SE1900112A1 - Kondensmotor med energilagringsenhet - Google Patents

Abstract

Uppfinningen avser en kondensmotor (10), innefattande, en cylinder (12) och en kolv (18) anordnad i cylindern vilken kolv är fäst på en kolvstång (22) som löper genom en genomföring i en ändgavel (14) av cylindern (12). Den har också vätskebehållare (30) innehållande förångningsbart vätskemedium (31) anordnade i vardera änden av cylindern (12) och i fluidumförbindelse med cylinderns inre. Det finns anordnat ett värmningsorgan (32) i värmeöverförande kontakt med respektive vätskebehållare (30). En kylningsanordning (44, 46) är anordnad att kyla cylindern (12) och därigenom bringa det förångade vätskemediet (31) att kondensera. En styrenhet (60) är konfigurerad att styra värmningsorganet (32) att synkront och alternerande värma vätskemediet (31) i vätskebehållarna (30) för att åstadkomma en förångning av vätskemediet (31) i en av behållarna (30). Därigenom ökar trycket i cylindern på en sida av kolven (18) och pressar denna från ett första läge i cylindern (12) till ett andra läge och efter att vätskemediet kondenserat. Värmningen åstadkommer även en förångning av vätskemediet (31) i den andra behållaren (30) så att trycket i cylindern (12) ökar på den andra sidan av kolven (18) så att denna pressas tillbaka till det första läget från det andra läget. Uppfinningen avser även en kraftanläggning, innefattande en kondensmotor enligt ovan ansluten till något av ett vindkraftverk, en solcellsanläggning eller en vågkraftanläggning.

Description

KONDENSMOTOR MED ENERGILAGRINGSENHET Uppfinningen avser en typ av kondensmotor baserad på Rankincykeln därenergi för driften kommer från en extern källa, exempelvis från solenergi ellervindkraft.

Bakgrund till uppfinningen Sol-, våg- och vindkraft är interrnittenta kraftkällor, det vill säga att närsolen inte skiner eller vinden inte blåser levereras ingen energi. Omväntgäller att när solen skiner och vinden blåser kanske det inte föreligger behovatt ta ut någon effekt. Således vore det önskvärt med system för lagring av energi från dessa system.

Exempel på energilagring kan vara ultrakondensatorer, laddningsbara batterier, mekanisk lagring i form av lägesenergi, med mera.

Dessa system har dock samtliga sina brister i termer av verkningsgrad eller komplex konstruktion.

Sammanfattning av uppfinningen Föreliggande uppfinning avser att erbjuda ett alternativ till kända system.

Uppfinningen definieras i patentkrav 1 och föredragna utföringsformer framgår av de beroende kraven.

Häri beskrivs således en kondensmotor (10), innefattande, en cylinder (12)och en kolv (18) anordnad i cylindern vilken kolv är fäst på en kolvstång (22)som löper genom en genomföring i en ändgavel (14) av cylindern (12). Denhar också vâtskebehållare (30) innehållande förångningsbart vätskemedium(3 l) anordnade i vardera änden av cylindern (12) och i fluidumförbindelse med cylinderns inre. Det finns anordnat ett värmningsorgan (32) i värmeöverförande kontakt med respektive vätskebehållare (30). Enkylningsanordning (44, 46) är anordnad att kyla cylindern (12) ochdärigenom bringa det förångade vätskemediet (3 1) att kondensera. Enstyrenhet (60) är konfigurerad att styra värmningsorganet (32) att synkrontoch alternerande värma vätskemediet (3 1) i vätskebehållarna (30) för attåstadkomma en förångníng av vätskemediet (3 1) i en av behållarna (30).Därigenom ökar trycket i cylindern på en sida av kolven (18) och pressardenna från ett första läge i cylindern (12) till ett andra läge och efter attvätskemediet kondenserat. Värmningen åstadkommer även en förångníng avvätskemediet (31) i den andra behållaren (30) så att trycket i cylindern (12)ökar på den andra sidan av kolven (18) så att denna pressas tillbaka till det första läget från det andra läget.I en aspekt tillhandahålls även en kraftanläggning, innefattande enkondensmotor enligt ovan ansluten till något av ett vindkraftverk, en solcellsanläggning eller en vågkraftanläggning.

