrzeugantrieb läßt sich auf einfachste Art der Einzelradantrieb realisieren, da die Expansionsmotoren über flexible Druckschläuche an die gemeinsamen Druckbehälter angeschlossen werden. Durch Vertauschen von Zu- und Rückleitung der einzelnen Motoren mit Hilfe herkömmlicher Umschaltventile kann die Bremsenergie als Druckenergie in den Druckbehältern gespeichert werden.
The following advantages can be highlighted in comparison to conventional heat engines:
  • 1) The described heat engine is operated by external supply of thermal energy, whereby liquid, gaseous and solid fuels can be used as primary energy sources. The relatively low operating temperatures of a maximum of 800 C that occur during combustion result in only about a tenth of the pollutant emissions of nitrogen oxides and carbon monoxide compared to conventional gasoline or diesel engines.
  • 2) The working process running in the described heat engine takes place in a small pressure ratio of about 1: 2, the few moving parts, such as displacement pistons, being sealed only against small dynamic pressure differences need what is reflected in a long service life and high operational reliability.
  • 3) While inert helium under high pressure is preferably used in the primary circuit, suitable gas-oil mixtures are used as the working medium in the coupled secondary circuit for the operation of the expansion engine (s), which fulfill an additional sealing and lubricating function.
  • 4) When applied to the vehicle drive, the single-wheel drive can be realized in the simplest way, since the expansion motors are connected to the common pressure vessels via flexible pressure hoses. By swapping the supply and return lines of the individual motors with the help of conventional switch valves, the braking energy can be stored as pressure energy in the pressure vessels.

Claims (10)

1. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter, bei dem das gasförmige Arbeitsmedium in einem Arbeitszylinder mit parallel geschaltetem thermischen Regenerator eingeschlossen ist und abwechselnd durch Wäxmezufuhr im Heißteil des Arbeitszylinders auf hohe Temperatur, in seinem Kaltteil mittels eines Kühlers auf tiefere Temperatur gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltteil (8) des Arbeitszylinders (1) mit einer Kammer (11a) eines durch eine verschiebbare, jedoch gasdichte Wand (12) abgeteilten, zwei Kammern enthaltenden Fluidseparators kommuniziert, während die zweite Kammer (11b) über zwei Rückschlagventile (13, 14) mit unterschiedlicher Durchströmrichtung mit zwei Druckbehältern (15, 16) verbunden ist, die mit einem gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmedium gefüllt sind.1. A gas compressor operated directly by supplying heat, in which the gaseous working medium is enclosed in a working cylinder with a thermal regenerator connected in parallel and is alternately brought to a high temperature by supplying heat in the hot part of the working cylinder, to a lower temperature in its cold part by means of a cooler, characterized in that that the cold part (8) of the working cylinder (1) communicates with a chamber (11a) of a fluid separator which is divided by a movable but gas-tight wall (12) and contains two chambers, while the second chamber (11b) communicates via two check valves (13, 14 ) with a different flow direction is connected to two pressure vessels (15, 16) which are filled with a gaseous or liquid working medium. 2. Gasverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidseparator aus einem geteilten, druckfesten Gehäuse besteht, dessen Hälften (11a, 11b) innen die Form von Kugelkalotten besitzen und durch eine Membran (12) aus metallischem oder gummielastischem Werkstoff gasdicht getrennt sind.2. Gas compressor according to claim 1, characterized in that the fluid separator consists of a divided, pressure-resistant housing, the halves (11a, 11b) inside have the shape of spherical caps and are separated gas-tight by a membrane (12) made of metallic or rubber-elastic material. 3. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbehälter (15, 16) auf unterschiedlichem Druck gehalten werden und mit einem oder mehreren parallel arbeitenden Expansionsmotoren (18) verbunden sind, welche mechanische Arbeit leisten.3. Gas compressor according to claims 1 and 2, characterized in that the pressure vessels (15, 16) are kept at different pressures and are connected to one or more expansion motors (18) working in parallel, which perform mechanical work. 4. