NL8801578A

NL8801578A - METHOD AND APPARATUS FOR CONVERTING LOW-THERMAL ENERGY TO MECHANICAL ENERGY BY THERMAL EXPANSION OF AN EXPANSION MEDIUM.

Info

Publication number: NL8801578A
Application number: NL8801578A
Authority: NL
Original assignee: Torus Rotary Systems B V
Priority date: 1988-06-21
Filing date: 1988-06-21
Publication date: 1990-01-16
Also published as: WO1989012748A1; AU3844889A

Description

Werkwijze en inrichting voor het omzetten van laagwaardige thermische energie in mechanische energie door thermische uitzetting van een uitzettingsraedium.Method and device for converting low-value thermal energy into mechanical energy by thermal expansion of an expansion medium.

(uitvinders G.A. Ackers en J.A. van der Werff)(inventors G.A.Ackers and J.A. van der Werff)

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en inrichting voor het omzetten van laagwaardige thermische energie in mechanische energie door thermische uitzetting van een uitzettingsme-dium, welke uitzetting in mechanische energie wordt omgezet, door bij voorbeeld een op een zuiger uitgeoefende druk die wordt overgebracht op een hydraulische motor.The present invention relates to a method and apparatus for converting low-value thermal energy into mechanical energy by thermal expansion of an expansion medium, which expansion is converted into mechanical energy, for example by a pressure exerted on a piston which is transferred to a hydraulic motor.

In algemene betekenis heeft de uitvinding ten doel te voorzien in een werkwijze en inrichting waarmede men lage-temperatuur-energie kan omzetten in mechanische beweging, zoals deze geschikt is voor het aandrijven van motoren en dergelijke.In general terms, the object of the invention is to provide a method and device with which one can convert low-temperature energy into mechanical movement, such as it is suitable for driving motors and the like.

Dergelijke omzettingen zijn tot dusver in hoofdzaak gebaseerd op de thermische uitzetting van gassen volgens de bekende gaswet, waarbij het rendement evenredig is met het temperatuurverschil. Voor een hoog rendement zijn daarbij hoge temperaturen noodzakelijk. Er is echter een overvloed aan lage-temperatuur-energie op aarde aanwezig, zoals geowarmte, afvalwarmte en zonne-energie, die in het algemeen als lage-temperatuur-energie kunnen worden aangeduid. Tot dusver geeft het problemen dergelijke goedkope lage-temperatuur-energie te benutten en er bestaat aldus behoefte aan een werkwijze en inrichting w-armee men in staat is lage-temperatuur-energie rendabel aan te wenden, zoals voor het aandrijven van motoren en dergelijke.Such conversions have hitherto been mainly based on the thermal expansion of gases according to the known gas law, the efficiency being proportional to the temperature difference. High temperatures are necessary for high efficiency. However, there is an abundance of low temperature energy on Earth, such as geothermal energy, waste heat and solar energy, which can generally be referred to as low temperature energy. Heretofore, it has been difficult to utilize such inexpensive low-temperature energy, and there is thus a need for a method and apparatus capable of utilizing low-temperature energy cost-effectively, such as for driving motors and the like.

De uitvinding is erop gericht andere media dan gassen, waarmede dit in hoofdzaak geschiedde, toe te passen en in plaats van gas gebruik te maken van in hoofdzaak vloeistoffen, waarbij door een speciaal ontworpen, trapsgewijze thermische regeneratie de werkwijze en inrichting volgens de uitvinding op rendabele wijze toepasbaar zijn.The invention aims at using media other than gases, with which this mainly happened, and instead of gas using mainly liquids, whereby by means of a specially designed, stepwise thermal regeneration the method and device according to the invention are cost-effective be applicable in a manner.

Er is reeds voorgesteld gebruik te maken van de uitzetting van water, zoals beschreven in een artikel door J.F.J. Malone (Journal of The Royal Society of Arts, 12 juni 1931, blz. 680-603). Deze werkte met uitzetting van water bij een temperatuur tussen 20 en 27G°C en drukken van ca. 700 bar, waarbij een rendement van 25¾ zou zijn behaald. Deze vloeistofmotor van Malone is besproken in een bericht van de Longman Group Limited 1972, blz. 78 en 90. Het is duidelijk dat een groot bezwaar van deze machine de gigantische omvang daarvan betreft, vanwege de lage uitzettingscoëfficiënt van water, waarbij tevens de zeer hoge drukken van ca. 700 atmosfeer nodig waren. Bij een dergelijke konstructie ontstaan dichtingsproblemen omdat de hoge druk direkt op de motor inwerkt. Tevens vindt de warmteregene-ratie onder druk plaats. In het Longman artikel blz. 90, wordt opgemerkt dat in de thermodynamica deze variant geheel over het hoofd is gezien en verder niet is doorgezet. Voor zover aanvraagster bekend zijn er op dit gebied dan ook geen verdere ontwikkelingen gesignaleerd.It has already been proposed to use the water expansion as described in an article by J.F.J. Malone (Journal of The Royal Society of Arts, June 12, 1931, pp. 680-603). This operated with expansion of water at a temperature between 20 and 27G ° C and pressures of about 700 bar, whereby an efficiency of 25¾ would have been achieved. This Malone liquid engine has been discussed in a report by Longman Group Limited 1972, pages 78 and 90. It is clear that a major drawback of this machine is its gigantic size, due to the low coefficient of expansion of water, which also includes the very high pressures of about 700 atmospheres were required. Sealing problems arise with such a construction because the high pressure acts directly on the motor. Heat regeneration also takes place under pressure. In the Longman article p. 90, it is noted that in thermodynamics this variant has been completely overlooked and has not been continued. As far as the applicant is aware, no further developments have been identified in this area.

