WO2020015963A1 - Thermoelektrischer oder thermomechanischer wandler und computergesteuerte oder elektronisch gesteuerte verfahren - Google Patents

Thermoelektrischer oder thermomechanischer wandler und computergesteuerte oder elektronisch gesteuerte verfahren Download PDF

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WO2020015963A1
WO2020015963A1 PCT/EP2019/066989 EP2019066989W WO2020015963A1 WO 2020015963 A1 WO2020015963 A1 WO 2020015963A1 EP 2019066989 W EP2019066989 W EP 2019066989W WO 2020015963 A1 WO2020015963 A1 WO 2020015963A1
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thermoelectric
heat
thermomechanical
working gas
rotation
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PCT/EP2019/066989
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Inventor
Thilo Ittner
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Thilo Ittner
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C19/00—Rotary-piston pumps with fluid ring or the like, specially adapted for elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/04—Heating; Cooling; Heat insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B3/00—Self-contained rotary compression machines, i.e. with compressor, condenser and evaporator rotating as a single unit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2250/00—Geometry
    • F04C2250/20—Geometry of the rotor
    • F04C2250/201—Geometry of the rotor conical shape

Definitions

  • thermoelectric or thermomechanical converter and computer-controlled or electronically controlled processes
  • thermoelectric or thermomechanical converter according to the preamble of claim 1 and computer-controlled or electronically controlled methods according to claims 13 and 15.
  • Machines that work according to the Clausius-Rankine cycle or the Stirling process are often used to convert heat / cold into mechanical / electrical energy or vice versa in temperature ranges from approx. -150 ° C to 250 ° C.
  • a working gas is compressed and expanded alternately and at mostly different temperatures, giving off or absorbing heat.
  • the Vuilleumier process is also used to convert heat / cold to heat / cold at certain other temperatures.
  • Other operating principles such as adsorption or absorption heat pumps also belong to the prior art.
  • the reasons include:
  • EP 2 657 497 B1 discloses a thermoelectric converter which solves these problems by having heat exchangers which are periodically immersed in liquids. These liquids are coupled to the external heat sources / sinks.
  • the advantage of this is that this thermoelectric converter manages with minimal dead spaces, due to the location of the heat exchanger in The compression / expansion rooms are subjected to an almost isothermal compression / expansion and that the relatively large heat exchanger surfaces and immersion in the liquid ensure very good heat transfer between the external heat sources / sinks and the working medium. All four disadvantages of conventional machines described above are therefore significantly improved here.
  • DE 1 915 777 discloses a compressor with a worm shaft rotating in a liquid ring.
  • thermoelectric or thermomechanical converter using heat exchanger elements which are periodically immersed in a liquid, but which enables high performance, low friction and low manufacturing costs per performance.
  • thermoelectric or thermomechanical converter according to claim 1 and computer-controlled or electronically controlled methods according to claim 13 and 15.
  • Preferred embodiments are disclosed in the subclaims.
  • the thermoelectric or thermomechanical converter comprises at least one device for compressing or expanding or changing the volume of a working gas with a volume change element rotating eccentrically in a liquid ring about an axis of rotation.
  • the rotating volume change element comprises at least one web, which is designed such that the at least one web dips into the liquid ring during the rotation.
  • a vertical projection of the at least one web onto a plane perpendicular to the axis of rotation completely encloses the axis of rotation.
  • the at least one web is further designed such that it delimits at least one volume region of the working gas in the direction along the axis of rotation.
  • the present invention uses and improves the principle of liquid ring pumps in which an expansion or compression of a working medium takes place in the spaces between a volume change element rotating eccentrically in the liquid ring and the liquid speed ring. With this expansion and compression of the working medium, a Clausius-Rankine cycle or a Stirling cycle can be realized.
  • Friction losses between the liquid rings and the housing can be significantly reduced by providing at least one screw, spiral or screw-shaped bar.
  • An outer edge of the at least one web can form a curve that is a closed line that is not in a plane perpendicular to the axis of rotation.
  • the at least one web can enclose the axis of rotation and can comprise at least one surface that is not perpendicular to the axis of rotation.
  • the liquid ring can be set in rotation (or vice versa) by the rotation of the volume change element, for example a worm shaft, i.e. both are mechanically coupled to one another by the at least one web of the worm shaft.
  • the working gas is compressed by being enclosed by the worm shaft in the cavity (a volume area of the working gas) between the hub and the liquid ring and being conveyed in the direction along the axis of rotation, and the volume area and thus the volume of the working gas enclosed therein by the decreasing gradient of the at least one spiral or helical web and / or is reduced by the increasing diameter of the hub (in the case of expansion, the reverse is true).
  • a working gas under pressure can also drive the worm shaft, which is designed as an expansion device, whereby its pressure decreases.
  • the device preferably has two liquid rings and two groups (at least one web each) of webs, each of which is assigned to a liquid ring.
  • the two liquid rings are spatially separated from one another, at least when the device is in operation, e.g. through a partition.
  • Each group of webs can each form its own spiral or screw-shaped web (in total at least two) or each web (in total at least two), the outer edge of which forms a closed line that surrounds the axis of rotation and the at least one includes a surface that is not perpendicular to the axis of rotation.
  • a liquid ring with a group of webs can serve to compress the working gas, the other liquid ring with the other group of webs serving to expand the working gas.
  • thermoelectric or thermomechanical converter can be designed:
  • thermomechanical converter to convert mechanical energy into heat and / or cold
  • thermoelectric converter to convert electrical energy into heat and / or cold
  • thermomechanical converter thermomechanical converter
  • thermoelectric converter for converting electrical energy using the heat source (s) and heat sink (s) with different temperatures (thermoelectric converter) or
  • thermomechanical or thermo-electrical converter For converting heat quantities with certain temperatures into heat quantities with certain other temperatures, whereby additional mechanical / electrical energy can be generated or used for the drive (thermomechanical or thermo-electrical converter).
  • the heat / cold can be coupled to this thermoelectric or thermomechanical converter by means of liquids as a heat carrier. Therefore, its area of application is preferably at temperatures and pressures at which the substances used are liquid.
  • the invention replaces conventional heat pumps, heat engines or devices for converting (waste) heat or amounts of heat with certain temperature differences into useful heat and / or useful cold.
  • the invention is characterized by a particularly high degree of efficiency, low wear and a comparatively simple and inexpensive construction.
  • the present invention describes an embodiment of a thermoelectric or thermomechanical transducer using heat exchanger elements (e.g. webs) which are periodically immersed in a liquid, but which enables significantly higher output, lower friction and lower production costs per output.
  • the webs can have a screw shape or a spiral shape or a screw shape and can be arranged in a screw or spiral or screw shape around a hub of the volume change element, preferably an increase in the screw or spiral or screw shape and / or preferably a diameter of the hub change along the axis of rotation.
  • At least one external heat source can be thermally coupled to the liquid ring for supplying and / or at least one external heat sink for removing amounts of heat, and preferably by means of a corresponding supply and / or discharge of liquid or by pipes which are immersed in the liquid ring.
  • the external heat sources or sinks can be devices for using or storing the generated useful heat or useful cold, such as a heating or cooling device or a thermal heat store or latent heat store (eg ice store), and / or the sources / sinks of the heat quantities that are used to drive the machine. This eliminates the need for additional heat exchangers, and the heat transfer between external heat sources or - lower and working medium can be largely isothermal and without large temperature gradients.
  • thermoelectric or thermomechanical converter can additionally comprise a heat exchanger or a regenerator for exchanging amounts of heat between a compressed and an expanded working gas.
  • This important but not absolutely necessary element in the Clausius-Rankine variant is a heat exchanger for exchanging the temperatures between the compressed working gas (or also of condensed working gas / working medium) and the expanded working gas.
  • this is alternatively a regenerator that cools this working gas when it flows through the working gas in one direction and absorbs heat energy from it, and heats the working gas when it flows through the working gas in the other direction and accordingly heats the working gas to the ses.
  • the regenerator is a medium with a large surface area that can easily absorb / release heat from the working gas flowing through, e.g.
  • the heat exchanger or the regenerator can be provided, for example, within the rotating volume change element or can be connected to the outer, rotatable housing. It can also be provided to rotate with the rotating volume change element or with the outer, rotatable housing. Thus, the heat exchanger or the regenerator can be arranged within a hub of the rotating volume change element or within a housing wall of the outer, rotatable housing. The rotating volume change element or the housing wall can then have openings in order to supply working gas to the heat exchanger / regenerator and to discharge it therefrom.
  • thermoelectric or thermomechanical converter can comprise additional heat transmission elements between the liquid ring and the working gas, preferably additional webs or metal plates, metal disks, metal nets and / or rods attached to the hub.
  • thermoelectric or thermomechanical transducer can comprise one or more rotatable housings for receiving the liquid ring.
  • At least one liquid used can be water, liquid CO2, a thermal oil or another oil, ethanol or another alcohol or a substance with a boiling point, at an ambient pressure of 1 bar, between -200 ° C and 80 ° C and particularly preferred between -50 ° C and 80 ° C.
  • the working gas can be a gaseous state of aggregation of one of the liquids used.
