NO330209B1 - Apparat og fremgangsmate for a omdanne en andel av spesifikk energi i et fluid i gassfase til mekanisk arbeid - Google Patents

Abstract

Det beskrives et apparat (1) og en framgangsmåte for å omdanne en andel av spesifikk energi i et fluid i gassfase til mekanisk arbeid, hvor apparatet (1) omfatter: i det minste ett hus (3, 3') som er forsynt med i det minste ett gasstilførselsparti (7, 7') og i det minste ett eksosparti (9, 9'), hvor hvert av det minst ene huset (3, 3') omfatter; et skovlhjul (5) som er roterbart anordnet i huset (3, 3') og som innbefatter: en aksel (51) som er omsluttet av en trommel (53); minst to skovler (55) som er bevegelig anordnet trommelen (53) slik at et parti (57) av skovlene (55) er innrettet til å kunne bli ført mot husets (3, 3') innvendige mantelflate (31) på en slik måte at trommelen (53), husets (3) innvendige mantelflate (31) og skovlene (55) avgrenser kammer (59) innrettet til å kunne romme gass, hvor et effektivt areal til en skovl (55) som befinner seg umiddelbart oppstrøms eksospartiet (9, 9') er større enn et effektivt areal til en skovl (55) som befinner seg umiddelbart oppstrøms gasstilførselspartiet (7, 7'); at skovlhjulet (5) utgjør en barriere mellom gasstilførselspartiet (7, 7') og eksospartiet (9, 9'); og at eksospartiet (9, 9') til ett av det minst ene huset (3, 3') er tilordnet en kondensator (11) for å kondensere gassen som er brakt inn i eksospartiet (9, 9').

Description

APPARAT OG FREMGANGSMÅTE FOR Å OMDANNE EN ANDEL AV SPESIFIKK ENERGI I ET FLUID I GASSFASE TIL MEKANISK ARBEID.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat og en fremgangsmåte for å omdanne en andel av spesifikk energi i et fluid i gassfase til mekanisk arbeid.

En stor del av den elektriske energi som blir produsert tilveiebringes ved hjelp av ge-neratorer som drives ved hjelp av dampturbiner. Dampen som driver turbinene frembringes for eksempel ved forbrenning av kull. Omtrent 40 % av all elektrisk energi som forbrukes produseres på denne måten. I tillegg produseres elektrisk energi ved hjelp av atomreaktorer som anvender energien til å produsere damp eller fra såkalte gasskraftverk som benytter eksosen fra forbrenning av gass til å produsere damp.

Det er flere ulemper relatert til det å produsere elektrisk energi ved hjelp av dampturbiner ifølge kjent teknologi. Ulempene relaterer seg til relativt dårlig utnyttelse av drivstoffets energi i form av produsert strøm, samtidig som utstyret som kreves er kostbart og omfattende og fordrer omfattende hjelpesystemer. Dessuten må dampturbiner opereres med svært høye hastigheter. Dette fordi sugekreftene fra undertrykket på vakuumsiden brukes til å lage høye strømmngshastigheter, og for å fange størst mulig andel av energien må turbinhjulene roteres med høyt turtall. En annen vesentlig ulempe er at dampturbiner krever overopphetet steam for å unngå kondensering og ødeleggelse av turbinen.

Fra publikasjonen US 2006/0201156 er det kjent et apparat for å omdanne en andel av spesifikk energi i et fluid i gassfase til mekanisk arbeid. Apparatet omfatter et hus som er forsynt med et gasstilførselsparti og et eksosparti, hvor huset omfatter en trommel med utragende skovlhjul som er roterbart anordnet i huset. Et parti av skovlene er innrettet til å kunne bh ført mot husets innvendige mantelflate på en slik måte at trommelen, husets innvendige mantelflate og skovlene avgrenser et kammer innrettet til å kunne romme gass. Skovlhjulet utgjør en barriere mellom gasstilførselspar-tiet og eksospartiet.

Fra publikasjonen US 5537974 er det kjent et skovlhjul med skovler som er koplet til en kondensator.

En fagmann vil være kjent med at effektiviteten i en dampturbin er avhengig av gjen-nomstrømningen i turbinen. Gjennomstrømningen er påvirket blant annet av det undertrykket som oppnås i en kondensator som er tilknyttet turbinens eksosparti. Undertrykket er igjen påvirkelig av hvilken kjøling som kondensatoren kan tilveiebringe.

Det er kjent at moderne gasskraftverk benytter sjøvann til å oppnå best mulig kjøling i kondensatoren. For eksempel er det kjent gasskraftverk som forbruker 60 m<3>sjøvann ved 4 °C for å produsere 1MW med strøm, hvor kjølevannet ut av kondensatoren har en temperatur på omtrent 14 °C. Således går store energimengder til spille.

Mange typer gasser vil være egnet til bruk i apparatet. En av de mest aktuelle gasser er vann i gassfase, altså damp. I det etterfølgende vil begrepet "damp" bli benyttet i tillegg til gass. Damp skal imidlertid oppfattes som også å kunne omfatte en hvilken som helst egnet gass.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste en av ulempene ved kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i etterfølgende patentkrav.