Uppfinningen belyses närmare i det följande med hänvisning till de bifogade ritningarna i vilka Fig. 1 visar en kondensmotor och en energilagringsenhet schematiskt; Fig. 2 visar motorns cylinder i tvärsnitt; Fig. 3 visar en utföringsforrn av energilagríngsenheten; Fig. 4 visar schematiskt motorns funktion; och Fig. 5 visar reglersystemet schematiskt.

Detaljerad beskrivning och föredragna ufióringsformer I Fig. 1 visas en utföringsform av en kondensmotor 10 enligt uppfinningen.

Motom innefattar en sluten cylinder 12 som företrädesvis har cirkulärttvärsnitt, och har ändväggar 14, 16. I cylindern kan en kolv 18 bringas attlöpa i en fram- och återgående rörelse. Kolven har en gastät genomföring 20 ien av cylinderns ändväggar där en kolvstång 22 löper, vilken kolvstång är förbunden med kolven 18 inuti cylindern.

Kolvstången kan vara kopplad till ett svänghjul (ej visat i Fig. 1) eller annatroterbart element via en ledad arm för överföring av den linjära rörelsen hos kolven och kolvstången till en rotationsrörelse.

Cylindems inre friktion är mycket låg och cylindern är för detta ändamålföreträdesvis uppbyggd av en yttre mantel 24 av till exempel koppar, och ettinre rör av glas 26, se Fig. 2. I mellanrummet mellan glas och koppar finnslämpligen avlånga stödelement 28 anordnade i cylindems längdriktning påett avstånd från varandra i omkretsriktningen. I den visade utföringsformenfinns åtta stödelement, men detta antal är inte kritiskt. Stödelementen är företrädesvis gjorda av PVC-plast.

Kolven 18 i denna utföringsform, i vilken cylindern har en volym om ca 5liter, är utformad som en tunn platta med en O-ring 19 längs dess periferiför tätning mot glasväggarna. O-ringen är företrädesvis gjord av PVC-plast.Plattans tjocklek T är företrädesvis ungefär 10 mm, men kan variera mellan5 mm och 50 mm. Naturligvis kommer kolvens dimensioner att bli andra vid andra cylinderstorlekar.

I vardera änden av cylindern finns en behållare 30 för det vätskemedium 31som skall driva motorn. I den visade utföringsformen rymmer behållarnaungefär 3,5 ml förångningsbar vätska vardera. Denna volym är anpassad tillcylíndems volym som i det visade exemplet är ungefär 5 dmß, vilket är denvolym som upptas av förångat vätskemedium. Vid större cylindervolymer krävs förstås mer vätskemedium. Behållarna 30 är lämpligen av ett material med god värmeledningsförmåga, såsom metall för att uppvärmningen avvätskemediet skall kunna ske mycket snabbt.

I anslutning till motorn finns förträdesvis en värmelagringsenhet 32 förlagring av värme, alstrad exempelvis medelst elektrisk uppvärmning därelektriciteten kan alstras med solenergi eller vindenergi eller annanintermittent energi, men för syftet med uppfinningen är metoden för tillförselav energi till motorn oväsentlig. Det är möjligt att använda direktuppvärmning med andra anordningar, men att tillhandahålla enlagringsenhet för värme möjliggör drift även då kontinuerlig tillförsel av energi inte år tillgänglig.

Värmelagringsenheten innefattar i den visade utföringsformen ett stålrör 34som väger ca 50 kg och som kan värmas upp till ca l500°C. Detta rör kanmed fördel vara av rostfritt Syrafast stål. Uppvärmningen sker företrädesvismed en elektriskt driven värmepatron (ej visad), men andra sätt kan tänkas.Elektrisk energi till värmepatronen kan som nämnts ovan företrädesvistillhandahållas med solceller, vindkraft, eller från andra intermittentaenergikällor.