  • the working gas can be air, nitrogen, CO2, helium, ethanol vapor, hydrogen, water vapor or a substance with a boiling point, at an ambient pressure of 1 bar, between -200 ° C and 80 ° C and particularly preferably between -50 ° C and 80 ° C.
  • a throttle valve can be provided for expansion of the working gas and / or a pump can be provided for compressing the working gas or the liquid condensate of the working gas.
  • the invention further relates to a computer-controlled or electronically controlled method for operating a thermoelectric or thermomechanical converter as described above or below.
  • the volume change element can be controlled in such a way that during compression of the working gas it partially or completely condenses and evaporates during a subsequent expansion.
  • the invention further relates to a computer-controlled or electronically controlled method for operating at least two thermoelectric or thermomechanical converters as described above or below, which are mechanically or electrically coupled to one another in such a way that one of the thermoelectric or thermomechanical converters can drive another and thus from quantities of heat with first temperatures, heat quantities can be generated with second temperatures, the first and second temperatures being different from one another.
  • thermoelectric or thermomechanical transducers / transducer modules with liquid rings so flexibly that heat / cold (preferably a heat source and a heat sink with different temperatures) can be used to remove useful heat and / or useful cold Generate heat at different temperatures.
  • “Flexible coupling” means that the parameters such as eccentricity, rotational speed, dimensions, pressure and / or shape of the worm shaft can also be changed during operation in such a way that the temperatures, heat quantities and power requirements / generation generated have flexible settings.
  • heat differences with only a small temperature difference eg from waste heat
  • FIG. 1 shows a sectional view of a first embodiment of a thermoelectric or thermomechanical converter for realizing the Clausius-Rankine cycle
  • FIG. 2 shows a section perpendicular to the axis of rotation at position A shown in FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a section perpendicular to the axis of rotation at position B shown in FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a spatial view of the thermoelectric or thermomechanical converter from FIG. 1,
  • FIG. 5 shows the path of the working gas through the first embodiment using arrows
  • FIG. 6a a worm shaft with a single helix
  • FIG. 6b shows a worm shaft with a double helix
  • FIG. 7 shows the embodiment described in FIG. 1 with an additional compression stage and an additional expansion stage
  • FIG. 8 shows a second embodiment of the thermoelectric or thermomechanical converter
  • FIG. 9 shows a third embodiment of the thermoelectric or thermomechanical converter for realizing a Stirling cycle
  • FIG. 10a the first embodiment, which can be operated as a heat pump
  • FIG. 10b shows a first variant, in which two self-contained Clausius-Rankine gas circuit processes are mechanically coupled to one another and to a motor / generator by means of a common shaft,
  • Figure 10c shows a second variant, in which the gas cycle is not completely closed, but is coupled at one point to the ambient air and
  • Figure 10d shows a third variant, in which the gas cycle is not completely closed, but is coupled at one point to the ambient air.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a first embodiment of a thermoelectric or thermomechanical converter for realizing the Clausius-Rankine cycle.
  • the thermoelectric or thermomechanical converter which is arranged on a fixed support structure 1, comprises a motor / generator 8 and a rotatable housing 9, in which two chambers 31, 32 are formed.
  • the two chambers 31, 32 are separated from one another by a partition 10.
  • the partition 10 is connected to the housing 9 such that it can be rotated together with it.
  • a sealing cylinder 12 is connected, and the partition 10 has an opening 13 through which a shaft 5 and a heat exchanger 14th runs.
  • the partition wall 10 prevents the liquids in the two chambers 31, 32 from mixing. It is also advantageous if the partition 10 is well insulated in order to prevent heat exchange between the liquid rings 17 and the gases 34 in the two chambers 31, 32.
  • the thermoelectric or thermomechanical transducer also includes receptacles 2 for the bearings 3 of the shaft 5 and the bearings 4 of the rotatable housing 9.
  • the shaft 5 is arranged eccentrically to the axis of rotation of the housing.
  • Two screw shafts 40 (volume change element) are arranged on the shaft 5, one in each of the two chambers 31, 32, and the shaft 5 mechanically couples the screw shafts, the motor / generator 8 and the heat exchanger 14 to one another.
  • the tubes 18, which have openings on the outer surface of the heat exchanger 14, run in the heat exchanger 14, i.e. within an outer wall 33 of the heat exchanger 14.
  • the worm shafts 40 each comprise a hub 6, each with a web 7 attached to it in a screw or spiral or helical shape.
  • the hubs 6 have an increasing diameter along their length, the worm shafts 40 being arranged in the chambers 31, 32 in this way that the diameter increases towards the partition 10.
  • the slope of the webs 7 decreases to the side with the larger diameter.
  • the worm shafts 40 can be rotated about an axis of rotation 39.
  • Each of the two chambers 31, 32 has an outlet line 15 and an inlet line (not shown) (see FIG. 4) which run through holes in the receptacles 2 and project inside the chambers 31, 32 to a desired level of a liquid ring 17.
  • thermoelectric or thermomechanical converter in use as a heat pump is described with reference to FIG. 1.
  • the motor / generator 8 sets the two worm shafts 40, which are arranged on the shaft 5, in a rotary movement via this shaft 5.
  • the liquids in the two chambers 31, 32, in which the two screw shafts 40 lie are also set in rotation, so that the liquids each form a liquid ring 17 in the respective chambers 31, 32.
  • This rotation of the liquid rings 17 also rotates the rotatable housing 9, so that there is hardly any friction between the liquid rings 17 and the housing wall. Since the shaft 5 of the worm shafts 40 is arranged eccentrically to the axis of rotation of the housing 9 and thus to the liquid rings 17, at least one cavity is formed on one side of the worm shafts 40, which is, however, on the opposite side of the worm shafts 40 by the respective one Liquid ring 17 is sealed (see also cross section in Figure 2).
  • the countercurrent heat exchanger 14 located on the shaft 5 within the screw shafts 40: the working gas under higher pressure, which in this case flows from the right-hand (working as a compressor) screw shaft 40 to on the left (working as an expansion device) must pass through openings in the outer wall 33 of the heat exchanger 14, through the tubes 18 in its interior, and on the other side through openings.
  • the uncompressed working gas flows past it in the opposite direction within the heat exchanger 14, the two working gas flows being separated from one another by the walls of the tubes 18.
  • a heat exchange can take place over the walls of the tubes 18.
  • a sealing disk 11 on the rotating heat exchanger 14 prevents the working gas from flowing past the heat exchanger 14.
  • the working gas flows can each exchange heat quantities, so that when they leave the heat exchanger 14 they have largely assumed the temperature that the other working gas flow had when they entered the heat exchanger 14.
  • condensate can also be passed through the heat exchanger 14.
  • additional tubes 30 instead of or in addition to the tubes 18, additional tubes 30 must be used which are immersed in the liquid rings 17 (see also FIG. 8).
  • drain pipes 15 are arranged such that they end at the point up to which the liquid rings are to form. Due to the high pressure in the liquid rings 17, excess liquid is pressed into the drain pipes 15 and with it the useful heat / cold.
  • the structure from FIG. 1 can also be used as a heat engine by coupling the left chamber 32 (expansion chamber) with a heat source with a higher temperature and the right chamber 31 (compressor chamber) with a heat sink with a lower temperature.
  • the temperature difference drives the thermoelectric or thermomechanical converter, so that electrical current can be generated in the motor / generator 8 or the mechanical energy of the rotating shaft 5 can be used directly.
  • one or more further webs can be provided on the worm shaft 40, so that they form a double or multiple helix (double helix see FIG. 6b, compared to single helix in FIG. 6a ).
  • a corresponding addition of webs to improve the heat transfer between working gas and liquid is also possible in the embodiment described below for implementing the Stirling cycle.
  • Other geometries that appear / appear in the liquid instead of the additional webs are also possible.
  • FIG. 2 shows a section perpendicular to the axis of rotation at position A shown in FIG. 1. It can be seen that the worm shaft with its hub 6 and the web (s) 7 are arranged eccentrically within the liquid ring 17 and the housing 9 is. The projection of the outer edges of the webs 7 onto this plane, which is perpendicular to the axis of rotation 39, is shown in broken lines. The web 7 lying in the sectional plane can also be seen.
  • FIG 3 shows a section perpendicular to the axis of rotation in the position B shown in Figure 1, the heat exchanger 14 with its outer wall 33 and the tubes 18 can be seen.
  • the expanded working gas flows in one direction (coming from the inside of the hub 6 of the expansion worm shaft (left chamber 32) and flowing into the inside of the hub 6 of the compression worm shaft (right chamber 31 )).
  • the compressed working gas flows (at high pressure) in the other direction.
  • the heat exchange takes place over the large surface that the tubes 18 form.
  • only four tubes 18 are shown here, but significantly more of them are preferably used.
  • FIG. 4 shows a spatial view of the thermoelectric or thermomechanical converter from FIG. 1, in which both one of the inlet lines 16 and one of the outlet lines 15 can be seen.
  • 5 shows with the arrows the path of the working gas through the thermoelectric or thermomechanical converter of FIG. 1.
  • the compressed working gas flows through the openings in the outer wall 33 of the Heat exchanger 14 and then through the tubes 18 lying inside.
