EP1954917A1 - Flügelzellenmaschine und verfahren zur abwärmenutzung unter verwendung von flügelzellenmaschinen - Google Patents

Flügelzellenmaschine und verfahren zur abwärmenutzung unter verwendung von flügelzellenmaschinen

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EP1954917A1
EP1954917A1 EP05820489A EP05820489A EP1954917A1 EP 1954917 A1 EP1954917 A1 EP 1954917A1 EP 05820489 A EP05820489 A EP 05820489A EP 05820489 A EP05820489 A EP 05820489A EP 1954917 A1 EP1954917 A1 EP 1954917A1
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EP
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housing
rügeizellenmaschine
shaft
pressure
exhaust gas
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Withdrawn
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EP05820489A
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Michael Stegmair
Daniel Stegmair
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Original Assignee
Individual
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenmaschine (100) . Das Gehäuse (101) hat einen weitgehend zylindrischen Raum zur Aufnahme der Fügelzellen (102 - 113) sowie eine Einlassöffnung (114) und eine Auslassöffnung (115) . In dem Gehäuse ist eine Welle (116) exzentrisch angeordnet. Auf der Welle sind eine erste und eine zweite weitgehend parallel zueinander angeordnete Führungsplatte (117) vorgesehen. Von den Führungsplatten werden weitgehend radial zur Welle (116) in Richtung auf die innere Wand (118) des Gehäuses (101) verschiebbare Schieber (119 - 129) geführt, wobei jeweils unter Beteiligung von zwei benachbarten Schiebern (119, 120; 120, 121; ...) des angrenzenden Bereichs der inneren Wand (118) des Gehäuses eine Flügelzelle (102 - 113) gebildet ist und sich das Volumen der Flügelzellen im Bereich der Einlassöffnung (114) von dem Volumen der Flügelzellen im Bereich der Auslassöffnung (115) unterscheidet. Zur Erhöhung der Drehzahl der Welle (116) und der Temperatur des eingesetzten Mediums und damit zur Erhöhung des Wirkungsgrades wird vorgeschlagen, dass die Schieber (119 - 129) bevorzugt druckölgeschmiert und durch eine Führungsbahn (130) radial und axial geführt sind, und dass die Führungsbahn in Bezug auf das Gehäuse (101) ortsfest ist und ebenfalls bevorzugt druckölgeschmiert wird.

Description

Description
Flügelzellenmaschine und Verfahren zur Abwärmenutzung unter Verwendung von Flügelzellenmaschinen
[1] Beschreibung
[2] Die Erfindung betrifft eine Rügeizellenmaschine zur Expansion oder Kompression von gasförmigen Medien, wie Luft, Abgasen einer Verbrennungsmaschine, dampfförmigen Medien oder einer Mischung hieraus, sowie ein Verfahren zur Nutzung von Abwärme, bevorzugt unter Verwendung von mindestens einer Rügeizellenmaschine.
[3] Aus der DE 201 17 224 Ul ist eine Rügeizellenmaschine bekannt. Um den Expansionsverlauf thermischen Anforderungen besser anpassen zu können und um ein Rügeizellenmaschine mit niedrigen Herstellungskosten herstellen zu können, wird eine Rügeizellenmaschine mit Rügeizelleneinheiten vorgeschlagen, die in Drehrichtung sich vergrößernde und verkleinernde Zellvolumina aufweist.
[4] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine zuverlässige und effiziente
Rügeizellenmaschine und ein ebensolches Verfahren zur Nutzung von Abwärme anzugeben.
[5] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des betreffenden unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[6] Die erfindungsgemäße Rügeizellenmaschine dient der Expansion oder
Kompression von gasförmigen Medien, wie insbesondere Luft, Abgasen einer Verbrennungsmaschine mit einer Temperatur von bis zu 500° C, dampfförmigen Medien oder einer Mischung hieraus. Die Rügeizellenmaschine weist ein Gehäuse auf, das einen weitgehend zylindrischen Raum oder einen Raum mit nicht konstantem Radius zur Aufnahme der Rügelzellen der Rügeizellenmaschine sowie eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung in dem Raum hat. In dem Gehäuse ist eine Welle exzentrisch angeordnet. Auf der Welle sind eine erste und eine zweite weitgehend parallel zueinander angeordnete Führungsplatte vorgesehen. Von den Führungsplatten sind weitgehend radial zur Welle in Richtung auf die innere Wand des Gehäuses hin verschiebbare Schieber geführt. Unter Beteiligung von jeweils zwei benachbarten Schiebern und des angrenzenden Bereichs der inneren Wand des Gehäuses ist eine Rügelzelle gebildet. Das Volumen der Rügelzellen im Bereich der Einlassöffnung unterscheidet sich von dem Volumen der Rügelzellen im Bereich der Auslassöffnung. Erfindungsgemäß werden die radial in Richtung auf die innere Wand des Gehäuses hin verschiebbaren Schieber bevorzugt druckölgeschmiert und durch eine Führungsbahn radial und axial geführt. Die Führungsbahn ist in Bezug auf das Gehäuse ortsfest gestaltet und ebenfalls bevorzugt drackölgeschmiert.
[7] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine erste und/oder zweite umlaufende Führungsbahn vorgesehen. Diese Führungsbahn bzw. diese Führungsbahnen begrenzen die Bewegung der radial in Richtung auf die innere Wand des Gehäuses hin verschiebbaren Schieber jeweils derart, dass der Schieber bzw. die der inneren Wand des Gehäuses zugewandte Seite des Schiebers, d.h. die Stirnfläche des Schiebers, sich weitgehend berührungsfrei entlang seiner gesamten Bewegungsbahn an der inneren Wand des Gehäuses vorbeibewegt.