Ifølge et første aspekt ved den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt et apparat for å omdanne en andel av spesifikk energi i et fluid i gassfase til mekanisk arbeid, hvor apparatet omfatter: - i det minste ett hus som er forsynt med i det minste ett gasstilførselsparti og i det minste ett eksosparti, hvor hvert av det minst ene huset omfatter; - et skovlhjul som er roterbart anordnet i huset og som innbefatter: en aksel som er omsluttet av en trommel; minst to skovler som er bevegelig anordnet trommelen slik at et parti av skovlene er innrettet til å kunne bli ført mot husets innvendige mantelflate på en slik måte at trommelen, husets innvendige mantelflate og skovlene avgrenser ett eller flere kammer innrettet til å kunne romme gass, hvor et effektivt areal til en skovl som befinner seg umiddelbart oppstrøms eksospartiet er større enn et effektivt areal til en skovl som befinner seg umiddelbart oppstrøms gasstilførselspartiet; og at det effektive arealet til skovlene er størst når skovlene befinner seg umiddelbart oppstrøms eksospartiet og minst når skovlene befinner seg i et parti avgrenset av en nedstrøms side av eksospartiet og gasstilførselspartiet, at skovlhjulet utgjør en barriere mellom gasstilførselspartiet og eksospartiet; og at eksospartiet til ett av det minst ene hus er tilordnet en gasstett kondensator som er innrettet til å kunne frembringe tilnærmet vakuum ved å tilveiebringe faseovergang fra gass til væske av gassen i eksospartiet og i kammeret som står i fluidkommunikasjon med eksospartiet. Kondensatoren er forsynt med et styrt utløp for å kunne tilveiebringe vakuum i kondensatoren.

Med effektivt areal menes i denne sammenheng den komponenten av arealet som

bevirker rotasjon av skovlhjulet. For eksempel vil en skovl som er skråstilt i forhold til skovlhjulets trommeloverflate (og husets innvendige mantelflate), ha et effektivt areal som er avgrenset av den komponenten av arealet som rager vinkelrett ut fra trommelens overflate.

Det er en fordel om det effektive arealet til den skovlen som befinner seg umiddelbart oppstrøms gasstilførselspartiet, er tilnærmet null. Dette oppnås ved at skovlhjulets trommel er nærmest mulig husets innvendige mantelflate og at skovlen praktisk talt ikke rager ut fra trommelen. Dette har den effekt at siden det effektive arealet er tilnærmet null, vil det, med unntak av friksjonskrefter, ikke være krefter som virker mot skovlhjulets rotasjon.

Det er en fordel om gasstilførselspartiet er forsynt med en kamnst innrettet til å kunne styre skovlene slik at det effektive arealet til skovlen øker gradvis gjennom gasstilfør-selspartiet.

Det er en fordel om eksospartiet er forsynt med en kamrist innrettet til å kunne styre skovlen slik at det effektive arealet til skovlen reduseres gradvis gjennom eksospartiet. Dette har den effekt at skovlene ledes gjennom eksospartiet og styres til korrekt stilling i forhold til husets innvendige mantelflate nedstrøms eksospartiet.

Forsøk har overraskende vist at det er en fordel om et parti av huset nedstrøms eksospartiet er forsynt med en drenenngsanordning som står i forbindelse med eksospartiet på en slik måte at fluid som måtte bli ført med skovlen fra eksospartiet og mot gasstilførselspartiet, vil kunne dreneres til eksospartiet. I en utførelse utgjøres drene-nngsanordningen av ett eller flere spor i husets mantelparti.

Det er en fordel om kamnstene og dreneringsanordnmgen i huset er skråstilte i forhold til skovlenes bevegelsesretning slik at eventuell slitasje av skovlene blir jevnt fordel og at shtasjespor unngås. Det skal forstås at skråstilte kamnster og sporene i huset kun er en fordel i de tilfeller hvor skovlene ligger an mot husets innvendige mantelflate og kamnstene. Dersom skovlene styres med en liten avstand fra husets innvendige mantelflate og kamnstene, vil slitasje ikke være relevant. Med liten avstand menes en avstand som typisk er mindre enn 0,05 mm. En slik avstand kan opp nås for eksempel ved hjelp av magnetiske krefter, hvor huset og skovlenes endeparti magnetiseres med samme polaritet. Magnetfeltet som oppstår vil i tillegg virke tetten-de mot fluidlekkasje mellom skovlene og huset.

I én utførelse øker det effektive arealet til skovlene kontinuerlig fra umiddelbart opp-strøms gasstilførselspartiet og til umiddelbart oppstrøms eksospartiet. Alternativt øker det effektive arealet til skovlene trinnvis fra umiddelbart oppstrøms gasstilførselsparti-et og til umiddelbart oppstrøms eksospartiet.

Ved å øke det effektive arealet til skovlene kontinuerlig fra umiddelbart oppstrøms gasstilførselspartiet og til umiddelbart oppstrøms eksospartiet, vil volumet til kammeret som avgrenses mellom to skovler, trommelens utvendige overflate og husets innvendige mantelflate, øke etter hvert som skovlhjulet roterer. Dette betyr at det vil være en trykkdifferanse mellom to etterfølgende kamre, slik at resultantkraften som virker på hver skovl vil være positiv sett i rotasjonsretnmgen.