  • the compressed working gas flows into the second chamber 32.
  • non-compressed working gas flows from the left chamber 32 in the opposite direction inside the outer wall 33 of the heat exchanger 14 and past the tubes 18.
  • a heat exchange between the compressed and the non-compressed gas can take place over the walls of the tubes 18.
  • FIG. 6a shows a worm shaft 41 with a single helix
  • FIG. 6b shows a worm shaft 42 with a double helix.
  • the worm shafts 41, 42 each comprise openings 20 within the end face 19 in order to enable the flow of the working gas through the interior of the hubs 6.
  • FIG. 7 shows the embodiment described in FIG. 1, in which an additional compression stage 35 and an additional expansion stage 36 are provided.
  • the additional cutting disks 28, which are fixedly connected to the housing 9, are provided, each having a gas-permeable opening 29 in the middle.
  • the cutting disks 28 can have further openings in order to enable liquid exchange and thus heat exchange between the respectively adjacent liquid rings 17.
  • the cutting disks 28 prevent a liquid ring from being displaced from the area with higher pressure into the area with lower pressure. With the second compression or expansion stage, the working pressure and thus the performance of the machine can be increased.
  • thermoelectric or thermomechanical transducers or transducer modules can be coupled with one another in such a way that they generate a working gas, e.g. step by step, heat, cool or liquefy or so waste heat can be used particularly efficiently (cascade of heat pumps / heat engines).
  • FIG. 8 shows a second embodiment of a thermoelectric or thermomechanical converter, which is constructed similarly to the first embodiment from FIG. 1.
  • a heat exchanger tube 30 is designed such that it is immersed in the two liquid rings 17 of the two chambers 31, 32.
  • the immersion depths are different in both chambers 31, 32. These different immersion depths on both sides can influence the amount of condensate transported in the pipe 30.
  • the heat exchanger tube 30 can convey condensate from one side to the other, which can exchange heat energy with the working gas flowing in the opposite direction on its way through the heat exchanger 14.
  • the heat exchanger tube 30 can also be designed such that it extends over a greater length within the heat exchanger 14 or that it is immersed in the liquid ring 17 at another location.
  • FIG. 9 shows a third embodiment of the thermoelectric or thermomechanical converter for realizing a Stirling cycle.
  • rotating hubs 26 are provided eccentrically in liquid rings 17, which seal gas spaces between the hubs 26 and the liquid rings 17 to the outside by means of locking disks 21.
  • the hubs 26 have a constant diameter along the shaft 5.
  • the hubs 26 each contain (at least) one web 27, which completely surrounds the hub 26, but is not arranged purely perpendicular to the axis of rotation, but rather adjacent on two opposite sides (for example, very close) or completely one locking disk 21 and one on the other locking disk 21.
  • a hub 26 together with a web 27 arranged thereon can be regarded as a volume change element.
  • each web can thus have regions that do not run in a plane perpendicular to the axis of rotation.
  • the outer edges of each web describe a closed curve that is not in a plane perpendicular to the axis of rotation.
  • the rotation of the shaft 5 alternately increases and decreases the two gas volumes subdivided by the web 27. If the two hubs 26 with their webs 27 are now rotated relative to one another by 90 ° or by another angle, they act like the phase-shifted pistons of a Stirling engine in the A design.
  • the two locking disks 21 together with the two hubs 26 and the two liquid rings 17 form closed gas volumes, which are subdivided again by the webs 27.
  • the connecting pipes 22 create a connection for the working gas between each of these two volumes divided by the webs 27 from the left chamber 38 and one from the right chamber 37, the working gas flowing through the connecting pipes 22 having to flow through a regenerator 23 which flows between the is arranged in both chambers 37, 38.
  • One of the locking disks 21 and a sealing cylinder 24 seal the two chambers 37, 38 against one another, so that no gas exchange via the opening 13 in the partition 10 is possible.
  • the sealing cylinder 24 can, for example, bear directly against the one locking disk 21 and thereby prevents unnecessary heat exchange between the two chambers 37, 38 from taking place.
  • FIG. 10a shows the first embodiment, which can be operated as a heat pump, the motor 8 driving the compressor worm shaft and being supported by the expansion worm shaft.
  • the expansion worm shaft can be coupled to a heat source with a higher temperature and the compressor worm shaft can be coupled to a heat sink with a lower temperature and the motor 8 can be replaced by a generator (or can be designed as a combined motor / generator). Electrical energy can be generated by using the temperature difference, or mechanical energy if the generator ceases to exist.
  • FIG. 10b shows a first variant, in which two self-contained Clausius-Rankine gas cycle processes (each consisting of a compression unit, an expansion unit and a rotating heat exchanger) are mechanically combined with one another and with a motor / generator common shaft 5 are coupled.
  • two self-contained Clausius-Rankine gas cycle processes each consisting of a compression unit, an expansion unit and a rotating heat exchanger
  • Generate useful cooling and / or useful heat from waste heat and a heat sink Dimensions, the degree of eccentricity of the screw shafts in the liquid ring, pressure, screw pitches and / or the diameter changes of the hubs can be selected such that the desired temperatures are reached.
  • these parameters can also differ in the different screw shafts / volume change elements or can also be changeable / controllable.
  • the motor / generator can also drive the shafts, so that heat / cold is generated in both gas cycle processes.
  • both gas cycle processes can generate mechanical energy from heat / cold and thus drive the motor / generator, which then generates electricity. Mixed forms of all these variants are also possible.
  • FIGS. 10c and 10d show a second and a third variant, in which the gas cycle process is not completely closed, but is coupled to the ambient air at one point. They can be used to heat or cool ambient air, or to use ambient air as a heat source or sink. These two variants can also be combined differently, analogously to FIG. 10b.
  • the motor / generator can be coupled via the rotating outer wall of the housing instead of the rotating worm shafts / volume change elements. • Instead of only compressing and expanding the working gas, it can at least partially be liquefied in the compression chambers and evaporated in the expansion chambers.
  • the heat exchanger can be designed such that liquid condensate can also flow from one chamber to the other in at least some of the tubes running inside the heat exchanger.
  • the tubes must be extended at least partially outside the heat exchanger in such a way that they are immersed in the respective liquid rings on both sides, ie in the right and in the left chamber. This is shown, for example, in FIG.
  • a further pipe 30 is designed here in such a way that it runs a shorter distance within the heat exchanger 14, but dips into the liquid rings at its ends, with different immersion depths , These different immersion depths on both sides can influence the amount of condensate transported in the pipe 30.
  • a simple throttle valve can also be used, so that only one worm shaft is used as a largely isothermal compressor.
  • the compression unit can be replaced by a condenser or evaporator in the form of a heat exchanger coupled to an external heat sink / source and a pump, provided that the method is carried out in such a way that the working medium is evaporated / condensed from the liquid ring in the expansion unit with worm shaft ,
  • the entire device can be surrounded by a pressure vessel so that it is operated at a pressure which is higher than the ambient pressure.
  • an embodiment of the heat exchanger can also be implemented, in which the expanded working gas flows in several pipe lines which are firmly connected to the end faces 19 of the screw shafts and which run inside an outer pipe , which is firmly connected to the partition wall 10 and in which the compressed working gas flows in the opposite direction.
  • This outer tube would then have no mechanical connection to the worm shafts.
  • the sealing disc 1 1 can be omitted.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen/thermomechanischen Wandler, der mindestens eine Vorrichtung zur Kompression/Expansion/Volumenänderung eines Arbeitsgases enthält mit einem exzentrisch in einem Flüssigkeitsring (17) um eine Rotationsachse (39) rotierenden Volumenänderungselement (40, 41, 42, 43). Das Volumenänderungselement umfasst mindestens einen Steg (7), der während der Rotation in den Flüssigkeitsring eintaucht. Eine senkrechte Projektion dieses Stegs auf eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse umschließt die Rotationsachse vollständig. Dieser Steg begrenzt mindestens einen Volumenbereich des Arbeitsgases in Richtung entlang der Rotationsachse. Diese Begrenzung wird bei der Rotation des Volumenänderungselements um die Rotationsachse in einer Schnittebene, in der die Rotationsachse liegt, in Richtung entlang der Rotationsachse verlagert. Weiter betrifft die Erfindung ein computergesteuertes oder elektronisch gesteuertes Verfahren zum Betreiben des thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers und ein computergesteuertes oder elektronisch gesteuertes Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlern, die mechanisch oder elektrisch miteinander gekoppelt sind.

Description

Thermoelektrischer oder thermomechanischer Wandler und computergesteuerte oder elektronisch gesteuerte Verfahren
Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und computergesteuerte oder elektronisch gesteuerte Verfahren nach Anspruch 13 und 15.
Stand der Technik
Zur Umwandlung von Wärme/Kälte in mechanische/elektrische Energie oder umgekehrt in Tem- peraturbereichen von ca. -150°C bis 250°C werden heute oft Maschinen eingesetzt, die nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozess oder nach dem Stirling-Prozess arbeiten. Dabei wird ein Arbeitsgas abwechselnd und bei meist unterschiedlichen Temperaturen komprimiert und ex pandiert, wobei es Wärmemengen abgibt oder aufnimmt. Zur Umwandlung von Wärme/Kälte in Wärme/Kälte bei gewissen anderen Temperaturen wird auch der Vuilleumier-Prozess genutzt. Auch andere Wirkprinzipen wie Adsorptions- oder Absorptions-Wärmepumpen gehören zum Stand der Technik.