Gelet op de bovengenoemde nadelen van deze variant is het duidelijk dat er weinig aanleiding was het onderzoek voort te zetten en te trachten een alternatief voor de gewone en sindsdien geperfectioneerde verbrandingsmotor te vinden.In view of the above drawbacks of this variant, it is clear that there was little reason to continue the investigation and try to find an alternative to the regular and since then perfected internal combustion engine.

Aldus is het hoofddoel van de uitvinding te voorzien in een werkwijze en inrichting voor het omzetten van laagwaardige energie in mechanische energie, waarbij men gebruik maakt van de uitzetting van speciale materialen, in het bijzonder vloeistoffen, voor een dergelijke omzetting. Gebleken is dat men door toepassing van bepaalde vloeistoffen, in het bijzonder koolwaterstoffen, zoals paraffinen en derivaten daarvan, als uitzettingsmedia bij betrekkelijk lage temperaturen hoge drukken kan opwekken die voor aandrijvingsdoeleinden bruikbaar zijn, terwijl het rendement door een speciaal uitgevoerde trapsgewijze warmteregeneratie bij atmosferische druk op een geschikte waarde kan worden gebracht.Thus, the main object of the invention is to provide a method and apparatus for converting low-value energy into mechanical energy using the expansion of special materials, especially liquids, for such conversion. It has been found that by using certain liquids, in particular hydrocarbons, such as paraffins and derivatives thereof, high pressure pressures which can be used for propulsion purposes can be generated as expansion media at relatively low temperatures, while the efficiency is achieved by a specially designed stepped heat regeneration at atmospheric pressure at an appropriate value can be brought.

Aldus is de uitvinding gericht op een werkwijze voor het omzetten van laagwaardige energie in mechanische energie door thermische uitzetting van een uitzettingsmedium, welke uitzetting wordt omgezet in mechanische druk, bij voorbeeld een op een zuiger uitgeoefende druk, welk medium in een cyclus met een thermisch medium wordt gekoeld en verwarmd, met het kenmerk, dat de verwarming en koeling worden uitgevoerd door het uitzettingsmedium trapsgewijze te verwarmen en te koelen in een veelvoud van trappen zonder dat delen van het thermische medium met verschillende temperaturen onderling worden vermengd, welke behandeling in een cyclus wordt uitgevoerd. Voorts omvat de uitvinding een inrichting voor het uitvoeren van deze werkwijze, welke hierna als hydrothermische generator zal worden aangeduid.Thus, the invention is directed to a method of converting low-value energy into mechanical energy by thermal expansion of an expansion medium, which expansion is converted into mechanical pressure, for example, a pressure applied to a piston, which medium is cycled with a thermal medium is cooled and heated, characterized in that the heating and cooling are carried out by stepwise heating and cooling the expansion medium in a plurality of steps without mixing parts of the thermal medium at different temperatures, which treatment is effected in a cycle executed. The invention further comprises an apparatus for carrying out this method, which will hereinafter be referred to as a hydrothermal generator.

In de werkwijze wordt bij voorkeur als uitzettingsmedium gebruik gemaakt van het materiaal met een hoge uitzettingscoëfftciënt in een relatief laag temperatuurtrajekt, dat bij voorkeur de omgevings- temperatuur omvat. Als zodanig medium blijken verzadigde koolwaterstoffen, die eventueel inerte substituenten bevatten en derivaten daarvan geschikt te zijn, in het bijzonder paraffinen die bij atmosferische druk en een temperatuur tussen waarden van omgevingstemperatuur tot ca. 7G-8Q°C uitzettingscoëfficiënten vertonen van de orde van 15%. Onder paraffine wordt hierbij een mengsel van vaste koolwaterstoffen verstaan die uit de hogerkokende aardoliefrakties zijn gekristalliseerd. Deze hoofdbestanddelen zijn algemeen alkanen met rechte ketens.The method preferably uses as the expansion medium the material with a high expansion coefficient in a relatively low temperature range, which preferably comprises the ambient temperature. As such a medium, saturated hydrocarbons optionally containing inert substituents and derivatives thereof are found to be suitable, especially paraffins which exhibit expansion coefficients of the order of 15% at atmospheric pressure and a temperature between values of ambient temperature up to about 7G-8Q ° C. . Paraffin is here understood to mean a mixture of solid hydrocarbons crystallized from the high-boiling petroleum fractions. These main components are generally straight chain alkanes.

De in de handel verkrijgbare paraffinen bevatten echter ook enige hoeveelheden vaste vertakte of cyclische koolwaterstoffen en soms ook een klein percentage vloeibare olie. Voor de uitvinding zijn de in de handel verkrijgbare paraffinen, zoals destillaatparaffinen en wassoorten enz., bruikbaar, alsmede mengsels en kombinaties van deze produk-ten. Ook hiervan afgeleide derivaten, waarvan het smeltgedrag niet wezenlijk is veranderd en die voor de doeleinden van de uitvinding als inert kunnen worden beschouwd, zijn bruikbaar. Ook andere zware koolwaterstoffen verkregen uit de verwerking van aardolie, zoals ex-traktieresiduen, teermaterialen enz. zijn bruikbaar, voor zover zij in het genoemde temperatuurgebied grotendeels vloeibaar zijn. Voorts blijken vetzuren met lange ketens, bij voorbeeld meer dan 10 C.atm., in het bijzonder die welke in het beoogde temperatuurgebied vloeibaar of half-vast zijn, zoals stearinezuur en mengsels van dergelijke vetzuren, bij voorkeur verzadigde vetzuren, zeer geschikt te zijn.However, the commercially available paraffins also contain some amounts of solid branched or cyclic hydrocarbons and sometimes also a small percentage of liquid oil. Commercially available paraffins, such as distillate paraffins and waxes, etc., can be used for the invention, as well as mixtures and combinations of these products. Derivatives derived therefrom, whose melting behavior has not substantially changed and which can be considered inert for the purposes of the invention, are useful. Other heavy hydrocarbons obtained from the processing of petroleum, such as extraction residues, tar materials, etc., can also be used, insofar as they are largely liquid in the said temperature range. Furthermore, long chain fatty acids, for example more than 10 C.atm., In particular those which are liquid or semi-solid in the target temperature range, such as stearic acid and mixtures of such fatty acids, preferably saturated fatty acids, have been found to be very suitable .