[8] Die erfindungsgemäße Rügeizellenmaschine dient der Expansion oder
Kompression von gasförmigen Medien, wie insbesondere Luft, Abgasen einer Verbrennungsmaschine mit einer Temperatur von bis zu 500° C, dampfförmigen Medien oder einer Mischung hieraus. Die Flügelzellenmaschine weist ein Gehäuse auf, das einen weitgehend zylindrischen Raum oder einen Raum mit nicht konstantem Radius zur Aufnahme der Flügelzellen der Rügeizellenmaschine sowie eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung in dem Raum hat. In dem Gehäuse ist eine Welle exzentrisch angeordnet. Auf der Welle sind eine erste und eine zweite weitgehend parallel zueinander angeordnete Führungsplatte vorgesehen. Von den Führungsplatten sind weitgehend radial zur Welle in Richtung auf die innere Wand des Gehäuses hin verschiebbare Schieber geführt. Unter Beteiligung von jeweils zwei benachbarten Schiebern und des angrenzenden Bereichs der inneren Wand des Gehäuses ist eine Rügelzelle gebildet. Das Volumen der Rügelzellen im Bereich der Einlassöffnung unterscheidet sich von dem Volumen der Rügelzellen im Bereich der Auslassöffnung. Erfindungsgemäß werden die radial in Richtung auf die innere Wand des Gehäuses hin verschiebbaren Schieber bevorzugt druckölgeschmiert und durch eine Führungsbahn radial und axial geführt. Die Führungsbahn ist in Bezug auf das Gehäuse ortsfest gestaltet und ebenfalls bevorzugt druckölgeschmiert.
[9] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine erste und/oder zweite umlaufende Führungsbahn vorgesehen. Diese Führungsbahn bzw. diese Führungsbahnen begrenzen die Bewegung der radial in Richtung auf die innere Wand des Gehäuses hin verschiebbaren Schieber jeweils derart, dass der Schieber bzw. die der inneren Wand des Gehäuses zugewandte Seite des Schiebers, d.h. die Stirnfläche des Schiebers, sich weitgehend berührungsfrei entlang seiner gesamten Bewegungsbahn an der inneren Wand des Gehäuses vorbeibewegt.
[10] Diese berührungsfreie Bewegung wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung durch ein nicht-zylindrisches Gehäuse und eine kreisförmige Führungsbahn oder durch ein zylindrisches Gehäuse und eine nicht-kreisförmige Führungsbahn oder durch eine spezielle Form des Gehäuses und der Führungsbahn erreicht.
[11] Für den Fall eines nicht-zylindrischen Gehäuse und einer kreisförmigen Führungsbahn sind folgende Gleichungen numerisch nach R zu lösen, um zu einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zu gelangen:
[12]
L \ I + Jr 2 ~ a 2 sm 2f #>+ arcsin — t
2 L i L 1 2 2 2( ^ o - α cos \ φ- arcsin — + !/• - a sin ύ?- arcsin — A
[13] Der größere Wert der beiden Gleichungen wird für die bevorzugte Konstruktion benutzt.
[14] Hierbei gelten folgende Abkürzungen: [15] x: Der Abstand von der Rotationsachse der Welle zur Wand des Gehäuses [16] t: Die Breite der Schieber an der Stirnseite [17] b: Der Abstand vom Mittelpunkt der Führungszapfen der Schieber (140 - 151) zur Stirnseite der Schieber
[18] a: Der Abstand zwischen der Rotationsachse der Welle und dem Mittelpunkt der kreisförmigen Führungsbahn [19] φ
: Der Winkel zwischen der Linie x und der Geraden durch den Mittelpunkt des Rotors und der Stelle minimalen Abstandes zwischen der Welle und dem Gehäuse
[20] r: Der Radius der Führungsbahn [21] Für den Fall eines zylindrischen Gehäuses und einer nicht-kreisförmigen Führungsbahn gelten bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung folgende Beziehungen:
[22]
für
Q ≤ φ≤π
[23]
für π≤ φ≤ lπ [24] Im Folgenden die Erklärung der Abkürzungen:
[25] y: Der Abstand von der Rotationsachse der Welle zur Mitte der Führungsbahn
[26] R: Der Radius des zylindrischen Gehäuses
[27] e: Der Abstand zwischen der Rotationsachse der Welle und dem Mittelpunkt des zylindrischen Gehäuses
[28] t: Die Breite der Schieber an der Stirnseite [29] φ
: Der Winkel zwischen der Linie y und der Geraden durch den Mittelpunkt des Rotors und der Stelle minimalen Abstandes zwischen der Welle und dem Gehäuse
[30] b: Der Abstand vom Mittelpunkt der Führungszapfen der Schieber zur Stirnseite der Schieber
[31] Die erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem zylindrischen Gehäuse und einer nicht-kreisförmigen Führungsbahn wird besonders bevorzugt.
[32] Aufgrund des fehlenden mechanischen Kontakts durch die erfindungsgemäßen
Maßnahmen findet praktisch keine Reibung zwischen der Stirnfläche jedes Schiebers und der inneren Wand des Gehäuses statt. Hierdurch wird die Lebensdauer und der Wirkungsgrad ggü. reibungsbehafteten Rügeizellenmaschinen deutlich erhöht. Aufgrund des fehlenden mechanischen Kontakts dreht sich das Rügelrad bzw. die Rügelzellen der erfindungsgemäßen Rügeizellenmaschine bereits bei einem deutlich niedrigeren Differenzdruck zwischen Einlassöffnung und Auslassöffnung. Dadurch ermöglicht die erfindungsgemäße Rügeizellenmaschine die Verwendung von Energie- Ressourcen mit kleinen Druckdifferenzen gegenüber dem Umgebungsdruck, die früher mit einer herkömmlichen Rügeizellenmaschine nicht verwertet werden konnten. Der Druckausgleich zwischen den Zellen der Rügeizellenmaschine über den geringen Spalt zwischen der Stirnfläche jedes Schiebers und der inneren Wand des Gehäuses fällt kaum ins Gewicht.