I én utførelse omfatter apparatet ifølge oppfinnelsens første aspekt to eller flere hus

som er anordnet i serie. Eksospartiet til det siste huset i serien av de to eller flere hus er tilknyttet kondensatoren for å tilveiebringe kondensering av gassen ved apparatets utløp. Ved et slikt arrangement kan energien i gassen tas ut trinnvis gjennom apparatets to eller flere hus.

Alternativt eller i tillegg til det å anbringe to eller flere hus i sene som beskrevet oven-for, kan to eller flere hus anordnes parallelt, hvor eksospartiet til et første hus er tilkoplet gasstilførselspartiet til to etterfølgende hus.

Ved et apparat ifølge den foreliggende oppfinnelse som er forsynt med flere skovler som til sammen tilveiebringer flere kamre, kan differensialtrykket som oppstår når gassen ekspanderer, utnyttes gjennom hele ekspansjonen fra gasstilførselspartiet og til eksospartiet.

Undertrykket i kondensatoren vil alltid trekke på størst mulig areal så lenge skovlen har størst areal ved kondensatoren.

Ved å tilveiebringe et apparat som er "tett" (det vil si er forsynt med én eller flere barrierer) mellom trykk- og vakuumside, kan de krefter som oppstår som følge av undertrykket som frembringes ved faseovergang fra gass til væske, såkalte "kollapskrefter" i kondensatoren, kontrolleres. Dette kan oppnås på flere måter. En av disse er å dose-re inn en bestemt mengde (volum) med gass som har et bestemt trykk slik at man

oppnår ønsket differensialtrykk mellom gassen i den siste sektoren før kondensatoren

og den kondenserte gassen i kondensatoren. En annen måte å kontrollere kollapskreftene på er ved å forsyne apparatet med en styreanordnmg som er innrettet til å kunne regulere rotasjonshastigheten til skovlhjulet slik at gassens strømningsrate gjennom apparatet kan reguleres i forhold til kondensatorens kapasitet.

Apparatets rotasjonshastighet kan med fordel påvirkes ved hjelp av en last som står i forbindelse med skovlhjulets aksel. Lasten kan for eksempel være en elektrisk generator.

En ytterligere annen måte å kontrollere kollapskreftene på er ved å forsyne apparatet med en temperaturregulenngsanordning som er innrettet til å kunne påvirke temperaturen til gassen som tilføres apparatet slik at gassen ikke gjennomgår faseovergang fra gass og til væske, altså kollapser, før ankomst til kondensatoren, men heller ikke har en "resttemperatur" som vil kreve ekstra kjøling i kondensatoren.

En enda ytterligere annen måte å kontrollere kollapskreftene på er ved å forsyne apparatet med en reguleringsanordnmg som er innrettet til å kunne påvirke kondensatorens kjølekapasitet.

Det har vist seg fordelaktig om apparatet forsynes med en styringsalgontme innrettet til å regulere en energiproduksjon fra apparatet, hvor styringsalgontmer er innrettet til å kunne påvirke én av eller en kombinasjon av: tilførselsgassens temperatur og/eller trykk; skovlhjulets rotasjonshastighet; kondensatorens kjølekapasitet; lasten.

I et andre aspekt ved den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en framgangsmåte for å styre i det minste undertrykket i et eksosparti til et apparat som er innrettet til å kunne omdanne en andel av spesifikk energi i et fluid i gassfase til mekanisk arbeid, hvor framgangsmåten innbefatter: - å tilføre apparatet et fluid i gassfase gjennom et gasstilførselsparti; - å la fluidet i gassfase lukkes inne i et i det vesentlige fluidtett kammer som avgrenses av minst én barriere som rager ut fra et roterbart element, hvor barrieren beveges langs en innvendig mantelflate til et hus som strekker seg mellom gasstilførselspartiet og et eksosparti;

- å bevege kammeret mellom gasstilførselspartiet og eksospartiet; og

- å frambringe tilnærmet vakuum i eksospartiet (9, 9') og i kammeret (59) som settes i fluidkommunikasjon med dette, hvor vakuumet oppstår ved hjelp av en fluidtett kondensator.

Undertrykket i apparatets eksosparti kan for eksempel styres ved hjelp av rotasjonshastigheten til den roterende barriere for derigjennom å tilpasse gassens strømnings- rate gjennom apparatet til kapasiteten til en kondensator som er tilordnet eksospartiet.

Ved å styre rotasjonshastigheten til den roterende barriere vil dermed den mengde energi som tilføres eksospartiet kunne tilpasses den kjølekapasitet som måtte være tilgjengelig i eksospartiet. Det er således mulig å unngå at trykket i eksospartiet øker som følge av tilførsel av for store mengder med energi, noe som ville resultert i betydelig reduksjon i apparatets virkningsgrad.

I én utførelse styres rotasjonshastigheten til den roterende barriere ved hjelp av en last som er tilkoplet apparatet. Lasten kan for eksempel være en elektrisk generator som er tilkoplet apparatets aksel.

For å sikre at minst mulig energi går med til varmeveksling i kondensatoren, innbefatter en foretrukket framgangsmåte å regulere temperaturen til fluidet som tilføres apparatet slik at temperaturen til fluidet i gassfase som føres mn i kondensatoren, er nær en kondenseringstemperatur.