Stirlingmaschinen und Maschinen nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozess haben heute den Nachteil, dass ihre Herstellungskosten im Verhältnis zu den damit umwandelbaren Energiemen- gen oft nicht wirtschaftlich sind. Weiterhin haben sie meist Wirkungsgrade, die bedingt durch die technische Umsetzung weit schlechter sind als der ideale Carnot-Wirkungsgrad für Wärme- kraftmaschinen bzw. Wärmepumpen.
Dies hat unter anderem die folgenden Gründe:
1. Die Expansion und/oder Kompression des verwendeten Arbeitsmediums findet weitgehend adiabatisch und nicht isotherm statt,
2. die Wärmetauscherflächen sind zu klein oder die Kopplung der zu-/abgeführten Wärmemen- gen an das Arbeitsmedium nicht ausreichend, um einen Wärmeübergang zu gewährleisten, der das Arbeitsgas in der verfügbaren Zeit weit genug erwärmt/abkühlt,
3. beim Betrieb entstehen mechanische Reibungsverluste oder strömungsmechanische Rei- bungsverluste,
4. in Stirlingmaschinen existieren Toträume, so dass sich das Arbeitsgas während der Expan- sion oder Kompression nicht vollständig in den vorgesehenen Expansions- bzw. Kompressions- volumina befindet.
EP 2 657 497 B1 offenbart einen thermoelektrischen Wandler, der diese Probleme löst, indem er Wärmetauscher aufweist, die periodisch in Flüssigkeiten eintauchen. Diese Flüssigkeiten sind an die externen Wärmequellen/-senken gekoppelt. Vorteil davon ist, dass dieser thermoelektri- sche Wandler mit minimalen Toträumen auskommt, dass durch die Lage der Wärmetauscher in den Kompressions-/Expansionsräumen eine nahezu isotherme Kompression/Expansion statt findet und dass durch vergleichsweise große Wärmetauscherflächen und durch das Eintauchen in die Flüssigkeit ein sehr guter Wärmeübergang zwischen den externen Wärmequellen/-sen- ken und dem Arbeitsmedium gewährleistet ist. Alle vier oben beschriebenen Nachteile her- kömmlicher Maschinen sind also hier wesentlich verbessert.
Die Nutzung des Prinzips der exzentrisch in einem Flüssigkeitsring rotierenden Welle für die Expansion/Kompression in einem thermodynamischen Kreisprozess ist in WO 93/20333 und in DE 10 2006 030 198 A1 offenbart. Beide nutzen das Prinzip der Flüssigkeitsringpumpen, bei denen auf der Drehachse Schaufelräder sitzen, deren Flächen parallel zur Drehachse angeord- net sind (d.h., wenn man die Drehachse senkrecht zu ihrer Achse in die Fläche der Schaufelrä- der verschieben würde, so würde die Achse innerhalb der Fläche liegen). Bei dieser den Flüs- sigkeitsringpumpen entsprechenden Anordnung kann ein sehr hoher Reibungsverlust bei der Bewegung der Schaufelräder durch den Flüssigkeitsring entstehen.
DE 1 915 777 offenbart einen Verdichter mit einer in einem Flüssigkeitsring rotierenden Schne- ckenwelle.
Aufgabe
Die zu lösende Aufgabe ist gegeben durch das Bereitstellen eines thermoelektrischen oder ther- momechanischen Wandlers unter der Verwendung von periodisch in eine Flüssigkeit eintau- chenden Wärmetauscherelementen, der aber eine hohe Leistung, geringe Reibung und geringe Herstellungskosten pro Leistung ermöglicht.
Lösung
Diese Aufgabe wird gelöst durch den thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler nach Anspruch 1 und computergesteuerte oder elektronisch gesteuerte Verfahren nach An- spruch 13 und 15. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler umfasst mindestens eine Vorrichtung zur Kompression oder Expansion oder Volumenänderung eines Arbeitsgases mit einem exzent- risch in einem Flüssigkeitsring um eine Rotationsachse rotierenden Volumenänderungsele- ment. Das rotierende Volumenänderungselement umfasst mindestens einen Steg, der derart ausgebildet ist, dass der mindestens eine Steg während der Rotation in den Flüssigkeitsring eintaucht. Eine senkrechte Projektion des mindestens einen Stegs auf eine Ebene senkrecht zu der Rotationsachse umschließt die Rotationsachse vollständig. Der mindestens eine Steg ist weiter derart ausgebildet, dass er mindestens einen Volumenbereich des Arbeitsgases in Rich- tung entlang der Rotationsachse begrenzt. Diese Begrenzung wird bei einer Rotation des Volu- menänderungselements um die Rotationsachse in einer Schnittebene, in der die Rotations- achse liegt, in Richtung entlang der der Rotationsachse verlagert. Die vorliegende Erfindung nutzt und verbessert das Prinzip von Flüssigkeitsringpumpen, bei denen eine Expansion oder Kompression eines Arbeitsmediums in den Räumen zwischen ei- nem exzentrisch im Flüssigkeitsring rotierenden Volumenänderungselement und dem Flüssig keitsring stattfindet. Mittels dieser Expansion und Kompression des Arbeitsmediums kann ins- besondere ein Clausius-Rankine-Kreisprozess oder ein Stirling-Kreisprozess realisiert werden.
Reibungsverluste zwischen den Flüssigkeitsringen und dem Gehäuse können wesentlich redu- ziert werden durch Vorsehen mindestens eines schrauben- oder spiral- oder schneckenförmi- gen Stegs. Eine Außenkante des mindestens einen Stegs kann eine Kurve bilden, die eine ge- schlossene Linie ist, die nicht in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse liegt. Der mindes- tens eine Steg kann die Rotationsachse umschließen und kann mindestens eine Oberfläche umfassen, die nicht senkrecht zur Rotationsachse verläuft. Der Flüssigkeitsring kann dabei durch die Drehung des Volumenänderungselements, beispielsweise einer Schneckenwelle, in Rotation versetzt (oder umgekehrt) werden, d.h. beide sind durch den mindestens einen Steg der Schneckenwelle mechanisch miteinander gekoppelt. Die Kompression des Arbeitsgases geschieht, indem es durch die Schneckenwelle im Hohlraum (einem Volumenbereich des Ar- beitsgases) zwischen Nabe und Flüssigkeitsring eingeschlossen und in Richtung entlang der Rotationsachse befördert wird und dabei der Volumenbereich und somit das Volumen des darin eingeschlossenen Arbeitsgases durch die abnehmende Steigung des mindestens einen spiral- oder schneckenförmigen Stegs und/oder durch den anwachsenden Durchmesser der Nabe ver- kleinert wird (bei der Expansion ist es entsprechend umgekehrt). Umgekehrt kann auch ein unter Überdruck stehendes Arbeitsgas die als Expansionsvorrichtung ausgeführte Schneckenwelle antreiben, wobei sein Druck abnimmt.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung zwei Flüssigkeitsringe auf und zwei Gruppen (jeweils min- destens einen Steg) von Stegen, die jeweils einem Flüssigkeitsring zugeordnet sind. Die beiden Flüssigkeitsringe sind zumindest im Betrieb der Vorrichtung voneinander räumlich getrennt, z.B. durch eine T rennwand. Jede Gruppe von Stegen kann jeweils einen eigenen spiral- oder schne- ckenförmigen Steg (also insgesamt mindestens zwei) bilden oder jeweils einen Steg (also ins- gesamt mindestens zwei), dessen Außenkante jeweils eine geschlossene Linie bildet, der die Rotationsachse umschließt und der mindestens eine Oberfläche umfasst, die nicht senkrecht zur Rotationsachse verläuft. Ein Flüssigkeitsring mit einer Gruppe von Stegen kann zur Kompri- mierung des Arbeitsgases dienen, wobei der andere Flüssigkeitsring mit der anderen Gruppe von Stegen zur Expansion des Arbeitsgases dient.
Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler kann ausgebildet sein:
- zum Umwandeln von mechanischer Energie in Wärme und /oder Kälte (thermomechanischer Wandler) oder - zum Umwandeln von elektrischer Energie in Wärme und /oder Kälte (thermoelektrischer Wandler) oder
- zur Erzeugung von mechanischer Energie mittels der Nutzung von Wärmequelle(n) und Wär- mesenke(n) mit unterschiedlichen Temperaturen (thermomechanischer Wandler) oder
- zur Umwandlung von elektrischer Energie mittels der Nutzung von Wärmequelle(n) und Wär- mesenke(n) mit unterschiedlichen Temperaturen (thermoelektrischer Wandler) oder
- zur Umwandlung von Wärmemengen mit bestimmten Temperaturen in Wärmemengen mit be- stimmten anderen Temperaturen, wobei zusätzlich mechanische/elektrische Energie erzeugt werden kann oder zum Antrieb verwendet werden kann (thermomechanischer oder thermo- elektrischer Wandler).