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium im aus zweiter Kammer (11b) und den Druckbehältern (15, 16) bestehenden Sekundärkreis ein Gas-ölgemisch verwendet wird.4. Gas compressor according to claims 1 to 3, characterized in that a gas-oil mixture is used as the working medium in the secondary circuit consisting of the second chamber (11b) and the pressure vessels (15, 16). 5. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (5) für den Antrieb des Verdrängerkolbens (2), von einem elektrischen Motor-Generator (17) angetrieben wird, der im druckdichten Kurbelgehäuse (16) angeordnet ist und seinerseits mit einem Expansionsmotor (18) gekuppelt ist, der an die Druckbehälter (15, 16) angeschlossen ist und dessen Abtriebswelle (20) druckdicht aus dem Kurbelgehäuse geführt wird.5. Gas compressor according to claims 1 to 4, characterized in that the crankshaft (5) for driving the displacement piston (2) is driven by an electric motor generator (17) which is arranged in the pressure-tight crankcase (16) and is in turn coupled to an expansion motor (18) which is connected to the pressure vessels (15, 16) and whose output shaft (20) is guided pressure-tight out of the crankcase. 6. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurbelgehäuse (16) druckfest und -dicht ausgeführt ist und als einer der Druckbehälter dient.6. Gas compressor according to claims 1 to 5, characterized in that the crankcase (16) is designed pressure-tight and tight and serves as one of the pressure vessels. 7. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidseparator aus einem Differentialkolben (24, 25) in einem druckfesten Gehäuse (23) besteht und drei veränderliche, voneinander abhängige Volumina abschließt, die mit dem Kaltteil (8) des Arbeitszylinders (1), mit den Druckbehältern (15, 16) über zwei Rückschlagventile (13, 14) und mit einem weiteren Druckbehälter (26) verbunden sind, der das Arbeitsmedium von Primär- oder Sekundärkreis bei einstellbarem Druck enthält.7. Gas compressor according to claims 1 to 6, characterized in that the fluid separator consists of a differential piston (24, 25) in a pressure-resistant housing (23) and closes three variable, interdependent volumes, which with the cold part (8) of the working cylinder (1), with the pressure vessels (15, 16) via two check valves (13, 14) and with a further pressure vessel (26) which contains the working medium of the primary or secondary circuit at adjustable pressure. 8. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus mehreren Arbeitszylindern (1) besteht, deren Achsenrichtung und gegenseitige Phasenlage der Verdrängerkolben (2) derart gewählt sind, daß die freien Massenkräfte weitgehend aufgehoben werden.8. Gas compressor according to claims 1 to 7, characterized in that it consists of several working cylinders (1), the axial direction and counter-direction term phase position of the displacer (2) are chosen such that the free mass forces are largely canceled. 9. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltvolumina (8) der Zylinder (1) mit gleichphasig arbeitenden Verdrängerkolben (2) mit der Gasseite (11a) eines gemeinsamen Fluidseparators verbunden sind und zur Beheizung aller Zylinder getrennte Hochtemperaturaustauscher in einer gemeinsamen Brennerkammer vorgesehen sind.9. Gas compressor according to claims 1 to 8, characterized in that the cold volumes (8) of the cylinders (1) with in-phase displacement pistons (2) with the gas side (11 a) of a common fluid separator and for heating all cylinders separate high-temperature exchanger in a common burner chamber are provided. 10. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Primärkreis des Verdichters als Arbeitsmedium der überhitzte Dampf einer kondensierbaren Substanz, wie z.B. Propylen oder fluorierte Kohlenwasserstoffe, angewandt wird.10. Gas compressor according to claims 1 to 9, characterized in that in the primary circuit of the compressor as the working medium, the superheated steam of a condensable substance, such as e.g. Propylene or fluorinated hydrocarbons is used.
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