Det er en fordel om trykket og/eller temperaturen til gassen som tilføres apparatet gjennom gasstilførselspartiet kan reguleres. Ved å kunne regulere temperaturen til gassen som tilføres apparatet kan temperaturen til gassen som føres inn i kondensatoren reguleres til å være nær en kondenseringstemperatur slik at minst mulig energi går med til varmeveksling i kondensatoren.

Det er en fordel om kondensatorens kjølekapasitet kan reguleres slik at kjølekapasite-ten kan tilpasses mengde og egenskaper til den gass som føres inn i kondensatoren.

Det er en fordel ovennevnte regulerings- og stynngsinnretninger styres av en over-ordnet stynngsalgoritme.

Flere enn ett apparat vil kunne være anordnet til én felles aksel.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et snittnss sett fra siden av et prinsipielt apparat ifølge den foreliggende oppfinnelse, hvor apparatet innbefatter tre skovler; Fig. 2 viser apparatet i figur 1 i en utførelse med tolv skovler; Fig. 3 viser oppriss av apparatet i figur 1 og 2 sett fra høyre mot venstre; Fig. 4 viser et oppnss sett fra A-A i figur 2 av en kamrist som er anordnet ved et utløpsparti; Fig. 5 viser en alternativ utførelse av apparatet vist i figur 1; Fig. 6 viser en ytterligere alternativ utførelse av apparatet ifølge oppfinnelsen,

hvor apparatet er forsynt med to gasstilførselspartier og to eksospartier;

Fig. 7 viser i mindre målestokk en utførelse av apparatet ifølge den foreliggende

oppfinnelse hvor apparatet innbefatter to hus som er anordnet i sene; og

Fig. 8 viser i større målestokk apparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse med

en alternativ utførelse av skovlene.

En fagmann vil forstå at de vedlagte tegninger kun er prinsippskisser som viser hovedkomponenter, og at huset i figurene 1-2 og 5-8 er vist uten nødvendige ende-stykker.

På de ulike figurene er like eller tilsvarende komponenter angitt med samme henvis-ningstall. Det vil således ikke bli gitt en forklaring av alle detaljer i forbindelse med hver enkelt figur.

For å gjøre forklaringen til de enkelte figurer klarere, er enkelte posisjonsangivelser i det etterfølgende angitt ved bruk av urskiveangivelser der kl. tolv er opp. Når begrep-ene "oppstrøms" og "nedstrøms" benyttes, forutsettes det at skovlhjulet roterer med urviseren, slik som indikert med pil på figurene.

På figurene angir henvisningstallet 1 et apparat ifølge den foreliggende oppfinnelse. Apparatet 1 innbefatter i det minste ett hus 3 som omslutter et skovlhjul 5 som er roterbart anordnet i huset 3. Huset 3 er forsynt med i det minste ett gasstilførselsparti 7. Minst ett av det minst ene huset 3 er forsynt med ett eller flere eksosparti(er) 9.

Gassen som tilføres apparatet 1 gjennom dets tilførselsparti 7 kan tilføres kontinuerlig eller støtvis. Støtvis tilførsel oppnås ved hjelp av en i og for seg kjent påshppsventil 61 (se fig. 5 og 6) som er innrettet til å kunne styres ved hjelp av i og for seg kjente innretninger som vil være velkjent for en fagmann på området.

Skovlhjulet 5 innbefatter en aksel 51 som er omsluttet av en trommel 53. Minst to skovler 55 er bevegelig anordnet i trommelen 53. Et endeparti 57 av skovlene 55 er innrettet til å kunne bli ført mot husets 3 innvendige mantelflate 31 på en slik måte at trommelen 53, husets 3 innvendige mantelflate 31 og skovlene 55 når disse befinner seg i en idet minste delvis utragende stilling fra trommelen 53, avgrenser volumer eller kammer 59 innrettet til å kunne romme en gass, for eksempel damp. Gassen er ført inn i apparatet gjennom gasstilførselspartiet 7.

Pa figurene 1 og 2 er huset 3 forsynt med to utsparinger eller åpninger. Åpningene i huset 3 er tilordnet gasstilførselspartiet 7 som er anordnet i et øvre parti av huset 3 omtrent kl. tolv, og eksospartiet 9 som strekker seg omtrent mellom kl. sju og kl. ni.

Eksospartiet 9 er tilknyttet en kondensator 11 som er forsynt med en kjøleinnretnmg i form av en rørsløyfe 13 av i og for seg kjent art. Et fluid kan strømmes gjennom rørsløyfen 13. Alternativt eller i tillegg til rørsløyfen 13 kan kondensatoren 11 være forsynt med et vanntåkearrangement (ikke vist) eller andre innretninger egnet for å kunne tilveiebringe kjøling i kondensatoren.

Gass som er kondensert i kondensatoren 11 pumpes ut av denne og inn i en konden-satledning 14 ved hjelp av en pumpeinnretnmg 15. Det er avgjørende for den foreliggende oppfinnelse at kondensatoren er tett slik at det kan oppnås et visst vakuum i kondensatoren. Pumpeinnretningen 15 er derfor tilordnet en ikke vist stynngsinnret-nmg som styrer et væskenivå 12 i kondensatoren 11 til å danne en tetning i kondensatorens 11 bunnparti.

