WO2003004835A1

WO2003004835A1 - Anordnung von gasausdehnungselementen und verfahren zum betreiben der anordnung

Info

Publication number: WO2003004835A1
Application number: PCT/DE2002/002416
Authority: WO
Inventors: Gerhard Stock
Original assignee: Gerhard Stock
Priority date: 2001-07-07
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2003-01-16
Also published as: CA2453017A1; DE10133153C1; EP1404948B1; KR20040018424A; US20040237525A1; ATE422602T1; BR0211238A; EP1404948A1; JP2004532953A; NO20040036L; DE50213273D1; MXPA04000011A

Abstract

Eine Anordnung von Gasausdehnungselementen für eine Einrichtung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, umfasst zwei mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllte geschlossene Druckbehälter (9, 10), die mit der Einrichtung wirksam verbunden sind und eine obere Einspritzöffnung (7, 8) für Warm- und Kaltwasser aufweisen. Zwischen den beiden Druckbehältern (9, 10) ist eine Kurzschlussrohrleitung (11) mit mindestens einem steuerbaren Ventil (12, 13) zum Druckausgleich zwischen den Druckbehältern (9, 10) nach dem Verrichten der Arbeit des Gases bzw. Gasgemischs vorgesehen.

Description

Anordnung von Gasausdehnungselementen und Verfahren zum Betreiben der Anordnung.

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von Gasausdehnungselementen für eine Einrichtung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, die zwei mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllte geschlossene Druckbehälter umfasst, die mit der Einrichtung wirksam verbunden sind und eine obere Einspritzöffnung für Warm- und Kaltwasser aufweisen, und ein Verfahren zum Betreiben der Anordnung.

Gase wandeln relativ viel Wärme bei Erhitzung und Ausdehnung in Arbeit um, wobei in schnellen Prozessen, wie etwa dem Stirlingprozess große Einbußen durch Dissipation, ungünstige Kolbensteuerung, Wärme- und Pendelverluste, Totraumeffekte, großen Regeneratorwiderstand und hohe Geschwindigkeiten entstehen.

Aus der US-A-4 283 915 ist eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie bekannt, die jeweils eine Einspeisung für Warmwasser und eine für Kaltwasser umfasst, wobei eine bestimmte Temperaturdifferenz zwischen dem Warm- und dem Kaltwasser herrscht. Das Warm- und das Kaltwasser werden alternierend durch Rohre eines Wärmetauschers geleitet, um e ne Arbeitsflussigkeit zu expandieren und zu kon- trakt eren. Der Arbeitszyklus w rd oberhalb eines Siedepunktes der Arbeitsflussigkeit durchgeführt. Mittels Rückschlagventilen w rd ein relativ hoher Druck zur Betätigung der Anordnung sichergestellt. Hierbei erweist sich die Verwendung des Wärmetauschers als nachteilig, da ein solcher Rohr- Warmetauscher bei einem großen technischen Aufwand lediglich einen stark begrenzten Wirkungsgrad aufweist und in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der ihn durch- und umströmenden Medien relativ störanfällig ist.

Darüber hinaus offenbart die DE 197 19 190 C2 eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in elektrische Energie, die aus einem Arbeitskreislauf mit einem Arbeitsfluid zum Antrieb einer Stromungsmaschine und aus einer Vielzahl von abwechselnd von einem kalten und warmen Medium durchströmten Wärmetauschern besteht. In den Wärmetauschern ist jeweils ein sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums ausdehnendes und zusammenziehendes Ausdehnungselement angeordnet, dessen temperaturbedingten Ausdehnungen und Kontraktionen über einen Puffer-Speicher dem Arbeits-Kreislauf zugeführt werden. Zur Speicherung einer Kraft ist jedem Wärmetauscher ein als Feder ausgebildeter Puffer-Speicher zugeordnet, wobei jede Feder mit dem Kolben eines Druckzylinders verbunden ist, dessen Arbeitsraum jeweils über steuerbare Ventile über Saug- und Druckleitungen mit einem Arbeits-Olkreislauf verbunden ist, der e ne Turbine m t einem Generator antreibt. Diese Anordnung weist einen relativ komplexen Aufbau, insbesondere durch die als Federn ausgeführten Puffer-Speicher, auf und umfasst die zuvor erläuterten Nachteile eines Wärmetauschers.