Die Wärme/Kälte kann mittels Flüssigkeiten als Wärmeträger an diesen thermoelektrischen o- der thermomechanischen Wandler gekoppelt werden. Daher liegt sein Einsatzbereich vorzugs- weise auch bei Temperaturen und Drücken, bei denen die verwendeten Stoffe flüssig sind.
Die Erfindung ersetzt herkömmliche Wärmepumpen, Wärmekraftmaschinen oder Vorrichtungen zum Umwandeln von (Ab-)Wärme oder Wärmemengen mit gewissen Temperaturunterschieden in Nutzwärme und/oder Nutzkälte. Die Erfindung zeichnet sich durch besonders hohe Wirkungs- grade aus sowie durch Verschleißarmut und einen vergleichsweise einfachen und kostengüns- tigen Aufbau. Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Ausführungsform eines thermoelektri- schen oder thermomechanischen Wandlers unter der Verwendung von periodisch in eine Flüs- sigkeit eintauchenden Wärmetauscherelementen (z.B. Stegen), die aber eine deutlich höhere Leistung, geringere Reibung und geringere Herstellungskosten pro Leistung ermöglicht.
Die Stege können zusammengenommen eine Schraubenform oder eine Spiralform oder eine Schneckenform aufweisen und schrauben- oder spiral- oder schneckenförmig um eine Nabe des Volumenänderungselements angeordnet sein, wobei sich vorzugsweise eine Steigung der Schrauben- oder Spiral- oder Schneckenform und/oder vorzugsweise ein Durchmesser der Nabe sich entlang der Rotationsachse verändern.
Mindestens eine äußere Wärmequelle kann zum Zuführen und/oder mindestens eine äußere Wärmesenke zum Abführen von Wärmemengen thermisch an den Flüssigkeitsring gekoppelt sein, und zwar vorzugsweise durch eine entsprechende Zuleitung und/oder Ableitung von Flüs- sigkeit oder durch Rohre, die in den Flüssigkeitsring eintauchen. Die externen Wärmequellen oder -senken können Vorrichtungen zur Nutzung oder Speicherung der erzeugten Nutzwärme oder Nutzkälte sein wie z.B. eine Heiz- oder Kühlvorrichtung oder ein thermischer Wärmespei- cher oder Latentwärmespeicher (z.B. Eisspeicher), und/oder die Quellen/Senken der Wärme- mengen sein, die zum Antrieb der Maschine genutzt werden. So kann auf zusätzliche Wärme- tauscher verzichtet werden, und der Wärmeübertrag zwischen externen Wärmequellen oder - senken und Arbeitsmedium kann so weitgehend isotherm und ohne große Temperaturgradien- ten erfolgen.
Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler kann zusätzlich einen Wärmetau- scher oder einen Regenerator zum Austausch von Wärmemengen zwischen einem komprimier- ten und einem expandierten Arbeitsgas umfassen. Dieses wichtige, aber nicht absolut erforder- liches Element ist in der Clausius-Rankine-Variante ein Wärmetauscher zum Austausch der Temperaturen zwischen dem komprimierten Arbeitsgas (oder auch von kondensiertem Arbeits- gas/Arbeitsmedium) und dem expandierten Arbeitsgas. Bei der Stirling-Variante ist dies alter- nativ ein Regenerator, der beim Durchströmen des Arbeitsgases in die eine Richtung dieses Arbeitsgas abkühlt und Wärmeenergie von ihm aufnimmt, und beim Durchströmen des Arbeits- gases in die andere Richtung das Arbeitsgas erwärmt und entsprechend Wärmenergie an die ses abgibt. Der Regenerator ist ein Medium mit großer Oberfläche, das gut Wärme aus dem durchströmenden Arbeitsgas aufnehmen/abgeben kann, z.B. eine feine Metallwolle oder Me- tallspäne oder ein poröses Sintermetallgebilde. Der Wärmetauscher oder der Regenerator kann beispielsweise innerhalb des rotierenden Volumenänderungselements vorgesehen sein oder mit dem äußeren, drehbaren Gehäuse verbunden sein. Er kann auch mit dem rotierenden Vo- lumenänderungselement oder mit dem äußeren, drehbaren Gehäuse mitrotierend vorgesehen sein. So kann der Wärmetauscher oder der Regenerator innerhalb einer Nabe des rotierenden Volumenänderungselements oder innerhalb einer Gehäusewand des äußeren, drehbaren Ge- häuses angeordnet sein. Das rotierende Volumenänderungselement oder die Gehäusewand kann dann Öffnungen aufweisen, um Arbeitsgas zu dem Wärmetauscher/Regenerator zuzulei- ten und von diesem abzuleiten.
Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler kann zusätzliche Wärmeübertra- gungselemente zwischen dem Flüssigkeitsring und dem Arbeitsgas umfassen, vorzugsweise zusätzliche Stege oder an der Nabe befestigte Metallplatten, Metallscheiben, Metallnetze und/o- der Stäbe.
Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler kann ein oder mehrere drehbare Ge- häuse zur Aufnahme des Flüssigkeitsrings umfassen.
Mindestens eine verwendete Flüssigkeit kann Wasser, flüssiges CO2, ein Thermoöl oder ein anderes Öl, Ethanol oder ein anderer Alkohol sein oder ein Stoff sein mit einem Siedepunkt, bei einem Umgebungsdruck von 1 bar, zwischen -200°C und 80°C und besonders bevorzugt zwi- schen -50°C und 80°C.
Das Arbeitsgas kann ein gasförmiger Aggregatzustand einer der verwendeten Flüssigkeiten sein. Das Arbeitsgas kann Luft, Stickstoff, CO2, Helium, Ethanol-Dampf, Wasserstoff, Wasserdampf sein oder ein Stoff sein mit einem Siedepunkt, bei einem Umgebungsdruck von 1 bar, zwischen -200°C und 80°C und besonders bevorzugt zwischen -50°C und 80°C.
Für eine Expansion des Arbeitsgases können ein Drosselventil und/oder für eine Kompression des Arbeitsgases oder des flüssigen Kondensats des Arbeitsgases eine Pumpe vorgesehen sein.
Weiter betrifft die Erfindung ein computergesteuertes oder elektronisch gesteuertes Verfahren zum Betreiben eines thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers wie oben oder weiter unten beschrieben.
Das Volumenänderungselement kann derart gesteuert werden, dass während einer Kompres- sion des Arbeitsgases dieses teilweise bis ganz kondensiert und während einer anschließenden Expansion verdampft.
Weiter betrifft die Erfindung ein computergesteuertes oder elektronisch gesteuertes Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlern wie oben oder weiter unten beschrieben, die derart mechanisch oder elektrisch miteinander gekoppelt sind, dass einer der thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler einen anderen antreiben kann und so aus Wärmemengen mit ersten Temperaturen Wärmemengen mit zweiten Temperaturen erzeugt werden können, wobei die ersten und die zweiten Tempera- turen verschieden voneinander sind.
Dies kann sinnvoll zur Nutzung von (Ab-)Wärme zur Erzeugung von Nutzwärme oder -kälte (zur Klimatisierung von Gebäuden oder Fahrzeugen aus Umgebungs- oder Abwärme, zur Erzeu- gung von Wärme/Kälte für industrielle Prozesse, zur Umformung von Wärme aus Wärmespei- chern in Nutzwärme mit anderen Temperaturen, ...) sein.
Es kann vorgesehen sein, zwei entsprechende thermoelektrische oder thermomechanische Wandler/Wandlermodule mit Flüssigkeitsringen derart flexibel miteinander zu koppeln, dass da- bei Wärme/Kälte (vorzugsweise eine Wärmequelle und eine Wärmesenke mit unterschiedlichen Temperaturen) dazu genutzt werden kann, Nutzwärme und/oder Nutzkälte aus Wärmemengen mit anderen Temperaturen zu erzeugen. Mit„flexibel koppeln“ ist dabei gemeint, dass die Pa- rameter wie Exzentrizität, Drehgeschwindigkeit, Abmessungen, Druck und/oder Form der Schneckenwelle auch während des Betriebs derart verändert werden können, dass sich so die erzeugten Temperaturen, Wärmemengen und Strombedarf/-erzeugung flexibel einstellen las- sen. So lassen sich u.a. Wärmedifferenzen mit nur geringem Temperaturunterschied (z.B. aus Abwärme) „aufkonzentrieren“ zu nutzbaren Wärmemengen mit höherem Temperaturunter- schied. Die beigefügten Figuren stellen beispielhaft zum besseren Verständnis und zur Veranschauli- chung Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung dar. Es zeigt:
Figur 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines thermoelektrischen oder ther- momechanischen Wandlers zur Realisierung des Clausius-Rankine-Kreisprozesses,
Figur 2 einen Schnitt senkrecht zur Drehachse an der in Figur 1 dargestellten Position A,
Figur 3 einen Schnitt senkrecht zur Drehachse an der in Figur 1 dargestellten Position B,
Figur 4 eine räumliche Ansicht des thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers aus Figur 1 ,
Figur 5 den Weg des Arbeitsgases durch die erste Ausführungsform anhand von Pfeilen,
Figur 6a eine Schneckenwelle mit Einfach-Helix,
Figur 6b eine Schneckenwelle mit Doppelhelix,
Figur 7 die in Figur 1 beschriebene Ausführungsform mit einer zusätzlichen Kompressionsstufe und einer zusätzlichen Expansionsstufe,
Figur 8 eine zweite Ausführungsform des thermoelektrischen oder thermomechanischen Wand- lers,
Figur 9 eine dritte Ausführungsform des thermoelektrischen oder thermomechanischen Wand- lers zur Realisierung eines Stirling-Kreisprozesses,
Figur 10a die erste Ausführungsform, die als Wärmepumpe betrieben werden kann,
Figur 10b eine erste Variante, bei der je zwei in sich geschlossene Clausius-Rankine-Gaskrei- sprozesse miteinander und mit einem Motor/Generator mechanisch mittels gemeinsamer Welle gekoppelt sind,
Figur 10c eine zweite Variante, bei der der Gas-Kreisprozess nicht vollständig geschlossen ist, sondern an einer Stelle mit der Umgebungsluft gekoppelt ist und
Figur 10d eine dritte Variante, bei der der Gas-Kreisprozess nicht vollständig geschlossen ist, sondern an einer Stelle mit der Umgebungsluft gekoppelt ist.