Eneste forskjell mellom figurene 1 og 2 er antallet skovler, hvor figur 1 er vist i en utførelse med tre skovler 55, mens figur 2 er vist i en utførelse med tolv skovler 55. Skovlene 55 er i de viste utførelser anordnet med innbyrdes hk avstand.

Skovlene 55 er innrettet til å bevege seg inn- og ut av spalter 54 i trommelen 53 ved hjelp av en ikke vist stynngsinnretning. Styringsinnretnmgen kan i én utførelse utgjø-res av et forspenningselement, som for eksempel en fjæranordning (ikke vist) som er innrettet til å drive skovlene 55 til anlegg mot eller i retning mot husets 3 innvendige mantelflate 31. I en alternativ utførelse utgjøres styringsinnretnmgen av en kamsty-ringsanordnmg som er innrettet til å drive skovlene 55 til anlegg mot eller i retning mot husets 3 innvendige mantelflate 31. Skovlene 55 vil i ytterligere andre utførelser kunne styres pneumatisk eller hydraulisk. På hvilken måte styringen av skovlene 55 oppnås er imidlertid ikke vesentlig for den foreliggende oppfinnelse.

I figurene 1 og 2 øker avstanden mellom trommelen 53 og husets 3 innvendige mantelflate 31 fra oppstrøms gasstilførselspartiet 7 (omtrent kl. elleve på figurene) og til et oppstrøms parti av eksospartiet 9 (omtrent kl. sju på figurene). I en alternativ utfø-relse øker avstanden trinnvis mellom trommelen 53 og husets 3 innvendige mantelflate fra et oppstrøms parti av gasstilførselspartiet 7 og til et oppstrøms parti av eksos partiet 9. Det vil si at radius fra et senterparti av akselen 51 og til husets 3 innvendige mantelflate 31 i ett (se fig. 5) eller flere partier mellom gasstilførselspartiet 7 og eksospartiet 9 er ekvidistant.

Gass, for eksempel damp, med en gitt temperatur og et gitt trykk som føres mn i apparatet 1 ifølge figurene 1, 2, 6-8 gjennom dets gasstilførselsparti 7, vil etter hvert som skovlhjulet 5 roterer, ekspandere. Dette fordi volumet til kamrene 59 som avgrenses av husets 3 innvendige mantelflate 31, trommelens 53 utvendige overflate og hvilke som helst to etterfølgende skovler 55, vil øke.

Det stadig økende volumet til kamrene 59 vil resultere i at trykket i gassen i hvert av kamrene 59 stadig vil reduseres etter hvert som gassen ledes "innelukket" i hvert av kamrene 59 fra innløpspartiet 7 og til eksospartiet 9. Det vil derfor oppstå et differensialtrykk mellom gassen i hvilke som helst to etterfølgende kamre.

Arealet av det partiet av en skovl 55 som rager ut fra trommelen 53 og som avgrenser to etterfølgende kamre, vil praktisk talt være likt på begge sider. Resultantkraften som virker på hver av skovlene 55 som befinner seg mellom gasstilførselspartiet 7 og eksospartiet 9 vil derfor bidra til å rotere trommelen 53 med urviseren. Dette kan også betraktes som følger: I og med at det effektive arealet til skovlene 55 som avgrenser et hvilket som helst kammer 59 mellom gasstilførselspartiet 7 og eksospartiet 9, vil være forskjellig i utfø-relsene vist for eksempel i figur 2, og i og med at spenningen fra gassen vil være lik mot alle flater i kammeret 59, vil kraften som virker mot kammerets 59 to skovler 55 være ulik. Det vil dermed oppstå en differensialkraft som bevirker rotasjon av skovlhjulet 5 i forhold til huset 3 i en retning med urviseren.

Den største resultantkraften som bidrar til å rotere trommelen 53, vil imidlertid oppstå i det øyeblikk en skovl 55 føres mn over eksospartiet 9 som er tilkoplet kondensatoren 11. Gassen som befinner seg i det kammeret 59 som føres mn over eksospartiet 9 og som dermed blir "punktert", vil kollapse umiddelbart. Det vil da oppstå et betydelig differensialtrykk mellom det punkterte kammeret og det etterfølgende kammeret.

Rotasjonshastigheten styres ved hjelp av en last (ikke vist) som er tilkoplet skovlhjulets 5 aksel 51. Lasten kan for eksempel være en generator.

For å kunne gjenta ekspansjonssyklusen mellom gasstilførselspartiet 7 og eksospartiet 9, drives skovlene 55 fra sin mest utragende stilling ved en oppstrøms side av eksospartiet 9 og til sin mest mntrukne stilling ved en oppstrøms side av gasstilførselsparti- et 7. Denne stillingsendnng oppnås ved hjelp av en kamrist 17 som strekker seg gjennom eksospartiet 9, og ved hjelp av en mellom eksospartiet 9 og gasstilførselspartiet 7 stadig mindre avstand mellom husets 3 innvendige mantelflate 31 og skovlakselens

51 senterakse.