Im Weiteren ist aus der WO 00/53898 ein Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, bestehend aus einem mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllten geschlossenen Druckbehalter, der über einen verschiebbaren Kolben mit der Anordnung wirksam verbunden ist, bekannt. Der Druckbehalter weist eine obere Emspritzoffnung für Heiß- und Kaltwasser und eine untere Wasserablaufoffnung auf. Ein Warm- wassermotor umfasst jeweils Zweiergruppen von Druckbehaltern mit zugeordneten Flussigkolbenpumpen, die einen Arbeitskre s- lauf einer Wasserturbine beaufschlagen. Wahrend eines ersten Kreisprozesses ist in dem ersten Druckbehalter ein warmes, expandierendes Gas oder Gasgemisch vorhanden und der zweite Druckbehalter enthalt ein kaltes, kontraktierendes Gas oder Gasgemisch. Bei einem folgenden zweiten Kreisprozess wird das Gas oder Gasgemisch des ersten Druckbehalters durch Einspritzen von kaltem Wasser abgekühlt und das Gas oder Gasgemisch des zweiten Druckbehalters durch Einspritzen von Heißwasser erwärmt, damit sich die Gasvolumina entsprechend andern. Somit wird beispielsweise das gesamte noch Heißwasser enthaltende Gasgemisch in dem ersten Druckbehalter mit kaltem Wasser ausgespult, bis die Temperatur in diesem Druckbehalter auf eine Ausgangshohe zurückgeführt ist. Hierbei geht die noch vorhandene Wärmeenergie verloren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung von Gasausdehnungselementen der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben der Anordnung zu schaffen, mit dem sich bei ge^¬ ringem technischen Aufwand eine relativ große Leistung erzie- len lasst .

Erfmdungsgemaß wird die Aufgabe vorπchtungsgemaß dadurch gelost, dass zwischen den beiden Druckbehaltern eine Kurz- schlussrohrleitung mit mindestens einem steuerbaren Ventil zum Druckausgleich zwischen den Druckbehaltern nach dem Verrichten der Arbeit des Gases bzw. Gasgemischs vorgesehen ist.

Am Ende der Arbeitsphase herrscht zwischen den beiden Druckbehaltern eine Druckdifferenz. Aufgrund der vorhandenen Druckdifferenz zwischen dem warmen Gasgemisch des einen Druckbehalters und dem kalten Gasgemisch des anderen Druckbehalters findet nach dem Offnen des gesteuerten Ventils ein Druckausgleich zwischen den beiden Druckbehaltern statt, bei dem aufgrund der Warmestromung die m dem einen Druckbehalter noch vorhandene Wärmeenergie zur Erwärmung des Gasgemisches des anderen Druckbehalters bis zur Ausgleichstemperatur ausgenutzt wird. Gleichzeitig steigt die Gasmenge m dem Druckbehalter mit dem expandierenden Gas bzw. Gasgemisch, womit eine Steigerung der Druckdifferenz zwischen den beiden Druckbehaltern und damit eine eistungserhohung einhergeht. Das Ventil wird nach dem Verrichten der Arbeit des Gasgemischs durch entsprechendes Expandieren bzw. Kontraktieren und dem damit verbundenen Antreiben eines verschiebbaren Kolbens des Warmwassermotors geöffnet, wobei der Kolben als Flussigkol- benpumpe ausgebildet sein kann. Da das in einem ersten Kreisprozess erwärmte Gasgemisch in einem darauffolgenden zweiten Kreisprozess abgekühlt wird, st es erforderlιch₍ die Temperatur des Gasgemischs dieses Behalters unterhalb der Ausgleichstemperatur abzusenken, wobei d e vorhandene Restwarme des Gasgemischs zur Erwärmung des abgekühlten und nunmehr zu erwärmenden Gasgemischs verwendet wird. Die Restwarme geht somit nicht ungenutzt verloren, weshalb mit einem relativ geringen technischen Aufwand eine relativ große Leistung erzielt wird. Die Restwarme gelangt auch nicht in den Arbeits- kreislauf des Warmwassermotors, dem sie wieder entzogen werden musste. Darüber hinaus befindet sich in dem jeweils zu erwärmenden Druckbehalter eine größere Menge des Gasgemischs, das letztendlich die Arbeit zum Antrieb des Warmwassermotors durch seine Expansion verrichtet, und gleichzeitig ist die Menge des abzukühlenden Gasgemischs in dem anderen Druckbehalter geringer und die Absenkung des Ausgangsdruckes gegenüber einer konventionellen Anordnung großer, was zu einer Verschiebung eines entsprechenden p-V Diagramms in die gewünschte Richtung fuhrt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kurzschlussrohrleitung im oberen Bereich der Druckbehalter angeordnet. In diesem Bereich der Druckbehalter, in dem sich ein Flansch oder ein Deckel befindet, ist weder Warm- noch Kaltwasser vorhanden, weshalb das Gasgemisch ungestört durch das geöffnete Ventil in die Kurzschlussrohrleitung gelangen kann. Im Weiteren befindet sich das Gasgemisch mit der höchsten Temperatur annähernd in diesem Bereich.