Men zie bij voorbeeld Handbook of Chemistry, 1954, blz. 2066 en 2067, waarin paraffine en teer worden genoemd. Uit de genoemde passages blijkt dat de kritische uitzettingscoëfficiënten van deze mate- -4 rialen respectievelijk 5,88 en 6,8 x 10 zijn. Uit blz. 2067 blijkt voor paraffinen dat de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt bij temperaturen van 38-49°C aanzienlijk hoger ligt dan bij temperaturen van 16 tot 38 respectievelijk 0 tot 16°C.See, for example, Handbook of Chemistry, 1954, pp. 2066 and 2067, which mentions paraffin and tar. From the passages mentioned it appears that the critical expansion coefficients of these materials are 5.88 and 6.8 x 10, respectively. From p. 2067 it appears for paraffins that the linear thermal expansion coefficient at temperatures of 38-49 ° C is considerably higher than at temperatures of 16 to 38 and 0 to 16 ° C, respectively.

De gebruikte materialen kunnaiin het lage-temperatuurgebied vast zijn, terwijl zij tijdens de verwartningscyclus smelten. Bij voorkeur gebruikt men stoffen waarbij de grootste uitzetting wordt bereikt in een relatief laag temperatuurtrajekt, in het bijzonder een trajekt dat de omgevingstemperatuur omvat. Het is duidelijk dat men in een dergelijk temperatuurtrajekt het meest economisch kan werken terwijl tevens afvalwarmte en dergelijke het best kan worden benut.The materials used can be solid in the low temperature range as they melt during the confusion cycle. Preferably, substances are used in which the greatest expansion is achieved in a relatively low temperature range, in particular a range comprising the ambient temperature. It is clear that in such a temperature range it is possible to work most economically, while waste heat and the like can also be used best.

Bij de uitzetting van de voornoemde media worden grote drukken opgewekt. Zoals bekend is vloeistof niet samendrukbaar als gevolg waarvan in de onderhavige uitvinding drukken kunnen worden bereikt van ca. 1000 bar. Door toepassing van het uitzettingsmedium volgens de uitvinding kan men aldus door deze hoge druk gekombineerd met een relatief hoge uitzetting bij gematigde temperaturen een relatief hoge potentiële energie (weg x druk) bereiken en aanwenden. A .dus worden voornoemde media bij voorkeur in drukbuizen opgenomen die een betrekkelijk kleine diameter ten opzichte van de lengte hebben om genoemde drukken op te vangen. De koppeling met bij voorbeeld een hydraulische motor wordt tot stand gebracht door de door thermische uitzetting opgewekte druk te laten inwerken op een plunjer die daardoor wordt verplaatst. Bij voorkeur worden de in het uitzettingsmedium opgewekte hoge drukken eerst in lagere drukken omgezet, welke laatste aan bij voorbeeld een hydraulische motor worden doorgegeven. Men gebruikt hiervoor een ten opzichte van de eerste plunjer aanzienlijk grotere zuiger waardoor de drukken worden gereduceerd, welke grote zuiger in een oliecilinder loopt en een hydraulisch medium verplaatst. Er wordt gebruik gemaakt van een veelvoud van drukgroepen, waaronder worden verstaan een aantal samenwerkende regeneratiecilinders, welke cilinders afzonderlijk een aantal drukbuizen met thermisch medium omvatten, welke cyclisch worden verhit en gekoeld en die via de grote cilinder het hydraulische medium over een buffer naar de aan te drijven hydraulische motor stuwen.Large pressures are generated upon expansion of the aforementioned media. As is known, liquid is not compressible, as a result of which pressures of about 1000 bar can be achieved in the present invention. By using the expansion medium according to the invention, this high pressure combined with a relatively high expansion at moderate temperatures makes it possible to achieve and use a relatively high potential energy (path x pressure). A. Thus, said media are preferably contained in pressure tubes that have a relatively small diameter to length to accommodate said pressures. The coupling with, for example, a hydraulic motor is effected by allowing the pressure generated by thermal expansion to act on a plunger which is displaced thereby. Preferably, the high pressures generated in the expansion medium are first converted to lower pressures, the latter of which are passed on, for example, to a hydraulic motor. For this purpose a piston which is considerably larger compared to the first plunger is used, whereby the pressures are reduced, which large piston runs in an oil cylinder and displaces a hydraulic medium. A plurality of pressure groups are used, including a number of co-operating regeneration cylinders, which cylinders separately comprise a number of pressure tubes with thermal medium, which are heated and cooled cyclically and which transfer the hydraulic medium via a large cylinder to the propel hydraulic motor to be driven.

Bij deze opstelling is het van bijzonder belang dat de warmte op efficiënte wijze wordt geregenereerd om het proces rendabel te laten verlopen. Onder thermisch medium verstaat men medium, zoals water of een andere vloeistof, waarmee de drukbuizen in een regeneratiecilin-der worden gekoeld en verwarmd.In this arrangement, it is of particular importance that the heat is regenerated efficiently for the process to run cost-effectively. Thermal medium means medium, such as water or another liquid, with which the pressure tubes are cooled and heated in a regeneration cylinder.