[33] Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine mit der ersten
Führungsbahn versehene erste Führungsbahnplatte vorgesehen, die weitgehend parallel zur ersten sich mit der Welle drehenden Führungsplatte ist. Die erste Führungsbahnplatte ist drehfest in Bezug auf das Gehäuse angeordnet.
[34] Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine mit der zweiten Führungsbahn versehene zweite Führungsbahnplatte vorgesehen, die weitgehend parallel zur zweiten sich mit der Welle drehenden Führungsplatte ist. Die zweite Führungsbahnplatte ist drehfest in Bezug auf das Gehäuse angeordnet.
[35] Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen kann ein kompakter Aufbau der
Rügelzellenmaschine und dennoch eine präzise, und in Bezug auf die Innenwand des Gehäuses berührungsfreie Führung der Schieber der Rügelzellenmaschine erreicht werden. Beide Führungsbahnplatten lassen sich präzise zueinander justieren. Das Ergebnis ist eine verkantungsfreie radiale Bewegung der Schieber. Die erste und ggf. auch die zweite Führungsbahn ist bevorzugt dergestalt in der betreffenden Führungsbahnplatte vorgesehen, dass der Abstand der Stirnflächen der radial beweglichen Schieber zur Innenwand des Gehäuses im Betrieb der Rügeizellenmaschine weitgehend konstant bleibt. Ebenso kann die erste und ggf. zweite Führungsbahn derart an die exzentrische Anordnung der Welle im Gehäuse angepasst sein, dass der Abstand der Stirnfläche der Schieber zur inneren Wand des Gehäuses bei der Drehbewegung der Flügelzellen und damit einhergehendem zunehmendem Druck abnimmt, d.h. mit zunehmendem Druck werden benachbarte Rügelzellen besser gegeneinander abgetrennt bzw. abgedichtet. Die wirkt sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad der Rügeizellenmaschine aus.
[36] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und/oder zweite Führungsbahnplatte mit dem Gehäuse verschraubt ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass die erste und/oder die zweite Führungsbahnplatte die erste und/oder die zweite Stirnfläche des Gehäuses bilden.
[37] Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Schieber jeweils mit einem ersten und/oder einem zweiten Führungszapfen versehen sind, der jeweils durch eine Längsnut geführt ist, die jeweils radial zur Welle verläuft und in der ersten und/oder zweiten Führungsplatte vorgesehen ist. Hierdurch kann eine weitgehend verkantungsfreie radiale Verschiebung der Schieber vorgenommen werden.
[38] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass am
Führungszapfen eine um seine Längsachse drehbewegliche halbmondförmige Führungsbahnsichel vorgesehen ist, die durch die Führungsbahn geführt ist. Die Führungsbahn ist bevorzugt druckölgeschmiert und/oder druckölgelagert. Durch die Führungsbahnsichel können die auf die Führungsbahn bei der radialen Verschiebung der Schieber auftretenden Kräfte auf eine größere Räche der Führungsbahn und oder ggf. eines Ölfilms verteilt werden, wodurch sich insbesondere die Reibungsverluste und damit ein möglicher Verschleiß verringern lassen. Durch eine erfindungsgemäß bevorzugte Druckölschmierung und/oder Drucköllagerung kann ggü. einer Wälzlagerung die Drehzahl der Welle der Rügeizellenmaschine deutlich erhöht werden und es können auch Medien mit deutlich höheren Temperaturen störungsfrei eingesetzt werden. Durch die Drucköllagerung der Führungsbahnsichel können im Gegensatz zu einer Wälzlagerung auch auftretende Axialkräfte aufgenommen werden. Dies wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad, die Baugröße, die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Rügeizellenmaschine aus.
[39] Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und/oder zweite Führungsbahn durch eine umlaufende Führungsbahnnut gebildet ist, die vorzugsweise in der Innenfläche der ersten und/oder zweiten Führungsbahnplatte eingefräst ist. Hierdurch kann eine kostengünstige, präzise und zuverlässige Führung der Schieber in radialer und axialer Richtung erreicht werden.
[40] Bei einer Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Flügelzellenmaschine
Schmieröl führende Kanäle auf, die dem Führungszapfen und/oder der Führungsbahnsichel und/oder jeweils einer radial sich erstreckenden Laufnut des Schiebers in der ersten und/oder zweiten Führungsplatte Schmieröl zuführt. Bevorzugt erfolgt die Schmierölzufuhr über mindestens einen Schmieröl führenden Kanal in der Welle und/oder die Schmierölabfuhr erfolgt bevorzugt über mindestens einen Schmieröl abführenden Kanal der ersten und/oder zweiten Führungsplatte. Hierdurch kann die Zuverlässigkeit und der Wirkungsgrad durch eine mögliche Erhöhung der Drehzahl und der Temperatur des eingesetzten Mediums der erfindungsgemäßen Flügelzellenmaschine deutlich verbessert werden.
[41] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Nutzung von Abwärme wird bevorzugt unter
Verwendung von mindestens einer erfindungsgemäßen Flügelzellenmaschine ausgeführt. Das Abgas einer stationären oder mobilen Verbrennungs-Vorrichtung wird einer ersten Wärmeübertragungs-Vorrichtung und/oder einem Abgas-Turbolader zugeführt. Eine erste Flügelzellenmaschine komprimiert die unter Umgebungsdruck stehende Luft und die komprimierte Luft wird der Wärmeübertragungs- Vorrichtung zugeführt. Die im Abgas enthaltene Wärmeenergie wird dann der komprimierten Luft zugeführt. Eine zweite Flügelzellenmaschine entspannt bzw. dekomprimiert die komprimierte und erwärmte Luft auf einen Druck, der niedriger ist als der Druck des Abgases aus der Verbrennungs-Vorrichtung oder ggf. niedriger ist als der Druck des Abgases am Ausgang des Turboladers. Die dekomprimierte Luft und das Abgas, das die Wärmeübertragungs- Vorrichtung oder ggf. den Abgas-Turbo-Lader verlässt, wird einer dritte Flügelzellenmaschine zugeführt. Die dritte Flügelzellenmaschine entspannt das Gemisch aus Abgas und Luft auf Umgebungsdruck und verrichtet dabei nutzbare Arbeit.