Um große Totraume in den Druckbehaltern zu vermeiden, ist bevorzugt jeweils ein steuerbares Ventil im unmittelbar an den zugeordneten Druckbehalter anschließenden Bereich in der Kurzschlussrohrleitung angeordnet .

Zur Reduzierung der Warmeverluste ist zweckmaßigerweise die Kurzschlussrohrleitung mit den Ventilen warmeisoliert . Die Aufgabe wird erfmdungsgemaß be einem Verfahren zum Betreiben einer Anordnung nach Anspruch 1, bei der in die Druckbehalter abwechselnd Warm- und Kaltwasser eingespritzt wird, dadurch gelost, dass nach der Übertragung der Arbeit des Gases oder Gasgemischs eines der Druckbehalter das Gas oder Gasgemisch durch Offnen des steuerbaren Ventils über die Kurzschlussrohrleitung in den jeweils anderen Druckbehalter geleitet w rd.

Nachdem das Gasgemisch aufgrund seiner durch Warme- oder Kal- tebeaufschlagung erfolgenden Expansion oder Kontraktion den verschiebbaren, als Flussigkolbenpumpe ausgebildeten Kolben des Warmwassermotors in e ne vorbestimmte Lage gebracht hat, wird das Ventil in der Kurzschlussrohrleitung zum Druckausgleich zwischen den beiden Druckbehaltern geöffnet und durch die herrschende Konvektion des warmen Gasgemischs stellt sich zwischen beiden Druckbehaltern eine Ausgleichstemperatur ein. Damit ergibt sich eine wesentliche Steigerung der Leistung der nach dem der erfmdungsgemaßen Verfahren betriebenen Anordnung, da der vorhandene Restdruck und die vorhandene Rest- warmeenergie des Gasgemischs des einen Druckbehalters zur Druckerhohung und zur Erwärmung des Gasgemischs des anderen Druckbehalters genutzt wird.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach der Übertragung der nutzbaren Expansionsarbeit des Gases oder Gasgemischs eines Druckbehalters ein Teil des Gases oder Gasgemischs in den anderen Druckbehalter geleitet. Da eine wirtschaftlich sinnvolle Arbeitsphase des Gasgemischs nicht der gesamten Expansionsdauer des Gasgemischs entspricht, wird durch das Offnen des Ventils die Arbeitsphase, also die nutzbare Expansionsarbeit des Gasgemischs, beendet und dessen Restenergie zur Druckerhohung und zur Erwärmung des Gasgemischs des anderen Druckbehalters verwendet.

Zweckmaßigerweise werden zwei steuerbare Ventile der Kurzschlussrohrleitung annähernd gleichzeitig geöffnet und geschlossen. Somit kann der Druckausgleich, der eine Warmestro- mung von dem einen zu dem anderen Druckbehalter zur Folge hat, gezielt gesteuert werden und der Totraum in der Kurzschlussrohrleitung ist minimiert.

Es versteht sich, dass d e vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausfuhrungsbei- spieles unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:

Fig.l eine schematische Darstellung einer erfmdungsgemaßen Anordnung,

Fig.2 eine Darstellung eines Diagramms zur Repräsentation eines Kreisprozesses der Anordnung und

Fig.3 e ne Darstellung eines Druck-Zeit-Diagramms zur Repräsentation des Kreisprozesses der Anordnung.