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers zur Realisierung des Clausius-Rankine-Kreisprozesses. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler, der auf einer feststehenden T rägerstruk- tur 1 angeordnet ist, umfasst einen Motor/Generator 8 und ein drehbares Gehäuse 9, in dem zwei Kammern 31 , 32 ausgebildet sind. Die beiden Kammern 31 , 32 sind durch eine Trennwand 10 voneinander getrennt. Die Trennwand 10 ist derart mit dem Gehäuse 9 verbunden, dass sie zusammen mit ihm drehbar ist. Mit der Trennwand 10 ist ein Dichtzylinder 12 verbunden, und die T rennwand 10 weist eine Öffnung 13 auf, durch die eine Welle 5 und ein Wärmetauscher 14 verläuft. Die Trennwand 10 vermeidet, dass sich die Flüssigkeiten in den beiden Kammern 31 , 32 vermischen. Zudem ist vorteilhaft, wenn die Trennwand 10 gut isoliert ist, um einen Wär- meaustausch zwischen den Flüssigkeitsringen 17 und den Gasen 34 in den beiden Kammern 31 , 32 zu verhindern.
Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler umfasst zudem Aufnahmen 2 für die Lager 3 der Welle 5 und die Lager 4 des drehbaren Gehäuses 9. Die Welle 5 ist exzentrisch zur Drehachse des Gehäuses angeordnet. Auf der Welle 5 sind zwei Schneckenwellen 40 (Volu- menänderungselement) angeordnet, eine in jeder der beiden Kammern 31 , 32, und die Welle 5 koppelt die Schneckenwellen, den Motor/Generator 8 und den Wärmetauscher 14 mechanisch miteinander. In dem Wärmetauscher 14, d.h., innerhalb einer Außenwand 33 des Wärmetau- schers 14, verlaufen die Rohre 18, die an der Mantelfläche des Wärmetauschers 14 Öffnungen aufweisen. Die Schneckenwellen 40 umfassen jeweils eine Nabe 6 mit jeweils einem daran schrauben- oder spiral- oder schneckenförmig angebrachten Steg 7. Die Naben 6 weisen ent- lang ihrer Länge einen zunehmenden Durchmesser auf, wobei die Schneckenwellen 40 in den Kammern 31 , 32 derart angeordnet sind, dass der Durchmesser zu der Trennwand 10 hinzu- nimmt. Die Steigung der Stege 7 nimmt zur Seite mit dem größeren Durchmesser ab. Die Schneckenwellen 40 können um eine Rotationsachse 39 gedreht werden.
Jede der beiden Kammern 31 , 32 weist eine Ablaufleitung 15 und eine nicht dargestellte Zulauf- leitung (siehe Figur 4) auf, die durch Löcher in den Aufnahmen 2 verlaufen und innerhalb der Kammern 31 , 32 bis zu einem gewünschten Niveau eines Flüssigkeitsrings 17 ragen.
Anhand von Figur 1 wird eine Funktion des thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers in der Verwendung als Wärmepumpe beschrieben. Der Motor/Generator 8 versetzt die beiden Schneckenwellen 40, die auf der Welle 5 angeordnet sind, über diese Welle 5 in eine Drehbewegung. Dadurch werden auch die Flüssigkeiten in den beiden Kammern 31 , 32, in de- nen die zwei Schneckenwellen 40 liegen, in Rotation versetzt, so dass die Flüssigkeiten jeweils einen Flüssigkeitsring 17 in den jeweiligen Kammern 31 , 32 ausbilden.
Durch diese Rotation der Flüssigkeitsringe 17 wird auch das drehbare Gehäuse 9 in Rotation versetzt, so dass kaum Reibung zwischen den Flüssigkeitsringen 17 und der Gehäusewand entsteht. Da die Welle 5 der Schneckenwellen 40 exzentrisch zur Drehachse des Gehäuses 9 und somit zu den Flüssigkeitsringen 17 angeordnet ist, bildet sich auf einer Seite der Schne- ckenwellen 40 jeweils mindestens ein Hohlraum aus, der jedoch auf der gegenüberliegenden Seite der Schneckenwellen 40 durch den jeweiligen Flüssigkeitsring 17 abgedichtet ist (siehe hierzu auch Querschnitt in Figur 2).
Zwischen den Stegen 7 der Schneckenwellen 40 bilden sich in diesen Hohlräumen nun voll- ständig nach außen abgedichtete Volumina des Arbeitsgases, die durch die Rotation der Schne- ckenwellen 40 in der einen Kammer 31 (in diesem Beispiel rechts) entlang der Rotationsachse 39 zur Mitte hin befördert und dort wieder geöffnet werden, und in der anderen Kammer 32 (in diesem Beispiel links) entsprechend von der Mitte entlang der Rotationsachse 39 nach außen befördert werden. Durch die zur Mitte hin abnehmende Steigung der Stege 7 der Schnecken- wellen 40 und durch den zunehmenden Durchmesser der Nabe 6 wird das Gas auf seiner Be- förderung von der rechten Kammer 31 zur Mitte hin verdichtet, während es in der linken Kammer 32 auf seinem Weg aus der Mitte heraus nach links expandiert wird. Entsprechend wird das Gas in der rechten Kammer 31 erwärmt und in der linken Kammer 32 abgekühlt, wobei zusätz- lich Kondensation und Verdampfung auftreten können.
Durch den engen Kontakt zu den Flüssigkeitsringen und die periodisch darin ein- und auftau- chenden Stege 7 wird die entstehende Wärme/Kälte auch an den jeweiligen Flüssigkeitsring 17 abgegeben, wodurch dieser Wärmeenergie aufnimmt und sich dabei erwärmt bzw. Wärmener- gie abgibt und sich dabei abkühlt. Dies geschieht wegen des engen Kontakts und den großen Oberflächen weitgehend isotherm, was sich positiv auf den Wirkungsgrad des hier vorliegenden Clausius-Rankine-Kreisprozess auswirkt. Nach der Expansion kann das Arbeitsgas durch das Innere der Schneckenwellen 40 wieder in die rechte Kammer 31 zurückströmen, wo es von der verdichtenden Schneckenwelle 40 wieder erfasst werden kann - so schließt sich der Clausius- Rankine-Kreisprozess.
Eine wesentliche Wirkungsgradverbesserung wird noch durch den innerhalb der Schnecken- wellen 40 auf der Welle 5 befindlichen Gegenstrom-Wärmetauscher 14 erreicht: Das unter hö- herem Druck stehende Arbeitsgas, das in diesem Fall von der rechten (als Verdichter arbeiten- den) Schneckenwelle 40 zur linken (als Expansions-Vorrichtung arbeitenden) strömt, muss den Weg durch Öffnungen in der Außenwand 33 des Wärmetauschers 14, durch die in seinem In- neren liegenden Rohre 18 hindurch, und auf der anderen Seite durch Öffnungen wieder aus ihm hinaus nehmen. Dabei strömt das unverdichtete Arbeitsgas in entgegengesetzter Richtung in- nerhalb des Wärmetauscher 14 an ihm vorbei, wobei beide Arbeitsgasströme durch die Wände der Rohre 18 voneinander getrennt sind. Über die Wände der Rohre 18 kann ein Wärmeaus- tausch stattfinden. Durch eine auf dem rotierenden Wärmetauscher 14 sitzende Dichtscheibe 1 1 wird verhindert, dass das Arbeitsgas am Wärmetauscher 14 vorbei strömt. So können die Arbeitsgasströme jeweils Wärmemengen austauschen, so dass sie beim Verlassen des Wär- metauschers 14 weitgehend die Temperatur angenommen haben, die der jeweils andere Ar- beitsgasstrom beim Eintritt in den Wärmetauscher 14 hatte. Alternativ oder zusätzlich zum kom- primierten Arbeitsgas, das durch die Rohre 18 strömt, kann auch Kondensat durch den Wärme- tauscher 14 geleitet werden. In diesem Fall müssen statt oder zusätzlich zu den Rohren 18 weitere Rohre 30 verwendet werden, die in die Flüssigkeitsringe 17 eintauchen (siehe auch Figur 8).