De hydrothermische generator volgens de uitvinding voor het uitvoeren van de voornoemde werkwijze omvat één of meer geïsoleerde regeneratiecilinders, in welke cilinder(s) een veelvoud van drukbuizen is gemonteerd, in welke buizen het eerder gedefinieerde uitzettingsmedium is opgenomen, welke regeneratiecilinder met een lage drukcilinder is gekoppeld, in welke regeneratiecilinder een thermisch medium voor het regenereren van warmte circuleerbaar is, waarbij in genoemde regeneratiecilinders scheidingszuigers aanwezig zijn die beletten dat tijdens de regeneratie warm en koud thermisch medium worden gemengd. De inrichting bevat bij voorkeur een aantal regene- ratiecilinders welke zelf een reeks drukbuizen bevatten, bij voorbeeld 3-10 of meer, afhankelijk van de konstruktie. Men zal het aantal regeneratiecilinders en drukbuizen instellen, afhankelijk van de beoogde toepassingen.The hydrothermal generator according to the invention for carrying out the aforementioned method comprises one or more insulated regeneration cylinders, in which cylinder (s) a plurality of pressure tubes is mounted, in which tubes the previously defined expansion medium is included, which regeneration cylinder with a low pressure cylinder coupled, in which regeneration cylinder a thermal medium for regenerating heat can be circulated, wherein said regeneration cylinders contain separating pistons which prevent hot and cold thermal medium from being mixed during regeneration. The device preferably contains a number of regeneration cylinders which themselves contain a series of pressure tubes, for example 3-10 or more, depending on the construction. The number of regeneration cylinders and pressure tubes will be set depending on the intended applications.

Het is een bijzonder kenmerk van de hydrothermische generator volgens de uitvinding dat in de regeneratiecilinders verplaatsbare of zwevende scheidingszuigers aanwezig zijn die zodanig zijn ingericht dat de inhouden van afzonderlijke regeneratiecilinders, die verschillende temperaturen hebben, niet kunnen worden vermengd. De generator is voorts daardoor gekenmerkt dat twee of meer groepen regeneratiecilinders tussen warm- en koudreservoirs zijn aangesloten, waarbij in het koude gedeelte een doseerpomp met besturingsorgaan aanwezig is, welke doseerpomp een zodanige slag heeft dat de verplaatsing daarvan enigszins groter of nagenoeg gelijk is aan die van de regeneratie-cilinder in een drukgroep, waarbij het ene stel cilinders koud wordt en het andere wordt verwarmd en de in de regeneratiecilinders aanwezige scheidingszuigers menging van thermisch medium tussen regene-ratiecilinders voorkomen. Volgens een ander kenmerk zijn de drukbuizen in verhouding lang en dun uitgevoerd, waardoor zij hoge drukken kunnen opnemen, terwijl de wanddikte zo gering mogelijk is voor een gunstig warmtetransport.It is a special feature of the hydrothermal generator according to the invention that movable or floating separating pistons are present in the regeneration cylinders, which are arranged such that the contents of individual regeneration cylinders, which have different temperatures, cannot be mixed. The generator is further characterized in that two or more groups of regeneration cylinders are connected between hot and cold reservoirs, in the cold part of which a dosing pump with control device is present, which dosing pump has a stroke such that its displacement is slightly greater or almost equal to that of the regeneration cylinder in a pressure group, where one set of cylinders gets cold and the other is heated and the separating pistons present in the regeneration cylinders prevent mixing of thermal medium between regeneration cylinders. According to another feature, the pressure tubes are relatively long and thin, so that they can absorb high pressures, while the wall thickness is as small as possible for favorable heat transport.

De uitvinding wordt nu toegelicht aan de hand van de tekening, waarvan de figuren de volgende betekenissen hebben:The invention is now elucidated with reference to the drawing, the figures of which have the following meanings:

Figuur 1 is een grafiek van de uitzettingscoëfficiënt van twee soorten paraffinen A en B in het werktemperatuurgebied van 20 tot 60°C, waarbij de waarden zijn bepaald van 70 cm3 paraffine.Figure 1 is a graph of the expansion coefficient of two types of paraffins A and B in the operating temperature range of 20 to 60 ° C, with the values determined from 70 cm 3 of paraffin.

Figuur 2 is een doorsnede van de hydrothermische generator volgens de uitvinding, waarbij twee regeneratiecilinders, met daarin druk-pijpen met uitzettingsmedium, alsmede de aansluiting met de werkcilin-ders zijn aangegeven.Figure 2 is a cross-section of the hydrothermal generator according to the invention, showing two regeneration cylinders, containing pressure pipes with expansion medium, as well as the connection to the working cylinders.

Figuur 3 is een doorsnede langs de lijn A-B van figuur 2, die de onderlinge opstelling van de regeneratiecilinders, waarvan er vijf zijn getekend, met zeven drukpijpen in elke regeneratiecilin-der, weergeeft.Figure 3 is a sectional view taken on line A-B of Figure 2 illustrating the mutual arrangement of the regeneration cylinders, five of which are drawn, with seven pressure pipes in each regeneration cylinder.

Figuren 4a, 4b en 4c geven een schematische voorstelling van het verloop van de thermische regeneratie in een regeneratiecilinder, waarbij voor het vereenvoudigen van de illustratie de regeneratie- cilinders in de tekening in lijn achter elkaar zijn geplaatst.Figures 4a, 4b and 4c show a schematic representation of the course of the thermal regeneration in a regeneration cylinder, wherein the regeneration cylinders in the drawing are placed in line one behind the other to simplify the illustration.

Figuur 5 toont een schematische doorsnede volgens figuur 3, waarin de twee standen van de kranen in de cyclus aangegeven in figuren 4a, 4b en 4c worden getoond.Figure 5 shows a schematic cross-section according to Figure 3, showing the two positions of the valves in the cycle shown in Figures 4a, 4b and 4c.