Die Anordnung umfasst einen Vorratsbehalter 1 für Wasser mit einer Fullstandsanzeige 2, der über Rohrleitungen 3 mit einer Kühl- 4 und einer Heizeinrichtung 5 verbunden ist. Von der Kühl- 4 und der Heizeinrichtung 5 fuhrt jeweils ein Rohr 6 zu einer gesteuerten Emspritzoffnung 7, 8 eines Druckbehalters 9, 10. Die geschlossenen Druckbehalter 9, 10 sind mit einem Gasgemisch gefüllt. Zwischen den beiden Druckbehaltern 9, 10 ist eine Kurzschlussrohrleitung 11 angeordnet, die im Bereich jedes Druckbehalters 9, 10 ein steuerbares Ventil 12, 13 aufweist. Am unteren Ende jedes Druckbehalters 9, 10 ist eine Auslaufoffnung 14, 15 vorgesehen, die mit einem Arbeitskreislauf 16, der zwei Flussigkolbenpumpen 17, 18 eines Warmwas- sermotors und eine Turbine 19 mit Generator umfasst, gekoppelt ist. Im Weiteren ist in den mit dem Vorratsbehalter 1 über eine Leitung 20 m Verbindung stehenden Arbeitskreislauf 16 eine Pumpe 21 eingesetzt.

Zum Betreiben der Anordnung wird in der Heizeinrichtung 5 Warmwasser aufbereitet, das über die erste Emspritzoffnung 7 in den ersten Druckbehalter 9 gelangt. Beim E nspruhen des Warmwassers in den ersten Druckbehalter 9 expandiert das Gasgemisch und verrichtet über einen verschiebbaren Kolben 22 der ersten Flussigkolbenpumpe 17 Arbeit, die über den Arbeitskreislauf 16 der Turbine 19 zur Umwandlung thermischer Energie zugeführt wird. Nach dem Druckanstieg und dem nach der Kolbendisplazierung der ersten Flussigkolbenpumpe 17 entsprechenden Druckabfall im ersten Druckbehalter 9 fallt das Wasser aus, das über die zugeordneten Auslaufoffnung 14 abgelassen w rd. Gleichzeitig wird in der Kuhleinrichtung 4 Kaltwasser aufbereitet, das über die zweite Emspritzoffnung 8 in den zweiten Druckbehalter 10 gelangt. Beim Einspruhen des Kaltwassers in den zweiten Druckbehalter 10 kontraktiert das Gasgemisch und verrichtet ebenfalls über den verschiebbaren Kolben 22 der zweiten Flussigkolbenpumpe 18 Arbeit. Nach der Übertragung der nutzbaren Expansions- bzw. Kontraktionsarbeit des Gasgemischs werden die beiden Ventile 12, 13 der Kurzschlussrohrleitung 11 geöffnet und aufgrund des Druckausgleichs wird ein Temperaturausgleich bis zu einer Ausgleichstemperatur zwischen dem ersten Druckbehälter 9 und dem zweiten Druckbehälter 10 bewirkt. Anschließend wird in den zweiten Druckbehalter 10 Warmwasser und in den ersten Druckbehalter 9 Kaltwasser eingespruht. Dadurch, dass sich die Gasgemische beider Druckbehalter 9, 10 auf der Ausgleichstemperatur befinden, ist ein unnötiges Erwarmen bzw. Kuhlen des jeweiligen Gasgemischs nicht erforderlich, wodurch die Anordnung eine relativ große Leistung aufweist.

Im p-V-Diagramm nach Fig. 2 ist der Kreisprozess einer konventionellen Anordnung dem einer erfindungsgemaßen Anordnung beispielhaft schematisch gegenübergestellt, wobei die Druck- Temperaturkurven einer konventionellen Anordnung mit durchgezogenen Linien und die der erfindungsgemaßen Anordnung mit gestrichelten Linien dargestellt sind. Demnach ist die durch eine konventionelle Anordnung geleistete Arbeit W^Λ kleiner als die durch eine erf ndungsgemäße Anordnung geleistete Arbeit W.