Um die entstehende Wärme/Kälte nutzbar zu machen, strömt über die jeweiligen (nicht darge- stellten) Zulaufrohre in jeder Kammer 31 , 32 immer neue Flüssigkeit in die Flüssigkeitsringe 17 nach und wird von dort wieder über je ein Ablaufrohr 15 entnommen. Die Ablaufrohre 15 sind so angeordnet, dass sie an der Stelle enden bis zu der sich die Flüssigkeitsringe ausbilden sollen. Durch den hohen Druck in den Flüssigkeitsringen 17 wird so überschüssige Flüssigkeit in die Ablaufrohre 15 gedrückt und mit ihr die Nutzwärme/-kälte.
Alternativ kann der Aufbau aus Figur 1 auch als Wärmekraftmaschine genutzt werden, indem die linke Kammer 32 (Expansionskammer) mit einer Wärmequelle mit höherer Temperatur ge- koppelt wird und die rechte Kammer 31 (Verdichterkammer) mit einer Wärmesenke mit niedri gerer Temperatur. Einmal durch den Motor/Generator 8 in Gang gesetzt, treibt der Temperatur- Unterschied den thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler an, so dass im Mo- tor/Generator 8 elektrischer Strom erzeugt oder die mechanische Energie der drehenden Welle 5 direkt genutzt werden kann.
Zur weiteren Verbesserung des Wärmeübertrags zwischen den Flüssigkeitsringen 17 und dem Arbeitsgas können ein oder mehrere weitere Stege an der Schneckenwelle 40 vorgesehen wer- den, so dass diese eine Doppel- bzw. Mehrfachhelix ausbilden (Doppelhelix siehe Figur 6b, im Vergleich zu Einfachhelix in Figur 6a). Eine entsprechende Ergänzung von Stegen zur Verbes- serung des Wärmeübertrags zwischen Arbeitsgas und Flüssigkeit ist auch in der unten beschrie- benen Ausführungsform zur Umsetzung des Stirling-Kreisprozesses möglich. Andere in die Flüssigkeit ein-/auftauchende Geometrien statt der zusätzlichen Stege sind ebenfalls möglich.
Figur 2 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Drehachse an der in Figur 1 dargestellten Position A. Es ist zu erkennen, dass die Schneckenwelle mit ihrer Nabe 6 und dem/den Steg(en) 7 exzent- risch innerhalb des Flüssigkeitsrings 17 und des Gehäuses 9 angeordnet ist. Gestrichelt ist die Projektion der äußeren Kanten der Stege 7 auf diese Ebene dargestellt, die senkrecht zur Ro- tationsachse 39 liegt. Weiter ist der in der Schnittebene liegende Steg 7 zu erkennen.
Figur 3 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Drehachse in der in Figur 1 dargestellten Position B, wobei der Wärmetauscher 14 mit seiner Außenwand 33 und den Rohren 18 zu erkennen ist. Innerhalb der Außenwand 33 und außerhalb der Rohre 18 strömt das expandierte Arbeitsgas in die eine Richtung (kommend aus dem Inneren der Nabe 6 der Expansions-Schneckenwelle (linke Kammer 32) und strömend in das Innere der Nabe 6 der Kompressions-Schneckenwelle (rechte Kammer 31 )). Innerhalb der Rohre 18 strömt das komprimierte Arbeitsgas (mit hohem Druck) in die andere Richtung. Der Wärmeaustausch erfolgt über die große Oberfläche, die die Rohre 18 bilden. Der Einfachheit halber sind hier nur vier Rohre 18 abgebildet, bevorzugt wer- den aber wesentlich mehr davon verwendet.
Figur 4 zeigt eine räumliche Ansicht des thermoelektrischen oder thermomechanischen Wand- lers aus Figur 1 , in der sowohl eine der Zulaufleitungen 16 als auch eine der Ablaufleitungen 15 zu erkennen sind. Figur 5 stellt mit den Pfeilen den Weg des Arbeitsgases durch den thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler von Figur 1 dar. Von der rechten Kammer 31 , in der die Schne- ckenwelle 40 als Verdichter arbeitet, strömt das verdichtete Arbeitsgas durch die Öffnungen in der Außenwand 33 des Wärmetauschers 14 und dann durch die in seinem Inneren liegenden Rohre 18 hindurch. Durch die Öffnungen in der Außenwand 33 des Wärmetauschers, die sich in der linken Kammer 32 befinden, strömt das verdichtete Arbeitsgas in die zweite Kammer 32. Während dieses Prozesses strömt von der linken Kammer 32 aus unverdichtetes Arbeitsgas in entgegengesetzter Richtung innerhalb der Außenwand 33 des Wärmetauschers 14 und außer- halb der Rohre 18 vorbei. Über die Wände der Rohre 18 kann dabei ein Wärmeaustausch zwi- schen dem verdichteten und dem unverdichteten Gas stattfinden.
Figur 6a zeigt eine Schneckenwelle 41 mit Einfach-Helix, Fig. 6b zeigt eine Schneckenwelle 42 mit Doppelhelix. Die Schneckenwellen 41 , 42 umfassen jeweils Öffnungen 20 innerhalb der Stirnfläche 19, um die Strömung des Arbeitsgases durch das Innere der Naben 6 zu ermögli- chen.
Figur 7 zeigt die in Figur 1 beschriebene Ausführungsform, bei der eine zusätzliche Kompressi- onsstufe 35 und eine zusätzliche Expansionsstufe 36 vorgesehen sind. Dafür sind die zusätzli- chen, mit dem Gehäuse 9 fest verbundenen Trennscheiben 28 vorgesehen, die in der Mitte jeweils eine gasdurchlässige Öffnung 29 aufweisen. Die Trennscheiben 28 können weitere Öff nungen aufweisen, um einen Flüssigkeitsaustausch und damit einen Wärmeaustausch zwi- schen den jeweils angrenzenden Flüssigkeitsringen 17 zu ermöglichen. Die Trennscheiben 28 verhindern, dass ein Flüssigkeitsring aus dem Bereich mit höherem Druck in den Bereich mit niedrigerem Druck hinein verdrängt wird. Durch die zweite Kompressions- oder Expansionsstufe kann der Arbeitsdruck und damit die Leistung der Maschine gesteigert werden.
Alternativ können auch ganze thermoelektrische oder thermomechanischen Wandler bzw. Wandlermodule derart miteinander gekoppelt werden, dass sie ein Arbeitsgas, z.B. schrittweise, erwärmen, kühlen oder verflüssigen oder sich so Abwärme besonders effizient nutzen lässt (Kaskade von Wärmepumpen/Wärmekraftmaschinen).
Es ist nicht erforderlich, dass beide Schneckenwellen 40 in einem gemeinsamen, unterteilten Gehäuse rotieren, wie in Figur 1 dargestellt. Ebenso wären zwei getrennte Gehäuse denkbar, in einer Anordnung, in der die beiden Schneckenwellen 40 trotzdem noch mit einer gemeinsa- men Welle mechanisch gekoppelt sind oder mit getrennten Wellen gekoppelt sind. Ebenso ist möglich, dass der Wärmetauscher nicht auf der gemeinsamen Achse mit rotiert, sondern orts- fest ausgeführt wird. In diesem Fall muss das Arbeitsgas aus dem rotierenden Gebilde ausge- koppelt werden, indem z.B. eine feststehende Trennscheibe mit einer Öffnung für das Arbeits- gas verwendet wird, die senkrecht zur Rotationsachse angeordnet ist und rundum ständig in den Flüssigkeitsring eintaucht. Figur 8 zeigt eine zweite Au sfüh rungsform eines thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers, der ähnlich zu der ersten Ausführungsform aus Figur 1 aufgebaut ist. In der zweiten Au sfüh rungsform ist ein Wärmetauscherrohr 30 derart ausgeführt, dass es in die beiden Flüs- sigkeitsringe 17 der beiden Kammern 31 , 32 eintaucht. Die Eintauchtiefen sind in beiden Kam- mern 31 , 32 unterschiedlich. Durch diese unterschiedlichen Eintauchtiefen auf beiden Seiten kann die Menge des im Rohr 30 transportierten Kondensats beeinflusst werden. Dadurch kann das Wärmetauscherrohr 30 Kondensat von der einen Seite zur anderen befördern, das auf sei- nem Weg durch den Wärmetauscher 14 Wärmeenergie mit dem in entgegengesetzter Richtung strömenden Arbeitsgas austauschen kann. Alternativ kann das Wärmetauscherrohr 30 auch derart ausgeführt sein, dass es über eine größere Länge innerhalb des Wärmetauschers 14 verläuft, oder dass es an anderer Stelle in den Flüssigkeitsring 17 eintaucht.