[42] Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus und ermöglicht, insbesondere bei der Verwendung erfindungsgemäßer Flügelzellenmaschinen, die sinnvolle Nutzung von Energie-Ressourcen, die ansonsten unerwünscht lediglich ungenutzt an die Umwelt abgegeben werden.
[43] Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste
Flügelzellenmaschine die Luft unter Umgebungsdruck bzw. atmosphärischem Druck auf ca. den doppelten Druck des Austrittsdrucks des Abgases am Auspuffkrümmer der Verbrennungs-Vorrichtung oder ggf. auf ca. den doppelten Druck des Austrittsdrucks des Abgases hinter dem Turbo-Lader komprimiert. Hierdurch lässt sich der Wirkungsgrad der Erfindung weiter verbessern.
[44] Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungs- Vorrichtung komprimierte Umgebungsluft zugeführt wird, die von der ersten Flügelzellenmaschine komprimiert worden ist. Hierdurch kann bei geeigneter Verbrennungsvorrichtung deren Wirkungsgrad ebenfalls gesteigert werden.
[45] Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine zweite Wärmeübertragungs-
Vorrichtung vorgesehen, der Wärmeenergie aus einem Kühlkreislauf der Verbrennungs-Vorrichtung und der die Restwärme des Abgas-Luft-Gemischs der dritten Rügeizellenmaschine zugeführt wird. Das von der zweiten Wärmeübertragungs- Vorrichtung abgegebene gasförmige Medium wird von einer vierten Rügeizellenmaschine entspannt und verrichtet dabei nutzbare Arbeit. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme lässt sich auch die Abwärme des Kühlkreislaufs einer Verbrennungsmaschine vorteilhafterweise nutzen.
[46] Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die zweite Wärmeübertragungs- Vorrichtung eine Verdampfungs- Vorrichtung ist, der aus einem Rüssigkeits- Vorratsbehälter entnommene und von einer Pumpe mit Druck beaufschlagten Rüssigkeit, insbesondere Wasser, Stickstoffdioxyd oder Cy- closiloxanen, zugeführt wird. Hierdurch kann der durch das erfindungsgemäße Verfahren bereits erreichbare Wirkungsgrad zur Nutzung von Abwärme nochmals verbessern.
[47] Bei einer Ausgestaltung des Erfindung ist vorgesehen, dass ein von der vierten
Rügeizellenmaschine entspanntes gasförmiges Medium einer Kondensations- Vorrichtung zugeführt wird, in der das gasförmige Medium kondensiert und hierbei Wärme abgegeben und die Rüssigkeit dem Rüssigkeits-Vorratsbehälter zugeführt wird. Durch diese Maßnahme wird ein vorteilhafter, geschlossener Kreislauf für die Nutzung der Restwärme des Abgas-Luftgemischs und der Abwärme aus dem Kühlkreislauf der Verbrennungs- Vorrichtung erreicht.
[48] Die erfindungsgemäße Rügeizellenmaschine und das erfindungsgemäße Verfahren zur Nutzung von Abwärme wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von nicht notwendigerweise maßstäblichen Zeichnungen näher beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen:
[49] Figur 1 eine erfindungsgemäße Rügeizellenmaschine anhand einer Schnitt-
Zeichnung, die das erfindungsgemäße Funktionsprinzip darstellt;
[50] Figur 2 ein erstes erfindungsgemäßes System zur Abwärmenutzung anhand der das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wird, und
[51] Figur 3 eine zweites erfindungsgemäßes System zur Abwärmenutzung, das ggü. dem ersten System weiter verbessert worden ist. [52] Figur 1 zeigt anhand einer schematisch Querschnitts-Zeichnung das Funktionsprinzip einer erfindungsgemäßen Rügeizellenmaschine 100 zur Expansion oder Kompression von gasförmigen Medien, wie Luft, Abgasen einer Verbrennungsmaschine, dampfförmigen Medien oder einer Mischung hieraus. Das Gehäuse 101 der Rügeizellenmaschine 100 hat einen weitgehend teilkreisförmigen Querschnitt und weist in seinem weitgehend zylindrischen Innenraum Rügelzellen 102 bis 113 und nach außen hin eine Einlassöffnung 114 und eine Auslassöffnung 115 auf. In dem Gehäuse 101 ist eine An- bzw. Abtriebs-Welle 116 exzentrisch angeordnet. Auf der Welle 116 sind eine erste Führungsplatte 117 und eine zweite Führungsplatte (nicht dargestellt) vorgesehen. Von den Führungsplatten werden Schieber 119 bis 129 derart geführt, dass sich die Schieber weitgehend radial zur Welle 116 in Richtung auf die innere Wand 118 des Gehäuses 101 zu bewegen können.