Figuur 6 geeft schematisch de opstelling van het aandrijvende deel van de lagedrukcilinder van de hydrothermische generator, waarbij de regeneratiecilinders ter wille van de eenvoud zijn weggelaten.Figure 6 schematically shows the arrangement of the driving part of the low-pressure cylinder of the hydrothermal generator, with the regeneration cylinders omitted for simplicity.

In figuur 1 wordt een grafiek van de uitzetting van twee soorten paraffinen A en B ten opzichte van de temperatuur geïllustreerd. Op de X-as wordt de temperatuur aangegeven in °C en op de Y-as de uitzetting in kubieke centimeter. De krommen werden bepaald door uit te gaan van 70 cm3 paraffine dat in een tijdsverloop van 24 minuten vanuit de vaste toestand werd verhit. Paraffine A heeft een smeltpunt van 42-44 °C en paraffine B van circa 55°C, hetgeen in de grafiek met een kruisje is aangegeven. Beide krommen vertonen een sterke stijging van de uitzetting voorbij het smeltpunt, waarbij kromme A naar lagere temperaturen is verschoven. Uit de grafiek blijkt dat de paraffinen niet in het gehele temperatuurtrajekt, waarbij men wenst te werken, vloeibaar behoeven te zijn. Het heeft echter bijzondere voorkeur dat het medium in het kritische temperatuurgebied uitsluitend in vloeibare vorm aanwezig is. De grafiek laat verder zien dat men een aanzienlijke uitzetting kan bereiken die voor bij voorbeeld paraffine B bij 1 bar druk in het gebied van 35 tot 60°C circa 16% bedraagt.In Figure 1, a graph of the expansion of two types of paraffins A and B relative to temperature is illustrated. On the X-axis the temperature is indicated in ° C and on the Y-axis the expansion in cubic centimeters. Curves were determined starting from 70 cm 3 of paraffin which was heated from the solid state over a 24 minute period. Paraffin A has a melting point of 42-44 ° C and Paraffin B of about 55 ° C, which is indicated by a cross in the graph. Both curves show a sharp increase in expansion beyond the melting point, with curve A shifted to lower temperatures. It can be seen from the graph that the paraffins need not be liquid throughout the temperature range at which one wishes to work. However, it is particularly preferred that the medium in the critical temperature range is present only in liquid form. The graph further shows that a considerable expansion can be achieved which is, for example for paraffin B at 1 bar pressure in the range of 35 to 60 ° C, approximately 16%.

In figuur 2 wordt een doorsnede van de hydrothermische generator met de regeneratiecilinders en de aansluiting aan de (niet weergegeven) hydraulische motor geïllustreerd, waarin het principe van de uitvinding wordt benut. Het hogedrukgedeelte bestaat uit een isolerende re-generatieilinder 1, waarin evenwijdige drukbuizen 3 aanwezig zijn waarin zich uitzettingsmedium 4 volgens de uitvinding, zoals paraffine bevindt. Bij voorkeur is voor een doelmatige regeneratie de hoeveelheid thermisch medium van dezelfde grootte-orde als de hoeveelheid uitzettingsmedium in een regeneratiecilinder. Het thermisch medium, bij voorbeeld water, wordt door 2 aangegeven. De drukbuizen 3 zijn via een spruitstuk 5, koppeling 6 met isolatie -7, via plunjercilin-der 8 waarin zich plunjer 9 bevindt, aan de plunjercilinder 13 aangesloten. Punjer 9 is gekoppeld aan een zuiger 12 die in de cilinder 13 beweegt. De plunjercilinder is vastgemaakt met sluitmoer 22in een tussenplaat 18 terwijl achter de sluitmoer 11 labyrinth- dichtringen zijn aangegeven. Cilinder 13 is met trekbouten in tussenplaten 18 en 19 bevestigd. De cilinder 13 staat in verbinding met een olieleiding 20. In de regeneratiecilinder 20 bevindt zich tevens een toevoer en afvoer voor thermisch medium, welke verwisseld kunnen zijn. Met 14 wordt de verdringerzuiger of scheidingszuiger aangegeven, die in de isolerende regeneratiecilinder verschuifbaar is. Deze zuiger belet dat tijdens bedrijf van de ene naar de andere regeneratiecilinder verplaatste hoeveelheden thermisch medium onderling zouden worden vermengd. Met 23 wordt een differentieel aangegeven die de cycluskranen 36 en 37 beurtelings bestuurd.Figure 2 illustrates a cross-section of the hydrothermal generator with the regeneration cylinders and the connection to the hydraulic motor (not shown), in which the principle of the invention is utilized. The high-pressure part consists of an insulating regeneration cylinder 1, in which parallel pressure tubes 3 are present, in which expansion medium 4 according to the invention, such as paraffin, is present. Preferably, for efficient regeneration, the amount of thermal medium is of the same order of magnitude as the amount of expansion medium in a regeneration cylinder. The thermal medium, for example water, is indicated by 2. The pressure pipes 3 are connected to the plunger cylinder 13 via a manifold 5, coupling 6 with insulation -7, via plunger cylinder 8 in which plunger 9 is located. Pin 9 is coupled to a piston 12 which moves in the cylinder 13. The plunger cylinder is secured with lock nut 22 in an intermediate plate 18 while labyrinth seals are indicated behind the lock nut 11. Cylinder 13 is mounted in intermediate plates 18 and 19 with pull bolts. The cylinder 13 communicates with an oil line 20. The regeneration cylinder 20 also contains a supply and discharge for thermal medium, which can be exchanged. 14 indicates the displacement piston or separating piston, which is slidable in the insulating regeneration cylinder. This piston prevents the amounts of thermal medium displaced from one regeneration cylinder to another from mixing during operation. 23 indicates a differential which controls cycle valves 36 and 37 alternately.