I de viste utførelser av apparatet 1 er avstanden mellom trommelens 53 utvendige overflate og husets 3 innvendige mantelflate 31 nær null i et parti umiddelbart opp-strøms gasstilførselspartiet 7. Den enkelte skovl 55 som passerer dette partiet vil være i det alt vesentlige helt inntrukket i trommelens 53 spalte 54. Figur 3 viser et oppnss av apparatet i figur 2 sett fra høyre mot venstre. Som det fremgår av figur 3 har gasstilførselspartiet 7 og eksospartiet som er tilknyttet kondensatoren 11, i den viste utførelse en utstrekning i bredden som i det alt vesentlige tilsvarer bredden på skovlhjulet 5. Skovlene 55 og trommelens 53 aksel 51 er vist stip-let. Trommelens 53 rotasjonsmessige stilling i forhold til huset 3 tilsvarer den rotasjonsmessige stilling som trommelen 53 har i figur 2. Kondensatorens 11 rørsløyfe er ikke indikert i figur 3. Figur 4 viser i større målestokk et oppnss av kamnsten 17 sett gjennom snittet A-A i figur 2. Kamnsten 17 innbefatter en flerhet av parallelle elementer 19 som strekker seg gjennom en åpning 4 i huset 3 og som er anordnet med innbyrdes avstand slik at det tilrettelegges for fluidkommunikasjon gjennom husets 3 åpning 4. Kamristen 17 tilveiebringer også en føring for skovlene 55 slik at disse drives fra en utragende stilling ved en oppstrøms side av eksospartiet 9 og til en i det vesentlige inntrukket stilling ved en nedstrøms side av eksospartiet 9 slik det er vist for eksempel i figur 1. For å redusere punktslitasje på skovlenes 55 endepartier 57, er kamnstens 17 parallelle elementer 19 anordnet på skrått i forhold til skovlenes 55 bevegelsesretning. En tilsvarende kamrist 17' er anordnet ved apparatets 1 gasstilførselsparti 7. Kamristen 17' er imidlertid kun indikert i figurene 1, 2, 5-8.

Det skal understrekes at kamristene 17, 17' ikke er nødvendige dersom apparatet 1 er forsynt med en ikke vist kamstyringsanordning som styrer skovlenes 55 utragende stilling på annet vis enn ved anlegg mot husets 3 innvendige mantelflate 31.

Figur 5 viser en alternativ utførelse av apparatet 1, hvor apparatet 1 likner på apparatet vist i figur 1 med unntak av ett vesentlig punkt; mellom et nedstrøms parti av gasstilførselspartiet 7 og et oppstrøms parti av eksospartiet 9 er husets 3 innvendige mantelflate 31 anordnet ekvidistant fra skovlhjulets 5 senterakse. De fordelaktige trekk som oppnås ved hjelp av stadig økende volum av kamrene 59 som tidligere om talt, vil være fraværende i den viste utførelse. Ved hjelp av en styrt påslippsventil 61, vil apparatet 1 kunne benyttes som en motor. Figur 6 viser en ytterligere alternativ utførelse av apparatene 1 vist i figurene 1, 2 og 5. Apparatet 1 vist i figur 6 er forsynt med to gasstilførselspartier 7, 7' og to eksospartier 9, 9'. Gasstilførselspartiene 7, 7' er i den viste utførelse forsynt med en styrt påslippsventil 61. Apparatet 1 er ellers oppbygd på samme måte som apparatene vist i figurene 1 og 2, men er i den viste utførelse forsynt med seks skovler 55. Figur 7 viser en ytterligere alternativ utførelse av apparatet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelse. I figur 7 er et første hus 3 tilknyttet et andre hus 3' ved at eksospartiet 9 til det første hus 3 er tilkoplet gasstilførselspartiet 7' til det andre hus 3'. Eksospartiet 9' til det andre hus 3' er tilknyttet en kondensator 11 av den art som er omtalt oven-for. Hvert av husene 3, 3' og skovlhjulene 5 tilsvarer i det viste eksemplet huset 3 og skovlhjulet 5 vist i figur 2, men hvor apparatene er koplet i sene. Av klarhetshensyn er derfor kun enkelte av elementene angitt med hensvisningstall i figur 7.

I alternative utførelser (ikke vist) kan flere enn to hus 3, 3' koples i sene og/eller i parallell, hvor det eller de siste husene 3, 3' i serien fortrinnsvis er tilknyttet en kondensator 11.

For å kunne regulere temperaturen til gassen som føres mellom for eksempel to hus 3, 3' slik som vist i figur 7, kan eksospartiet 9 til det første hus 3 være forsynt med et temperaturvekslingselement (ikke vist). Formålet med et slikt temperaturvekslingselement er å kunne optimalisere temperaturen til den gass som føres fra det første hus 3 og til det andre hus 3'. Dermed kan man på den ene side unngå at gassen kon-denserer før den ankommer eksospartiet til det andre hus 3', og på den annen side unngå at gassen som føres fra det andre hus 3' og mn i kondensatoren 11 er har unø-dig høy temperatur som krever ekstra tilførsel av kjølemedium gjennom rørsløyfen 13.

Det skal forstås at hvilken som helst kombinasjon av hus og skovlhjul for eksempel av den art som er vist i de øvrige figurene, vil kunne koples i sene og/eller parallell.