[53] Wird die Welle 116 mechanisch angetrieben, dreht sie sich zusammen mit den
Führungsplatten in dem Gehäuse. Aufgrund der Riehkraft werden die Schieber 119 bis 129 bei der Drehung radial nach außen bewegt. Hierbei werden sie zwischen jeweils zwei Führungswänden geführt (nicht dargestellt), die an den Führungsplatten befestigt sind und die die Rügelzellen 102 bis 113 zusammen mit der Welle 116 zur Welle hin verschließen (nicht dargestellt). Jede der Rügelzellen ist damit nur noch in radialer Richtung nach außen hin offen, sofern sich die Rügelzelle nicht im Bereich der Innenwand 118 des Gehäuses 101 befindet. Die Stirnfläche 131 jedes Schiebers 119 bis 126 bewegt sich mit einem geringen Abstand von der Innenwand 118 des Gehäuses 101 an der Innenwand vorbei, d.h. die Schieber 119 bis 126 und nachfolgend auch die Schieber 129 bis 127 bewegen sich vorzugsweise weitgehend oder völlig berührungsfrei an der Innenwand 118 des Gehäuses 101 vorbei. Im Bereich der Einlassöffnung 114 befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel Luft unter atmosphärischem Druck. Wird die Welle 116 mechanisch, z.B. von einem Elektro- oder Verbrennungsmotor, im Uhrzeigersinn 180 gedreht, tritt die Luft über die Einlassöffnung 114 in die nachfolgend weitgehend geschlossene Rügelzelle 106 ein. Auf ihrem Weg von der Einlassöffnung 114 zur Auslassöffnung 115 wird die Luft aufgrund des sich verkleinernden Volumens der Rügelzelle komprimiert. Die komprimierte Luft verlässt die Rügelzellenmaschine über die Auslassöffnung 115. Ein Teil der komprimierten Luft verbleibt in der Rügelzelle und diese Luft wird auf ihrem Weg von der Auslassöffnung 115 zur Einlassöffnung 114 erfindungsgemäß auf atmosphärischen Druck entspannt.
[54] Befindet sich demgegenüber im Bereich der Auslassöffnung 115 ein gegenüber der
Einlassöffnung 114 erhöhter Druck und kann sich die Welle 116 weitgehend frei drehen, so wird aus der Auslassöffnung 115 eine Einlassöffnung und aus der Einlassöffnung 114 eine Auslassöffnung der Rügelzellenmaschine 100. Hierbei läuft der umgekehrte Vorgang ab und die Rügeizellenmaschine dekomprimiert das eintretende gasförmige Medium. Hierbei wird die Welle 116 gegen den Uhrzeigersinn 181 gedreht und treibt beispielsweise einen nicht dargestellten Elektromotor an, d.h. die Rügeizellenmaschine bzw. deren Welle 116 gibt Arbeit ab.
[55] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gehäuse 101 mit einem an sich weitgehend kreisförmigen Querschnitt in einem Teilbereich 182 einen von der Auslassöffnung 115 zur Einlassöffnung 114 hin zunehmenden Radius aufweist. Hierdurch wird die (bei einer Bewegung der Welle 116 gegen den Uhrzeigersinn 181)in die Rügelzelle 113 eintretende Luft, die unter atmosphärischem Druck steht, auf einen geringeren Druck, z.B. 0,95 bar, entspannt. Diese Druckdifferenz unterstützt die Drehung der Welle und erhöht damit den Wirkungsgrad der Rügeizellenmaschine 100.
[56] Um ein weitgehend berührungsfreies Vorbeigleiten der Stirnfläche 131 jedes
Schiebers an der Innenwand 118 des Gehäuses 101 zu erreichen, ist erfindungsgemäß mindestens eine Führungsbahn 130 vorgesehen. Die schematisch dargestellte Führungsbahn 130 bestimmt die radiale Stellung jedes Schiebers 119 bis 129. Die umlaufende Führungsbahn ist bevorzugt eine Führungsnut bzw. ein Führungskanal (nicht dargestellt) in der Rückseite einer Führungsbahnplatte (nicht dargestellt), die weitgehend parallel zu der sich mit der Welle 116 drehenden Führungsplatte 117 ist. Im Unterschied zur Führungsplatte 117 ist die (nicht dargestellte) Führungsbahnplatte drehfest in Bezug auf das Gehäuse 101 angeordnet. Vorzugsweise ist die Führungsbahnplatte mit dem Gehäuse verschraubt und verschließt das Gehäuse nach oben hin. In der Führungsbahn 130 läuft bevorzugt formschlüssig ein Führungszapfen 140 bis 151 jedes Schiebers 119 bis 129. Jeder mit einem Führungszapfen versehene Schieber wird bei der Drehung der Welle über den Formschluss von Führungsbahn und Zapfen in eine vorbestimmte Position geführt, wodurch die betreffende Rügelzelle weitgehend gegenüber der Innenwand des Gehäuses abgedichtet und dennoch eine Berührung der Stirnfläche jedes Schiebers mit dem Gehäuse bzw. mit der Gehäusewand weitgehend vermieden wird. Hierdurch wird eine weitgehend reibungsfreie Drehung der Rügelzellen erreicht, ohne dass dies zu einem nennenswerten Druckverlust über den verbleibenden Spalt zwischen benachbarten Rügelzellen führt. Insgesamt betrachtet, liegt der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Rügeizellenmaschine 100 deutlich höher als bei bekannten reibungsbehafteten Rügeizellenmaschinen.
[57] Dies gilt insbesondere bei niedrigen Differenzdrücken zwischen Einlassöffnung und Auslassöffnung, weil sich selbst hierbei die Rügelzellen aufgrund ihrer weitgehenden Reibungsfreiheit - im Unterschied zu bekannten stark reibungsbehafteten Rügeizellenmaschinen - drehen und Arbeit verrichten können. Um geringe Differenzdrücke noch nutzen zu können, kann die erfindungsgemäße Rügeizellenmaschine bzw. deren Flügelzellen in ihren Abmessungen größer ausgelegt werden. Eine Vergrößerung der Abmessungen bekannter reibungsbehafteter Rügeizellenmaschinen vergrößert hingegen auch deren zu überwindende Reibungskräfte, so dass diese Maßnahme bei bekannten Rügeizellenmaschinen zu keiner Verbesserung führt.
[58] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (nicht dargestellt) ist auch auf der Unterseite des Gehäuses eine mit dem Gehäuse verschraubte Führungsbahnplatte mit einer Führungsbahn zur Führung unterer Zapfen (nicht dargestellt), die ebenfalls an den Schiebern angebracht sind, vorgesehen.