Stålröret är anordnat i ett mycket väl isolerat utrymme 36, företrädesvis avkeramiskt material eller liknande med ytterligare isoleringsmaterial 37anordnat kring enheten. Isolering visas schematiskt med en streckadkonturlinje. Isoleringsmaterialet man företrädesvis vara aerogel som harextrem isoleringsförmåga. Sådant material kan tillhandahållas av Svenska Aerogel AB. Andra isoleringsmaterial är naturligtvis också tänkbara.

Inuti lagringsenheten finns ett företrädesvis inert gasmedium 38, till exempelkväve, men det kan även utgöras av någon annan gas såsom en ädelgas.Även luft kan användas om inte syret i luften misstänks kunna utgöra en risk för oönskade oxidationseffekter.

Värmelagringsenheten 32 används för att värma vätskemediet i de nämndabehållarna. För detta ändamål finns en kanal 40 från lagringsenhetens 32 inre som löper fram till botten av respektive behållare 30 för vätskemedium.

En ventil (antydd med en pil genom kanalen 40) anordnad i respektive kanal40, som styrs av en central styrenhet, öppnas och stängs synkront för attsläppa in en tillräcklig mängd varm gas i kanalen så att behållarnas bottenkommer i kontakt med den heta gasen och mycket snabbt värmer uppvätskan 31 i behållarna 30. En konstruktion av denna värmeöverföringsmekanism kommer att beskrivas närmare nedan.

Vidare finns i respektive ände av cylindern en backventil 42 vars funktionbeskrivs nedan i anslutning till beskrivning av driften av motorn.

Vätskemediet som används bör företrädesvis ha låg kokpunkt, lämpligen iområdet 35-40°C även om andra vätskor med högre kokpunkt är tänkbara.Ett lämpligt vätskemedium har en kokpunkt på 37 °C. Vätskor med högrekokpunkt är möjliga, exempelvis skulle vatten kunna komma ifråga. Särskiltföreraget är att vätskan har en smörjande förmåga för att ytterligare minskafriktionen i systemet.

I Fig. 2 visas cylindem 12 i tvärsnittsvy. Cylindem 12 omges lämpligen av enkylmantel 44 som företrädesvis utnyttjar kylning medelst kylslingor somlöper i marken i anslutning till installationen, i vilka ett lämpligt kylmedium46, till exempel vatten, cirkuleras. Termostatreglering säkersäller attcylinderns innertemperatur hålls på en önskad nivå, det vill säg maximaltstrax ovanför vätskemediets kokpunkt.

I Fig. 3 visas ett exempel på en utföringsform av värmelagringsenheten 32och mekanismen för att åstadkomma förångning av Vätskemediet. Denomgivande isoleringen 37 som antyds i Fig. 1 är inte medtagen i Fig. 3 avtydlighetsskäl.

Stålröret 34 är alltså inneslutet i ett isolerat hölje 36. Inuti röret 34 finnsanordnat ett företrädesvis elektrisk värmeelement 48 som kan drivas av extern energikälla, exempelvis solcellsel eller el från vindkraft.

Stålröret 34 värms upp till hög temperatur i intervallet 1000 - 2500 °C och ihöljet finns alltså som nämnts en gasatmosfär 38 som antar samma temperatur.

Genom en isolerande vägg 50 i vardera änden av höljet 36 löper ettvärmeöverföringsdon 52 i form av en stav eller liknande med högvärmeledningsförrnåga, exempelvis en metallstav, lämpligen av stål. Dessavärmeöverföringsdon 52 värmer upp atmosfären i ett respektivemellanutrymme 54. Dessa mellanutrymmen står i direkt förbindelse med ettrespektive ändutrymme 56 via ventiler 58a, 58b. Ändutrymmena 56 står isin tur i direkt värmeöverförande kontakt med behållarna 30 förvätskemedium. Genom att öppna och stänga ventilema 58a, 58bsynkroniserat på ett kontrollerat sätt, företrädesvis styrt efter temperatur,kan vätskemediet i den ena behållaren 30 fås att mycket snabbt förångasoch därigenom snabbt expandera, och strömma in i cylindern 12 (antyddmed streckad linje) och påverka kolven 18 att förflytta sig i cylindern. Denandra ventilen 58b är stängd under förångningsförloppet som initierasgenom öppning av den första ventilen 58a, och öppnas alltså när kolven 18förflyttatas till sitt ändläge medelst den expanderade gasen i den första förångningen.