Figur 8 viser et apparat 1 ifølge den foreliggende oppfinnelse hvor apparatet er forsynt med skovler 55 i en alternativ utførelse. I stedet for å la skovlene 55 forskyves mn og ut av i trommelens 53 spalter 54 som vist i enkelte av de foregående figurer, er skovlene 55 hengslende anordnet i et parti av trommelen 53. Skovlenes 55 frie endeparti 57 er innrettet til å føres mot husets 3 innvendige mantelflate 31 for eksempel ved hjelp av et forspenningselement i form av en fjæranordning (ikke vist) eller en sty-ringsanordnmg av i og for seg kjent art som er angitt under omtale av figurene 1 og 2.

I den viste utførelse er trommelens 53 overflate forsynt med forsenkninger 56. For-senkningene 56 er utformet til å kunne motta og huse skovlene 55 slik at deres effektive areal er tilnærmet null i et oppstrømsparti av gasstilførselspartiet 7.

Beregninger som er foretatt viser at apparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse er meget effektivt med hensyn til utnyttelse av den spesifikke energi til det fluid i gassfase som føres inn i apparatet. Dette skyldes at det stadig økende volum av kamrene medfører at resultantkraften på hver av skovlene mellom gasstilførselspartiet og eksospartiet bidrar alle til rotasjon av skovlhjulet, og at apparatet er forsynt med én eller flere barrierer mellom gasstilførselspartiet 7 og eksospartiet 9, hvilken barriere mulig-gjør optimalisering av undertrykk i kondensatoren og undertrykkets trekk-krefter samtidig som det kan optimaliseres for bruk av minimal energi til kjøling i kondensatoren.

Claims (24)

1. Apparat (1) for å omdanne en andel av spesifikk energi i et fluid i gassfase til mekanisk arbeid, hvor apparatet (1) omfatter: -1det minste ett hus (3, 3') som er forsynt med i det minste ett gasstilfør-selsparti (7, 7') og i det minste ett eksosparti (9, 9'), hvor hvert av det minst ene huset (3, 3') omfatter; - et skovlhjul (5) som er roterbart anordnet i huset (3, 3') og som innbefatter: en aksel (51) som er omsluttet av en trommel (53); minst to skovler (55) som er bevegelig anordnet trommelen (53) slik at et parti (57) av skovlene (55) er innrettet til å kunne bli ført mot husets (3, 3') innvendige mantelflate (31) på en slik måte at trommelen (53), husets (3) innvendige mantelflate (31) og skovlene (55) avgrenser et kammer (59) innrettet til å kunne romme en gass,karakterisert vedat et effektivt areal til en skovl (55) som befinner seg umiddelbart oppstrøms eksospartiet (9, 9') er større enn et effektivt areal til en skovl (55) som befinner seg umiddelbart oppstrøms gasstilførselspartiet (7, 7') og at det effektive arealet til skovlene (55) er størst når skovlene (55) befinner seg umiddelbart oppstrøms eksospartiet (9, 9') og minst når skovlene (55) befinner seg i et parti avgrenset av en nedstrøms side av eksospartiet (9, 9') og gasstilførselspartiet (7, 7'); at skovlhjulet (5) utgjør en barriere mellom gasstilførselspartiet (7, 7') og eksospartiet (9, 9'); og at eksospartiet (9, 9') til ett av det minst ene hus (3, 3') er tilordnet en gasstett kondensator (11) som er innrettet til å kunne frembringe tilnærmet vakuum ved å tilveiebringe faseovergang fra gass tii væske av gassen i eksospartiet (9, 9') og i kammeret (59) som står i fluidkommunikasjon med eksospartiet (9, 9').

2. Apparat ifølge krav 1, hvor det effektive arealet til den skovlen (55) som befinner seg umiddelbart oppstrøms gasstilførselspartiet (7, 7'), er eller er tilnærmet null.

3. Apparat ifølge krav 1, hvor gasstilførselspartiet (7, 7') er forsynt med en kamrist innrettet til å kunne styre skovlene (55) slik at det effektive arealet til skovlen (55) øker gradvis gjennom gasstilførselspartiet (7, 7').

4. Apparat ifølge krav 1, hvor eksospartiet (9, 9') er forsynt med en kamrist (17) innrettet til å kunne styre skovlen (55) slik at det effektive arealet til skovlen (55) reduseres gradvis gjennom eksospartiet (9, 9')-

5. Apparat ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4, hvor det effektive arealet til skovlene (55) øker kontinuerlig fra umiddelbart oppstrøms gasstilfør-selspartiet (7, 7') og til umiddelbart oppstrøms eksospartiet (9, 9').

6. Apparat ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4, hvor det effektive arealet til skovlene (55) øker trinnvis fra umiddelbart oppstrøms gasstilførselspar-tiet (7, 7') og til umiddelbart oppstrøms eksospartiet (9, 9').