[59] Durch die doppelte Führung können die Schieber weitgehend verkantungsfrei radial geführt werden. Ferner können die Zapfen erfindungsgemäß mit jeweils einer Führungsbahnsichel versehen werden, die sich um die Zapfen drehen lässt und die von der Führungsbahn geführt wird. Die Führungsbahnsichel weist gegenüber einem Zapfen eine größere Kontaktfläche mit der Führungsbahn,die bevorzugt druckölgeschmiert ist, wodurch der Rächendruck sinkt, die Reibung weiter verringert wird und die Zuverlässigkeit bzw. Standzeit steigt.
[60] Bevorzugt werden die Schieber und die Führungszapfen bzw. die
Führungsbahnsicheln über geeignete Schmieröl führende Kanäle (nicht dargestellt) in ihren Führungen geschmiert und/oder gelagert. Bevorzugt wird eine Druckölschmierung bzw.
[61] -lagerung, da damit höhere Drehzahlen und höhere Temperaturen des eingesetzten
Mediums realisiert werden können als z.B. bei Wälzlagerungen, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht und die baulichen Abmaße und damit die Kosten verringert werden können.
[62] Figur 2 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes System zur Abwärmenutzung anhand der das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wird. Das erfindungsgemäße System weist eine Verbrennungs- Vorrichtung 201, eine erste Wärmeübertragungs- Vorrichtung 204 mit einem Eingang und einem Ausgang, einen Abgas-Turbolader 205, eine erste Rügeizellenmaschine 206, eine Verbindungsleitung 210, eine zweite Rügeizellenmaschine 211, und eine dritte Rügeizellenmaschine 214 auf.
[63] Die Verbrennungs- Vorrichtung 201 saugt Luft 202 unter Umgebungsdruck bzw. atmosphärischem Druck an und stößt heißes Abgas 203 aus. Das heiße Abgas wird der ersten Wärmeübertragungs- Vorrichtung 204 über deren Eingang zugeführt. Luft unter atmosphärischem Druck 207 wird von der ersten Rügeizellenmaschine 206 angesaugt und auf ca. das Doppelte des Austrittsdrucks des Abgases am Auspuffkrümmer der Verbrennungs-Vorrichtung komprimiert. Weist die Verbrennungs-Vorrichtung hingegen einen Abgas-Turbolader auf, wie dargestellt, so wird die Luft von der ersten Rügeizellenmaschine auf ca. das Doppelte des Austrittsdrucks des Abgases hinter dem Abgas-Turbolader komprimiert. Während der Kompression kann Zapfluft für die Verbrennungs-Vorrichtung aus der ersten Rügeizellenmaschine entnommen werden (nicht dargestellt). Die komprimierte Luft 209 wird in die Verbindungsleitung 210 geführt, die den Ausgang der ersten Rügeizellenmaschine 206 mit dem Eingang der zweiten Rügeizellenmaschine 211 verbindet. Die Verbindungsleitung 210 ist in der Wärmeübertragungs- Vorrichtung 204 in Form von Wärme-Schlangen angeordnet (nicht dargestellt), um einen großen Teil der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie 208 auf die durch die Verbindungsleitung 210 geführte komprimierte Luft zu übertragen. In der Wärmeübertragungs-Vorrichtung wird die komprimierte Luft im Gegen- stromprinzip annähernd auf die Temperatur des Abgases aufgeheizt und das Abgas annähernd auf die Temperatur der komprimierten Luft abgekühlt. Die aufgeheizte komprimierte Luft tritt in die zweite Rügeizellenmaschine 211 und dekomprimierte Luft verlässt die zweite Rügeizellenmaschine. Die aus der zweiten Rügeizellenmaschine 211 austretende Luft weist einen Druck auf, der unter dem Druck des aus der Verbrennungs-Vorrichtung austretenden Abgases bzw. bei Vorhandensein eines Abgas-Turboladers, wie dargestellt, unter dem Druck des aus dem Abgas-Turboladers austretenden Abgases liegt.
[64] Eine weitere Verbindungsleitung verbindet den Ausgang der Wärmeübertragungs-
Vorrichtung 204 mit dem Eingang des Abgas-Turboladers 205 und führt diesem das abgekühlte Abgas der Verbrennungs- Vorrichtung zu. Das von dem Abgas-Turbolader 205 komprimierte und am Ausgang 212 den Turbolader verlassende Abgas wird mit der von der zweiten Rügeizellenmaschine 211 abgegebenen komprimierten Luft zusammengeführt. Das Gemisch 213 aus komprimierter Luft und komprimiertem Abgas wird dem Eingang der dritten Rügeizellenmaschine 213 zugeführt, die das komprimierte Gemisch auf ein Gemisch 215 mit atmosphärischem Druck entspannt. Bei der Dekompression in der dritten Rügeizellenmaschine 214 verrichtet diese Arbeit, beispielsweise über einen an der Welle der dritten Rügeizellenmaschine angeflanschten elektrischen Generator.
[65] Figur 3 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes System zur Abwärmenutzung, das ggü. dem ersten in Figur 2 dargestellten System 200 weiter verbessert worden ist. Zusätzlich zu dem ersten System weist das zweite System 300 eine zweite Wärmeübertragungs- Vorrichtung 301, einen Kühlkreislauf 302 der Verbrennungs- Vorrichtung 201, eine vierte Rügeizellenmaschine 304, einen Rüssigkeits- Vorratsbehälter 305, eine Pumpe 306 und eine Kondensations-Vorrichtung 309 auf.