Figuur 3 geeft de onderlinge opstelling van de regeneratiecilin-ders in de doorsnede A-B van figuur 2 aan. De kraan 36 bevindt zich centraal in de tekening, waarvan de stand nader wordt toegelicht in figuur 5.Figure 3 shows the mutual arrangement of the regeneration cylinders in section A-B of Figure 2. The crane 36 is centrally located in the drawing, the position of which is explained in more detail in Figure 5.

De werking van de regeneratiecyclus wordt thans toegelicht door figuren 4a, 4b en 4c. In deze figuren worden met K en W koudwater-en warmwaterreservoirs aangeduid, bij gebruik van water als thermisch medium. Bij koudwaterreservoir K bevindt zich doseerpomp 33 die door middel van excentriek 35 konstant water naar de te koelen regeneratiecilinder met drukpijpen stuurt. De doseerpomp is zodanig ingesteld dat het in één slag getransporteerde medium een volume heeft dat nagenoeg gelijk is aan of iets meer dan het volume van de afzonderlijke regeneratiecilinders, waarvan er vijf zijn getekend. Met 39 wordt een taktkraan aangegeven die de stroomrichting van warm naar koud of omgekeerd instelt. Met 34 worden terugslagkleppen aangegeven.The operation of the regeneration cycle is now illustrated by Figures 4a, 4b and 4c. In these figures, K and W denote cold water and hot water reservoirs, when water is used as a thermal medium. Metering pump 33 is located at cold water reservoir K and sends constant water to the regeneration cylinder with pressure pipes to be cooled by means of eccentric 35. The dosing pump is set so that the one-stroke conveyed medium has a volume substantially equal to or slightly more than the volume of the individual regeneration cylinders, five of which are drawn. 39 indicates a tap that sets the flow direction from warm to cold or vice versa. 34 indicates non-return valves.

In figuur 4a stroomt water van het warmwaterreservoir 32 door de onderste reeks cilinders via de taktkraan 39 naar het koudwaterreservoir 31. Bij het naar boven bewegen van de plunjer van de doseerpomp 33 (pijl 38) wordt een vaste hoeveelheid vloeistof, in dit geval water, via de terugslagklep 34 naar de bovenste reeks cilinders vervoert. Deze hoeveelheid is zodanig ingesteld dat de scheidings-zuigers 14 zich van de bovenste stand naar de onderste stand respek-tievelijk de onderste stand naar de bovenste stand bewegen, en aldus deze vaste hoeveelheid water één regeneratiecilinder verder wordt bewogen. Dezelfde handeling wordt in tegengestelde richting in de onderste hogedruktank uitgevoerd.In figure 4a, water flows from the hot water reservoir 32 through the lower series of cylinders via the branch valve 39 to the cold water reservoir 31. When the plunger of the dosing pump 33 (arrow 38) moves upwards, a fixed amount of liquid, in this case water, via the check valve 34 to the upper set of cylinders. This amount is adjusted so that the separating pistons 14 move from the top position to the bottom position and the bottom position to the top position, respectively, and thus move this fixed amount of water one regeneration cylinder. The same operation is performed in the opposite direction in the lower high-pressure tank.

In figuur 4b, die de toestand weergeeft na de beëindiging van de in figuur 4a aangegeven trap, waarbij de kranen 36 en 37 van stand zijn verwisseld, beweegt de doseerpomp zich naar beneden (pijl 38), waardoor eenzelfde hoeveelheid water, zoals in figuur 4a, wordt verplaatst die nu via de onderste terugslagklep 34 in de schuif 39 in tegengestelde richting stroomt als in figuur 4a. Na beëindiging van deze trap bevinden zich de scheidingszuigers aldus in dezelfde stand als in figuur 4a.In Figure 4b, which shows the condition after the completion of the stage shown in Figure 4a, where the valves 36 and 37 have changed positions, the dosing pump moves downwards (arrow 38), producing the same amount of water, as in Figure 4a , which now flows via the lower non-return valve 34 in the slide 39 in the opposite direction as in figure 4a. After this stage has ended, the separating pistons are thus in the same position as in figure 4a.

In figuur 4c is dezelfde uitgangstoestand als in figuur 4a bereikt met dien verstande dat thans de taktkraan 39 is verplaatst, als aangegeven, waardoor de stroomrichtingen van het koude en warme water worden omgekeerd zodat nu de onderste groep koud en het bovenste warm wordt. De door de doseerpomp 33 verplaatsbare hoeveelheid water loopt nu door de onderste reeks regeneratiecilinders trapsgewijze naar het warmwaterreservoir 32, terwijl in de bovenste eveneens de stroomrichting is omgekeerd en deze groep cilinders wordt verwarmd.In Fig. 4c, the same initial state as in Fig. 4a has been reached, with the exception that the tap tap 39 has now been moved, as indicated, so that the flow directions of the cold and warm water are reversed, so that the lower group now becomes cold and the upper one becomes warm. The amount of water displaceable by the metering pump 33 now flows stepwise through the lower series of regeneration cylinders to the hot water reservoir 32, while in the upper one the flow direction is also reversed and this group of cylinders is heated.

De omschakeling van de stroomrichting door verplaatsing van de takt-schuif 39 kan op elektrische of mechanische of op andere wijze geschieden, bij voorbeeld door een door de excentriek afgegeven signaal.The change of current direction by displacing the stroke slider 39 can be done electrically or mechanically or otherwise, for example by a signal delivered by the eccentric.

Men kan het aantal doseerslagen in elke cyclus afhankelijk van de gegeven situatie instellen, maar het is duidelijk dat door het "stapsgewijze" transport van koud en warm medium tussen twee uiterste temperaturen meerdere doseerslagen nodig zijn. Men bereikt reeds goede resultaten met zeven slagen voordat wordt omgeschakeld op de andere stroomrichting. Opgemerkt wordt dat ter wille van de duidelijkheid in figuren 4a, 4b en 4c de aansluitingen van de regeneratiecilinders op de hydraulische motor niet zijn weergegeven.The number of dosing strokes in each cycle can be set depending on the given situation, but it is clear that the "stepwise" transport of cold and warm medium between two extreme temperatures requires several dosing strokes. Good results are already achieved with seven strokes before switching to the other flow direction. It is noted that for the sake of clarity, the connections of the regeneration cylinders to the hydraulic motor are not shown in Figures 4a, 4b and 4c.