7. Apparat ifølge krav 1 eller krav 3 og 4 , hvor skovlene (55) er forspent mot huset (3, 3') og kamnstene (17).

8. Apparat ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor et begrenset parti av husets (3) innvendige mantelflate (31) er forsynt med en drenenngsanordning som står i forbindelse med eksospartiet (9, 9') på en slik måte at fluid som måtte bli ført med skovlen (55) fra eksospartiet (9, 9') og mot gass-tilførselspartiet (7, 7') vil dreneres tilbake til eksospartiet (9, 9')-

9. Apparat ifølge krav 1, hvor apparatet (1) er forsynt med en styreanordnmg innrettet til å kunne regulere rotasjonshastigheten til skovlhjulet (5) slik at gassens strømnmgsrate gjennom apparatet (1) kan reguleres i forhold til kondensatorens (11) kapasitet.

10. Apparat ifølge krav 9, hvor rotasjonshastigheten er regulert ved hjelp av en last som står i forbindelse med skovlhjulets (5) aksel (51).

11. Apparat ifølge krav 1, hvor apparatet (1) er forsynt med en styreanordnmg innrettet til å kunne regulere trykket til gassen som tilføres apparatet (1) gjennom gasstilførselspartiet (7, 7').

12. Apparat ifølge krav 1, hvor apparatet (1) er forsynt med en temperaturregulenngsanordning som er innrettet til å kunne påvirke temperaturen til gassen som tilføres apparatet (1).

13. Apparat ifølge krav 1, hvor apparatet (1) er forsynt med en regulenngsanord-nmg som er innrettet til å kunne påvirke kondensatorens (11) kjølekapasitet.

14. Apparat ifølge krav 1, hvor apparatet (1) er forsynt med en styreanordnmg innrettet til å regulere en energiproduksjon fra apparatet, hvor stynngsalgo-ntmer er innrettet til å kunne påvirke én av eller en kombinasjon av: tilfør-selsgassens temperatur og/eller trykk; skovlhjulets (5) rotasjonshastighet; kondensatorens (11) kjølekapasitet; lasten.

15. Apparat ifølge krav 1, hvor apparatet (1) er forsynt med en regulenngsinnret-ning for å styre et utløp fra kondensatoren (11) for å regulere et væskenivå (12) i denne for derigjennom å opprettholde vakuum i kondensatoren (11).

16. Framgangsmåte for å kunne omdanne en andel av spesifikk energi i et fluid i gassfase til mekanisk arbeid,karakterisert vedat framgangsmåten innbefatter: - å tilføre apparatet (1) et fluid i gassfase gjennom et gasstilførselsparti (7, 7'); - å la fluidet i gassfase lukkes inne i et i det vesentlige fluidtett kammer (59) som avgrenses av minst én barriere (55) som rager ut fra et roterbart element (53), hvor barrieren beveges langs en innvendig mantelflate til et hus (3, 3') som strekker seg mellom gasstilførselspartiet (7, 7') og et eksosparti; - å bevege kammeret (59) mellom gasstilførselspartiet (7, 7') og eksospartiet (9, 9'); og - å frambringe tilnærmet vakuum i eksospartiet (9, 9') og i kammeret (59) som settes i fluidkommunikasjon med dette, hvor vakuumet oppstår ved hjelp av en fluidtett kondensator (11).

17. Framgangsmåte ifølge krav 16, hvor framgangsmåten videre innbefatter å styre undertrykket i apparatets (1) eksosparti (9, 9') ved hjelp av hastigheten til kammeret (59) som beveges mellom gasstilførselspartiet (7, 7') og eksospartiet (9, 9') for derigjennom å tilpasse gassens strømnmgsrate gjennom apparatet (1) til kapasiteten til kondensatoren (11) som er tilordnet eksospartiet (9, 9').

18. Framgangsmåte ifølge krav 16 eller 17, hvor framgangsmåten ytterligere omfatter å regulere trykket til gassen som tilføres apparatet (1) gjennom gasstil-førselspartiet (7, 7').

19. Framgangsmåte ifølge krav 16, hvor framgangsmåten ytterligere omfatter å redusere trykket til gassen i kammeret (59) ved å øke kammerets volum mens det føres mellom gasstilførselspartiet (7, 7') og eksospartiet (9, 9').

20. Framgangsmåte ifølge krav 17, hvor framgangsmåten omfatter å styre hastigheten til kammeret (59) ved hjelp av en last.

21. Framgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 16-19, hvor framgangsmåten ytterligere omfatter å regulere temperaturen til gassen som tilfø-res apparatet (1) slik at temperaturen til gassen som føres inn i kondensato ren (11) er nær en kondenseringstemperatur slik at minst mulig energi går med til varmeveksling i kondensatoren (11).

22. Framgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 16-21, hvor framgangsmåten ytterligere omfatter å regulere kjølekapasiteten til kondensatoren (11).

23. Framgangsmåte ifølge krav 16, hvor framgangsmåten ytterligere omfatter å styre et utløp fra kondensatoren (11) for å regulere et væskenivå (12) i denne for derigjennom å opprettholde vakuum i kondensatoren (11).

24. Framgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 16-23, hvor framgangsmåten ytterligere omfatter å forsyne apparatet (1) med en styringsalgoritme for å regulere ønsket energiproduksjon fra apparatet, hvor styringen omfatter én av eller en kombinasjon av: tilførselsgassens temperatur og/eller trykk; barri-erens hastighet; kondensatorens kjølekapasitet; lasten.