Drift av motorn enligt ovan kommer nu att beskrivas närmare med hänvisning till de schematiska Fig. 4a-d.

I viloläge, Fig. 4a, innan uppstart är trycket i cylindern 12 lika stort på ömsesidor av kolven 18, det vill säga P = P0.

När en av ventilerna i värmelagringsenheten öppnas kommer vätskan i behållaren att mycket snabbt förångas och expandera så att kolven kommer att pressas mot sitt andra ändläge genom att trycket ökar och blir Po + A, Fig. 4b. För att detta skall kunna ske i uppstartfasen öppnas entryckutjämningsventil TUV i den andra änden av cylindern så att trycketutjämnas och kolven kan nå sitt ändläge utan motstånd. Trycket i cylindern kommer således att fortsatt vara P0 på motsatt sida av kolven.

Det finns som nämnts en kylmantel anordnad runt cylindern (visasschematiskt med stora pilar), vilken åstadkommer en mycket snabb kylningav den expanderade ångan i cylindern så att tryckökningen A mycket snabbtreduceras tillbaka till P0 genom att vätskan kondenseras, Fig. 4c. Denna kondensation sker företrädesvis på ca 0,1 sekund i detta utföríngsexempel.

När kolven således nått ändläget i det första steget stängstryckutjämningsventilen TUV och den andra ventilen ivärmelagringsenhetens andra ände öppnas för att föränga vätskan i denandra behållaren, Fig. 4d. Tack vare kondensationen av ånga på motsattsida kommer därför processen från det första initiala steget upprepas fast imotsatt riktning, det vill säga att den expanderande gasen nu pressar kolventillbaka till det första läget. I detta andra steg behöver emellertid alltså ingentryckutjämningsventil öppnas eftersom kondensationen av ångan återförtrycket till P0.

I den visade utföringsforrnen har cylindern visats med cirkulärt tvärsnitt.Emellertid kan andra tvärsnitt såsom triangelformade, rektangulära eller polygonala tvärsnitt användas.

Den visade utföringsformen av värmelagring och värmningsmekanism ärendast ett exempel, och detta kan utföras på många sätt. Det väsentliga föruppfinningen är att det skall finnas en reglering av värmetillförseln tillvätskebehållarna som ombesörjer alternerande öppning/ stängning avventilema på ett synkront sätt så att expansion /kondensation av ångan sker på ett optimalt sätt.

Systemet styrs av en styrenhet 60 i form av en mikroprocessor. Regleringen visas schematiskt i Fig. 5.

Samtliga ventiler 40; 42, 58a, 58b i systemet aktiveras av styrenheten 60.Styrningen kan baseras på tryck- och temperaturmätningar via sensorer Spysom kan vara anordnade i cylindern 12 och på andra lämpliga ställen i systemet, och vars signaler matas till en styralgoritm i styrenheten som i gensvar på dessa reglerar driften genom synkroniserad öppning och stängning av ventilerna.

Kondensmotorn 10 enligt beskrivningen ovan är lämpligtvis kopplad till engenerator för generering av elektrisk energi, varvid interrnittent energi på ettfördelaktigt sätt kan lagras och användas när exempelvis ett vindkraftverkstår still på grund av att det inte blåser.

Kondensmotorn 10 kan således användas i en kraftanläggning därintermittent energi kan lagras och utnyttjas vid behov, genom att denansluts till något av ett vindkraftverk, en solcellsanläggning eller envågkraftanläggning.