[66] Das aus der dritten Rügeizellenmaschine austretende, entspannte Gemisch aus Luft und Abgas 215 und der die zweite Wärmeübertragungs- Vorrichtung 301 aufheizende Kühlkreislauf 302 führen der zweiten Wärmeübertragungs-Vorrichtung Wärmeenergie zu. Eine im Rüssigkeits- Vorratsbehälter 305 vorhandene, verdampfbare Flüssigkeit 307 wird von der Pumpe 306 in die zweite Wärmeübertragungs-Vorrichtung gepumpt. In der zweiten Wärmeübertragungs- Vorrichtung 301 wird die zugeführte Flüssigkeit aufgrund der über den Kühlkreislauf 302 und das Gemisch 215 aus entspannter Luft und entspanntem Abgas zugeführten Wärmeenergie verdampft. Der Dampf weist einen Druck auf, der höher als der Druck über der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits- Vorratsbehälter 305 ist. Der Dampf wird dem Eingang der vierten Flügelzellenmaschine 304 zugeführt und über deren Ausgang nach der Entspannung bzw. Dekompression des Dampfes der Kondensations- Vorrichtung 309 zugeführt. Die in der Kondensations- Vorrichtung anfallende Flüssigkeit 308 wird in den Flüssigkeits- Vorratsbehälter 305 zurückgeführt.
[67] Bei der Entspannung des Dampfs verrichtet die vierte Flügelzellenmaschine 304, beispielsweise über einen an der Welle der Flügelzellenmaschine 304 angeflanschten elektrischen Generator, nutzbare Arbeit.
[68] Werden die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Systeme mit erfindungsgemäßen
Flügelzellenmaschinen versehen, was erfindungsgemäß bevorzugt ist, so zeichnen sich die Systeme insbesondere durch besonders hohe Wirkungsgrade aus. Zudem lassen sich selbst kleine Differenzdrücke zur Verrichtung von Arbeit bzw. zur Erzeugung von elektrischem Strom nutzen.
[69] Bezugszeichenliste:
[70] 100 Flügelzellenmaschine
[71] 101 Gehäuse
[72] 102 bis 113 Rügelzelle
[73] 114 Einlassöffnung
[74] 115 Auslassöffnung
[75] 116 WeIIe
[76] 117 Führungsplatte
[77] 118 innere Wand
[78] 119 bis 129 Schieber
[79] 130 Führungsbahn
[80] 131 Stirnfläche
[81] 140 bis 151 Führungszapfen
[82] 160 bis 171 Längsnut
[83] 180 Drehung im Uhrzeigersinn
[84] 181 Drehung gegen den Uhrzeigersinn
[85] 182 Teilbereich des Gehäuses
[86] 200 erstes erfindungsgemäßes System zur Abwärmenutzung
[87] 201 Verbrennungs- Vorrichtung [88] 202 Luft unter atmosphärischem Druck
[89] 203 Abgas
[90] 204 Wärmeübertragungs- Vorrichtung
[91] 205 Abgas-Turbolader
[92] 206 erste Rügeizellenmaschine
[93] 207 Luft unter atmosphärischem Druck
[94] 208 im Abgas enthaltene Wärmeenergie
[95] 209 komprimierte Luft
[96] 210 Verbindungsleitung
[97] 211 zweite Rügeizellenmaschine
[98] 212 Ausgang des Abgas-Turboladers
[99] 213 Gemisch aus Luft und Abgas
[ 100] 214 dritte Rügeizellenmaschine
[101] 215 entspanntes Gemisch aus Luft und Abgas
[102] 300 zweites erfindungsgemäßes System zur Abwärmenutzung
[103] 301 zweite Wärmeübertragungs- Vorrichtung
[104] 302 Kühlkreislauf
[105] 303 gasförmiges Medium
[106] 304 vierte Rügeizellenmaschine
[107] 305 Rüssigkeits-Vorratsbehälter
[108] 306 Pumpe
[109] 307 Rüssigkeit
[110] 308 Rüssigkeit
[111] 309 Kondensations- Vorrichtung
[112]
[113]

Claims

Claims[1] Patentansprüche
1. Flügelzellenmaschine (100) zur Expansion oder Kompression von gasförmigen Medien, wie Luft, Abgasen einer Verbrennungsmaschine, dampfförmigen Medien oder einer Mischung hieraus, mit einem Gehäuse (101), das einen weitgehend zylindrischen Raum zur Aufnahme der Fügelzellen (102 - 113) der Rügeizellenmaschine sowie eine Einlassöffnung (114) und eine Auslassöffnung (115) in dem zylindrischen Raum aufweist, mit einer exzentrisch in dem Gehäuse angeordneten Welle (116), eine erste und eine zweite auf der Welle weitgehend parallel zueinander angeordnete Führungsplatte (117), von den Führungsplatten geführte und weitgehend radial zur Welle (116) in Richtung auf die innere Wand (118) des Gehäuses (101) verschiebbare Schieber (119 - 129), wobei jeweils unter Beteiligung von zwei benachbarten Schiebern (119, 120; 120, 121; ...), des angrenzenden Bereichs der inneren Wand (118) des Gehäuses eine Rügelzelle (102 - 113) gebildet ist und sich das Volumen der Rügelzellen im Bereich der Einlassöffnung (114) von dem Volumen der Rügelzellen im Bereich der Auslassöffnung (115) unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass die radial in Richtung auf die innere Wand (118) des Gehäuses (101) verschiebbaren Schieber (119 - 129) durch eine Führungsbahn (130) geführt sind, und die Führungsbahn in Bezug auf das Gehäuse (101) ortsfest ist.
2. Rügeizellenmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste umlaufende Führungsbahn (130) und/oder eine zweite umlaufende Führungsbahn, die die Bewegung der radial in Richtung auf die innere Wand (118) des Gehäuses verschiebbaren Schieber (119 - 129) jeweils derart begrenzt, dass der Schieber bzw. die der inneren Wand des Gehäuses zugewandte Seite des Schiebers, d.h. die Stirnfläche (131) des Schiebers, sich weitgehend berührungsfrei entlang seiner gesamten Bewegungsbahn an der inneren Wand des Gehäuses vorbeibewegt.
3. Rügeizellenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine mit der ersten Führungsbahn (130) versehene erste Führungsbahnplatte, die weitgehend parallel zur ersten sich mit der Welle (116) drehenden Führungsplatte (117) drehfest in Bezug auf das Gehäuse (101) angeordnet ist.
4. Rügeizellenmaschine nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine mit der zweiten Führungsbahn versehene zweite Führungsbahnplatte, die weitgehend parallel zur zweiten sich mit der Welle drehenden Führungsplatte drehfest in Bezug auf das Gehäuse angeordnet ist.
5. Flügelzellenmaschine nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Führungsbahnplatte mit dem Gehäuse verschraubt ist.
6. Flügelzellenmaschine nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Führungsbahnplatte die erste und/oder die zweite Stirnfläche des Gehäuses bilden.
7. Flügelzellenmaschine nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schieber (119 - 129) jeweils mit einem ersten Führungszapfen und/oder mit einem zweiten Führungszapfen versehen sind, der jeweils durch eine Längsnut (160 - 171) geführt ist, die jeweils radial zur Welle (116) verläuft und in der ersten Führungsplatte (117) und/oder in der zweiten Führungsplatte vorgesehen ist.
8. Flügelzellenmaschine nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Führungszapfen eine um seine Längsachse drehbewegliche halbmondförmige Führungsbahnsichel vorgesehen ist, die durch die Führungsbahn geführt ist.
9. Flügelzellenmaschine nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Führungsbahn durch eine umlaufende Führungsbahnnut gebildet ist, die vorzugsweise in der Innenfläche der ersten und/oder der zweiten Führungsbahnplatte eingefräst ist.
10. Flügelzellenmaschine nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Schmieröl führende Kanäle, die dem Führungszapfen und/oder der Führungsbahnsichel und/oder jeweils einer radialen Laufnut des Schiebers in der ersten und/oder zweiten Führungsplatte Schmieröl zuführt, wobei die Schierölzufuhr bevorzugt über mindestens einen Schieröl führenden Kanal in der Welle und/oder die Schmierölabfuhr bevorzugt über mindestens einen Schmieröl abführenden Kanal der ersten und/oder zweiten Führungsplatte erfolgt.
11. Verfahren zur Nutzung von Abwärme, bevorzugt unter Verwendung von mindestens einer Flügelzellenmaschine (100) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- eine stationäre oder mobile Verbrennungs- Vorrichtung (201), deren Abgas (203) einer ersten Wärmeübertragungs-Vorrichtung (204) und/oder einem Abgas-Turbolader (205) zugeführt wird,
- eine erste Flügelzellenmaschine (206), die Luft mit Umgebungsdruck (202, 207) komprimiert und der Wärmeübertragungs- Vorrichtung (204) zuführt und im
Abgas enthaltene Wärmeenergie (208) der komprimierten Luft (209, 210) zugeführt wird,
- eine zweite Rügeizellenmaschine (211) die komprimierte und erwärmte Luft auf einen Druck entspannt bzw. dekomprimiert, der niedriger ist als der Druck des Abgases (203) aus der Verbrennungs-Vorrichtung (201) oder ggf. niedriger ist als der Druck des Abgases am Ausgang (212) des Abgas-Turboladers (205),
- die dekomprimierte Luft und das Abgas (213), das die Wärmeübertragungs- Vorrichtung (204) oder ggf. den Abgas-Turbo-Lader (205) verlässt, einer dritten Flügelzellenmaschine (214) zugeführt wird, und
- die dritte Rügeizellenmaschine (214) das Gemisch aus Abgas und Luft (213) auf Umgebungsdruck (215) entspannt und dabei Arbeit verrichtet.
12. Verfahren zur Nutzung von Abwärme nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rügeizellenmaschine (206) die Luft unter Umgebungsdruck bzw. atmosphärischem Druck (207) auf ca. den doppelten Druck des Austrittsdrucks des Abgases (203) am Auspuffkrümmer der Verbrennungs- Vorrichtung (201) oder ggf. auf ca. den doppelten Druck des Austrittsdrucks des Abgases (212) hinter dem Turbo-Lader (205) komprimiert.
13. Verfahren zur Nutzung von Abwärme nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungs-Vorrichtung komprimierte Umgebungsluft zugeführt wird, die von der ersten Rügeizellenmaschine komprimiert worden ist.
14. Verfahren zur Nutzung von Abwärme nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine zweite Wärmeübertragungs- Vorrichtung (301) vorgesehen wird, der Wärmeenergie aus einem Kühlkreislauf (302) der Verbrennungs-Vorrichtung (201) und der die Restwärme des Abgas-Luft-Gemischs (215) der dritten Rügeizellenmaschine (214) zugeführt wird, und
- das von der zweiten Wärmeübertragungs-Vorrichtung (301) abgegebene gasförmige Medium (303) von einer vierten Rügeizellenmaschine (304) entspannt wird und diese dabei Arbeit verrichtet.
15. Verfahren zur Nutzung von Abwärme nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmeübertragungs- Vorrichtung (301) eine Verdampfungs- Vorrichtung ist, der aus einem Rüssigkeits- Vorratsbehälter (305) entnommene und von einer Pumpe (306) mit Druck beaufschlagten Rüssigkeit (307), insbesondere Wasser, Stickstoffdioxyd oder Cyclosiloxanen, zugeführt wird.
16. Verfahren zur Nutzung von Abwärme nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der vierten Rügeizellenmaschine (304) entspannte gasförmige Medium einer Kondensations- Vorrichtung (309) zugeführt wird, in der das gasförmige Medium kondensiert und hierbei Wärme abgibt und die Flüssigkeit (308) dem Rüssigkeits- Vorratsbehälter (305) zugeführt wird.
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