In figuur 5 worden de twee standen van de kranen 36 en 37 in bovenaanzicht aangegeven. De standen van de kranen 36 en 37 zijn steeds verschillend, dat wil zeggen wanneer kraan 36 wordt omgeschakeld wordt tegelijkertijd kraan 37 omgeschakeld door middel van differentieel 23.In figure 5 the two positions of the cranes 36 and 37 are shown in top view. The positions of the valves 36 and 37 are always different, i.e. when valve 36 is switched over, valve 37 is switched at the same time by means of differential 23.

In figuur 6 wordt tenslotte schematisch de aansluiting van de door de regeneratiecilinders aangedreven cilinders met de hydraulische motor aangegeven. Aan twee kanten werken vijf cilinders op het hydraulische reservoir in, door middel van leidingen voorzien van kleppen 53, die enerzijds verbinding geven met een buffer 54, die werkt als een hydropneumatische accu, en anderzijds met de leidingen 51 die met de hydraulische motor in verbinding staan via een kraan 52. De zuigers in de vijf cilinders zijn elk in een andere stand getekend behorende bij de temperatuurwaarden in de afzonderlijke cilinders, zoals overeenkomt met de toelichting op figuren 4a, 4b en 4c.Finally, figure 6 schematically shows the connection of the cylinders driven by the regeneration cylinders with the hydraulic motor. On two sides, five cylinders act on the hydraulic reservoir, by means of pipes provided with valves 53, which on the one hand connect to a buffer 54, which acts as a hydropneumatic battery, and on the other hand to the pipes 51 which communicate with the hydraulic motor are positioned via a valve 52. The pistons in the five cylinders are each drawn in a different position corresponding to the temperature values in the individual cylinders, as corresponds to the explanation of figures 4a, 4b and 4c.

In de tekening is voorts nog een opvangbuffer 55 en een by-pass-kraan 56 weergegeven. Motor 50 die bij voorbeeld de torusmotor volgens het Amerikaans octrooischrift 4.636.157 is of elke andere hydraulische motor, wordt in de pijlrichting aangedreven door een hydraulisch medium.The drawing furthermore shows a collecting buffer 55 and a by-pass valve 56. Motor 50, which is, for example, the torus motor of U.S. Patent 4,636,157 or any other hydraulic motor, is driven in the arrow direction by a hydraulic medium.

In de nu volgende tabel wordt als voorbeeld het temperatuurver-loop gegeven wanneer men vijf regeneratiecilinders heeft die in zeven slagen thermisch worden geregenereerd. Het koudwaterreservoir heeft daarbij een temperatuur van 20°C en het warmwaterreservoir van 80°C. In de bovenste reeks vindt opwarming plaats waarbij steeds een ingestelde hoeveelheid water in de bovenste reeks wordt geplaatst.In the following table, the temperature trend is given as an example when one has five regeneration cylinders which are thermally regenerated in seven strokes. The cold water reservoir has a temperature of 20 ° C and the hot water reservoir of 80 ° C. In the upper series, heating takes place, whereby a set amount of water is always placed in the upper series.

Men gaat uit van de toestand in balans waarbij de eerste cilinder gerekend vanaf het warmwaterreservoir een temperatuur van 51,5°C heeft en de laatste cilinder 20,2°C. In de volgende plaatsvindende slag wordt water van 80°C in cilinder met 51,5°C ingevoerd, water van 51,5°C wordt in de tweede cilinder met 38°C ingevoerd, enz. De temperatuur die zich in elke volgende cilinder instelt is het gemiddelde van de oorspronkelijke temperatuur en de temperatuur van de ingevoerde waterhoeveelheid. In de voorkeursuitvoeringsvorm wordt namelijk de inhoud van het uitzettingsmedium en het thermisch medium in de regeneratiecilinder als nagenoeg gelijk gekozen. Na 7 dagen bereikt men dan het temperatuurevenwicht zoals in de onderste rij aangegeven Vanuit deze toestand wordt de stroomrichting omgekeerd en vindt de koeling plaats op analoge wijze als voor de opwarming vermeld. Zoals in deze tabel duidelijk is gaat geen onnodige warmte verloren door menging van koude met zeer warme vloeistof. Men bereikt weliswaar geen eindtemperatuur van 80°C voor alle cilinders, maar dit is voor een goede werking van de generator niet noodzakelijk. Zoals uit figuur 6 blijkt nemen de aandrijfzuigers voor het hydraulische medium alle een andere eindstand in, waarbij egalisatie plaatsvindt door de aanwezigheid van het buffermedium.The state is in a balanced state, the first cylinder having a temperature of 51.5 ° C calculated from the hot water reservoir and the last cylinder having a temperature of 20.2 ° C. In the next occurring stroke, water of 80 ° C is introduced in cylinder with 51.5 ° C, water of 51.5 ° C is introduced in the second cylinder with 38 ° C, etc. The temperature that is set in each subsequent cylinder is the average of the original temperature and the temperature of the water quantity entered. Namely, in the preferred embodiment, the content of the expansion medium and the thermal medium in the regeneration cylinder is selected as substantially equal. After 7 days, the temperature equilibrium as indicated in the bottom row is then reached. From this state, the direction of flow is reversed and the cooling takes place in an analogous manner as before the heating. As is clear in this table, unnecessary heat is not lost by mixing cold with very warm liquid. Although a final temperature of 80 ° C is not reached for all cylinders, this is not necessary for the proper functioning of the generator. As can be seen from Figure 6, the hydraulic medium drive pistons all occupy a different end position, equalization being effected by the presence of the buffer medium.