Das Druck-Zeit-Diagramm (p-t) gemäß Fig. 3 zeigt anfangs einen konventionellen Verlauf des Prozesses, bei dem der Druck P'max des ersten Druckbehälters 8 bis auf den Druck p' mm abfällt, wobei zum Zeitpunkt t_e kaltes Wasser eingespritzt wird und das Gasgemisch in der Zeitspanne Δt_a Arbeit verrichtet. Der Druck des zweiten Druckbehälters 10 steigt von dem Druck p' m_m auf den Druck p'_maχ an, wobei zum Zeitpunkt t_e Heißwasser in den zweiten Druckbehalter 10 eingespritzt wird und das Gasgemisch n der Zeitspanne Δt_a ebenfalls Arbeit zum Antreiben der Flussigkolbenpumpe 14 verrichtet. Wahrend der Zeitspanne Δti wird keine Arbeit verrichtet und der Restdruck in den Druckbehaltern 9, 10 geht für das System verloren. Nach der Kopplung des ersten Druckbehalters 9 mit dem zweiten Druckbehalter 10 mittels der Kurzschlussrohrleitung 11 werden zum Zeitpunkt t_κ die Ventile 12, 13 geöffnet und es findet ein Druckausgleich zwischen dem ersten Druckbehalter 9 und dem zweiten Druckbehalter 10 statt. Sonach befindet sich in dem ersten Druckbehalter 9 mit dem nunmehr expandierenden Gasgemisch eine relativ große Menge des Gasgemischs und in dem zweiten Druckbehalter 10 eine demgegenüber reduzierte Menge des Gasgemischs . Gleichzeitig stellt sich in den Druckbehaltern 9, 10 aufgrund der Warmestromung annähernd eine Ausgleichstemperatur ein. Nach dem Druckausgleich durch den Kurzschluss der beiden Druckbehalter 9, 10 wird zum Zeitpunkt t_e Heiß- bzw. Kaltwasser eingespritzt, worauf aufgrund der unterschiendlichen Mengenverteilung des Gasgemischs der Druck p_max bzw. p_mιn im entsprechenden Druckbehalter 9, 10 und somit die Druckdifferenz Δp gegenüber dem konventionellen Verlauf des Prozesses erzielt wird.

Claims

Patentansprüche

L. Anordnung von Gasausdehnungselementen für eine Einrichtung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, die zwei mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllte geschlossene Druckbehalter (9, 10) umfasst, die mit der Einrichtung wirksam verbunden sind und eine obere Emspritzoffnung (7, 8) für Warm- und Kaltwasser aufweisen, dadurch ge ke nn ze i c hne t , dass zwischen den beiden Druckbehaltern (9, 10) eine Kurzschlussrohrleitung (11) mit mindestens einem steuerbaren Ventil (12, 13) zum Druckausgleich zwischen den Druckbehaltern (9, 10) nach dem Verrichten der Arbeit des Gases bzw. Gasgemischs vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kenn z e i chne t , dass die Kurzschlussrohrleitung (11) im oberen Bereich der Druckbehalter (9, 10) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennze i chnet , dass jeweils ein steuerbares Ventil (12, 13) im unmittelbar an den zugeordneten Druckbehalter (9, 10) anschließenden Bereich in der Kurzschlussrohrleitung (11) angeordnet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennze i chne t , dass die Kurzschlussrohrleitung (11) mit den Ventilen (12, 13) warmeisoliert ist.

5. Verfahren zum Betreiben einer Anordnung nach Anspruch 1, bei der in die Druckbehälter (9, 10) abwechselnd Warmund Kaltwasser eingespritzt wird, dadurch geke n n ze ichnet , dass nach der Übertragung der Arbeit des Gases oder Gasgemischs eines der Druckbehalter

(9, 10) das Gas oder Gasgemisch durch Offnen des steuerbaren Ventils (12, 13) über die Kurzschlussrohrleitung

(11) in den jeweils anderen Druckbehälter (9, 10) geleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge kennz e i c hn e t , dass nach der Übertragung der nutzbaren Expansionsarbeit des Gases oder Gasgemischs eines Druckbehalters (9, 10) ein Teil des Gases oder Gasgemischs n den anderen Druckbehalter (9, 10) geleitet wird.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge ke n n z e ichnet , dass zwei steuerbare Ventile (12, 13) der Kurzschlussrohrleitung (11) annähernd gleichzeitig geöffnet und geschlossen werden.