TabelTable

Temperatuurverloop in regeneratiecilinder (5, zie figuur 3jr Warm: 80°C - Slagen: 7 - Koud: 20°CTemperature development in regeneration cylinder (5, see figure 3yr Warm: 80 ° C - Strokes: 7 - Cold: 20 ° C

51 ,5 38,0 22,4 21 ,9 20,2 65.8 44,8 37,2 24,6 21 ,1 72.9 55,3 38,7 28,7 22,8 76.4 64,1 47,0 33,7 25,8 78,2 70,3 55,5 40,3 29,7 28,0 79.1 74,2 62,9 47,9 35,0 79,6 76,2 68,6 55,4 41,5 79.8 78,1 72,6 62,0 48,5 79.8 78,1 72,6 62,0 48,5 78.9 75,4 67,3 55,2 34,2 77.2 71 ,3 61 ,3 44,7 27,1 74.2 66,3 53,0 35,9 23,6 72,0 70,3 59,7 44,5 29,7 21,8 65,0 52,1 37,1 25,8 20,9 58.5 44,6 31,4 23,3 20,4 51.5 38,0 27,4 21,9 20,251, 5 38.0 22.4 21, 9 20.2 65.8 44.8 37.2 24.6 21.1 72.9 55.3 38.7 28.7 22.8 76.4 64.1 47.0 33. 7 25.8 78.2 70.3 55.5 40.3 29.7 28.0 79.1 74.2 62.9 47.9 35.0 79.6 76.2 68.6 55.4 41.5 79.8 78.1 72.6 62.0 48.5 79.8 78.1 72.6 62.0 48.5 78.9 75.4 67.3 55.2 34.2 77.2 71.3 61.3 44.7 27 , 1 74.2 66.3 53.0 35.9 23.6 72.0 70.3 59.7 44.5 29.7 21.8 65.0 52.1 37.1 25.8 20.9 58.5 44 , 6 31.4 23.3 20.4 51.5 38.0 27.4 21.9 20.2

Claims

1 »Method for converting thermal energy into mechanical energy by expansion of a non-gaseous medium, which expansion is used for propulsion purposes or otherwise, which expansion medium is subjected to a temperature cycle, characterized in that an inert, substantially liquid expansion Measuring medium is used which has the highest possible expansion coefficient of at least 5% by volume in a relatively low temperature range up to not more than approximately 80 ° C, which medium is enclosed in pressure pipes with length / diameter ratios such that they are relatively can withstand high pressures, which pressure tubes are contained in a regeneration cylinder and which pressure tubes are heated or cooled step by step by a thermal medium circulating in the regeneration cylinder circulating between a cold reservoir and a heat reservoir without mixing parts of thermal medium at different temperatures.

Method according to claim 1, characterized in that the thermal medium is moved step by step in a dosed quantity at least equal to the contents of a regeneration cylinder from one regeneration cylinder to another, whereby mixing of thermal medium of different regeneration cylinders is carried out by separating pistons between the pressure tubes in the regeneration cylinder.

Method according to claims 1-2, characterized in that two pressure groups each with several regeneration cylinders are heated or cooled step-by-step and the flow direction of the thermal medium is switched after one cycle has ended.

Method according to claim 3, characterized in that at least five regeneration cylinders per group are present, each of which contains at least seven pressure tubes, which cylinders are connected in series relative to the flow direction of the thermal medium.

Method according to claims 1-4, characterized in that the pressure tube regeneration cylinders are connected in parallel via an intermediate plunger with respect to a buffer, the latter being directly connected to a hydraulic motor or similar device to be driven.

A method according to claims 1-5, characterized in that the amount of thermal medium in a regeneration cylinder is at least equal to the amount of expansion medium, and preferably slightly higher.

Process according to claims 1 to 6, characterized in that as expansion medium a long hydrocarbon which is preferably saturated, in particular a paraffin, substituted products thereof, as well as fatty acids with at least 10 carbon atoms and substituted products thereof are used.

Process according to claim 7, characterized in that paraffins with expansion coefficients at atmospheric pressure of 10-20% in a temperature range of 20 to 80 ° C are used.

Hydrothermal generator for carrying out the method according to claims 1-8, characterized in that it comprises one or more pressure groups of regeneration cylinders (1) of insulating material, provided with several pressure tubes (3) filled with expansion medium (4), the pressure tubes (3) are surrounded by a thermal medium (2), which pressure tubes in the regeneration cylinder (1) communicate with a plunger cylinder (8) on which the pressure medium acts, which plunger cylinder (8) is further coupled to a drive mechanism, which regeneration cylinders (1) are connected in series in groups with respect to the flow direction of the thermal medium (2) but parallel to cold and heat reservoirs (31, 32), in each regeneration cylinder (1) a separating piston (14 ) which prevents the step-by-step mixing of circulating thermal media with different temperatures, as well as a switching valve (39) for reversing after each heating or cooling cycle honor the direction of the thermal cycle.

Device according to claim 9, characterized in that two or more pressure groups between the heat and cold reservoirs are connected in parallel, but are in series with each other by means of a tap (39) with respect to the circulating thermal medium.

Device according to claim 10, characterized in that five regeneration cylinders, each containing seven pressure tubes, are connected in the thermal circuit.

12. Device according to claims 9-11, provided with a tap valve (39) and associated mechanism for switching over the cooling and heating circuit open.

Device according to claim 12, characterized in that two taps (36, 37) are provided, which are switched in tact with a pump (33) and reverse the regeneration flow.

Device according to claims 9-13, characterized in that the regeneration cylinder is arranged such that the amount of thermal medium is at least equal to or slightly higher than the amount of thermal medium present in the pressure tubes.