Figur 9 zeigt eine dritte Ausführungsform des thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers zur Realisierung eines Stirling-Kreisprozesses. Statt der Schneckenwellen sind hier exzentrisch in Flüssigkeitsringen 17 rotierende Naben 26 vorgesehen, die Gasräume zwischen den Naben 26 und den Flüssigkeitsringen 17 mittels Sperrscheiben 21 nach außen hin abdich- ten. Die Naben 26 weisen entlang der Welle 5 einen gleichbleibenden Durchmesser auf. Zu- sätzlich enthalten die Naben 26 je (mindestens) einen Steg 27, der die Nabe 26 einmal vollstän- dig umschließt, aber nicht rein senkrecht zur Drehachse angeordnet ist, sondern an je zwei gegenüberliegenden Seiten einmal benachbart (z.B. sehr nahe) oder ganz an der einen Sperr- scheibe 21 und einmal an der anderen Sperrscheibe 21 angeordnet ist. Eine Nabe 26 zusam- men mit einem daran angeordneten Steg 27 kann als Volumenänderungselement angesehen werden. Durch eine solche Anordnung kann jeder Steg somit Bereiche aufweisen, die nicht in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse verläuft. Die Außenkanten jeden Stegs beschrei- ben eine geschlossene Kurve, die nicht in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse liegt. Durch die Rotation der Welle 5 werden die beiden vom Steg 27 unterteilten Gasvolumina ab- wechselnd vergrößert und verkleinert. Wenn die beiden Naben 26 mit ihren Stegen 27 nun um 90° oder um einen anderen Winkel gegeneinander verdreht sind, wirken sie wie die phasenver- schoben arbeitenden Kolben eines Stirling-Motors in a-Bauweise.
Die beiden Sperrscheiben 21 bilden zusammen mit den beiden Naben 26 und den beiden Flüs- sigkeitsringen 17 abgeschlossene Gasvolumina, die durch die Stege 27 nochmals unterteilt sind. Die Verbindungsrohre 22 schaffen eine Verbindung für das Arbeitsgas zwischen je einem dieser beiden durch die Stege 27 unterteilten Volumina aus der linken Kammer 38 und einem aus der rechten Kammer 37, wobei das Arbeitsgas beim Durchströmen der Verbindungsrohre 22 einen Regenerator 23 durchströmen muss, der zwischen den beiden Kammern 37, 38 ange- ordnet ist. Eine der Sperrscheiben 21 und ein Dichtzylinder 24 dichten die beiden Kammern 37, 38 gegeneinander ab, so dass kein Gasaustausch über die Öffnung 13 in der Trennwand 10 möglich ist. Der Dichtzylinder 24 kann z.B. direkt an der einen Sperrscheibe 21 anliegen und verhindert dadurch, dass ein unnötiger Wärmeaustausch zwischen den beiden Kammern 37, 38 stattfindet.
Figur 10a zeigt die erste Ausführungsform, die als Wärmepumpe betrieben werden kann, wobei der Motor 8 die Verdichter-Schneckenwelle antreibt, und dabei von der Expansions-Schnecken- welle unterstützt wird. Alternativ kann die Expansions-Schneckenwelle an eine Wärmequelle mit höherer Temperatur und die Verdichter-Schneckenwelle an eine Wärmesenke mit niedrige- rer Temperatur gekoppelt werden und der Motor 8 durch einen Generator ersetzt werden (bzw. als kombinierter Motor/Generator ausgeführt werden). So kann durch die Nutzung des Tempe- raturunterschieds elektrische Energie erzeugt werden, oder bei Wegfall des Generators auch mechanische Energie.
Figur 10b zeigt eine erste Variante, bei der je zwei in sich geschlossene Clausius-Rankine- Gaskreisprozesse (bestehend aus je einer Kompressions-Einheit, einer Expansions-Einheit so- wie einem rotierenden Wärmetauscher) miteinander und mit einem Motor/Generator mecha- nisch mittels gemeinsamer Welle 5 gekoppelt sind. In dieser Anordnung ist es möglich, dass einer der beiden Gas-Kreisprozesse aus Wärme/Kälte mechanische Energie in Form der Dre- hung der gemeinsamen Welle 5 erzeugt, und so den anderen Gas-Kreisprozess antreibt, um so Wärme/Kälte mit anderen Temperaturen zu erzeugen. So lässt sich z.B. aus Abwärme und einer Wärmesenke Nutzkälte und/oder Nutzwärme erzeugen. Dabei können Abmessungen, der Grad der Exzentrizität der Schneckenwellen im Flüssigkeitsring, Druck, Schneckensteigungen und/o- der die Durchmesseränderungen der Naben derart gewählt werden, dass die gewünschten Temperaturen erreicht werden. Insbesondere können sich diese Parameter bei den unter- schiedlichen Schneckenwellen/Volumenänderungselementen auch unterscheiden oder auch veränderbar/regelbar sein. Alternativ kann auch der Motor/Generator den Antrieb der Wellen übernehmen, so dass in beiden Gas-Kreisprozessen Wärme/Kälte erzeugt wird. Alternativ kön- nen auch beide Gas-Kreisprozesse mechanische Energie aus Wärme/Kälte erzeugen und so den Motor/Generator antreiben, der dann Strom erzeugt. Außerdem sind Mischformen von all diesen Varianten möglich.
Figuren 10c und 10d zeigen eine zweite und eine dritte Variante, bei denen der Gas-Kreispro- zess nicht vollständig geschlossen ist, sondern an einer Stelle mit der Umgebungsluft gekoppelt ist. Sie können dazu verwendet werden, Umgebungsluft zu erwärmen oder kühlen, oder um Umgebungsluft als Wärmequelle oder Senke zu nutzen. Auch diese beiden Varianten sind wie- der analog zu Fig. 10b unterschiedlich kombinierbar.
Als weitere Ausführungsbespiele kann vorgesehen sein:
Der Motor/Generator kann über die rotierende Außenwand des Gehäuses statt über die rotie- renden Schneckenwellen/Volumenänderungselemente angekoppelt werden. • Statt das Arbeitsgas nur zu verdichten und expandieren, kann es zumindest teilweise auch in den Kompressionskammern verflüssigt und in den Expansionskammern verdampft werden. Für diese Verfahrensvariante kann der Wärmetauscher so ausgeführt werden, dass mindestens in einem Teil der im Inneren des Wärmetauschers verlaufenden Rohre auch flüssiges Kondensat von der einen Kammer zur anderen fließen kann. Dazu müssen die Rohre zumindest teilweise außerhalb des Wärmetauschers derart verlängert werden, dass sie auf beiden Seiten, d.h. in der rechten und in der linken Kammer, in die jeweiligen Flüssigkeitsringe eintauchen. Dies ist beispielsweise in Figur 8 dargestellt: Neben den für den Gastransport ausgelegten Rohren 18 ist hier ein weiteres Rohr 30 derart ausgeführt, dass es eine kürzere Strecke innerhalb des Wärmetauschers 14 verläuft, aber an seinen Enden in die Flüssigkeitsringe eintaucht, und zwar mit unterschiedlichen Eintauchtiefen. Durch diese unterschiedlichen Eintauchtiefen auf beiden Seiten kann die Menge des im Rohr 30 transportierten Kondensats beeinflusst werden.
• Statt einer Expansionseinheit kann auch ein einfaches Drosselventil verwendet werden, so dass nur eine Schneckenwelle als weitgehend isothermer Kompressor eingesetzt wird.
· Die Kompressionseinheit kann durch einen Kondensator oder Verdampfer in Form eines an eine äußere Wärmesenke/-quelle gekoppelten Wärmetauschers und eine Pumpe ersetzt werden, sofern das Verfahren so durchgeführt wird, dass das Arbeitsmedium in der Expansionseinheit mit Schneckenwelle aus dem Flüssigkeitsring heraus verdampft/kondensiert wird.
• Die gesamte Vorrichtung kann von einem Druckbehälter umgeben sein, so dass sie bei einem Druck betrieben wird, der höher als der Umgebungsdruck ist.
• Alternativ zur Ausführungsform des Wärmetauschers aus Fig. 1 kann auch eine Ausführungsform des Wärmetauschers realisiert werden, bei dem das expandierte Arbeitsgas in mehreren Rohrlei- tungen strömt, die fest mit den Stirnseiten 19 der Schneckenwellen verbunden sind und die inner- halb eines äußeren Rohres verlaufen, das fest mit der Trennwand 10 verbunden ist und in dem das komprimierte Arbeitsgas in entgegengesetzter Richtung strömt. Dieses äußere Rohr hätte dann keine mechanische Verbindung zu den Schneckenwellen. Bei dieser Ausführungsform kann die Dichtscheibe 1 1 entfallen.

Claims

Patentansprüche
1. Thermoelektrischer oder thermomechanischer Wandler, der mindestens eine Vorrichtung zur Kompression oder Expansion oder Volumenänderung eines Arbeitsgases enthält mit einem ex- zentrisch in einem Flüssigkeitsring (17) um eine Rotationsachse (39) rotierenden Volumenän- derungselement (40, 41 , 42, 43),
dadurch gekennzeichnet, dass
das rotierende Volumenänderungselement (40, 41 , 42, 43) mindestens einen Steg (7) umfasst, der derart ausgebildet ist, dass der mindestens eine Steg (7) während der Rotation in den Flüs- sigkeitsring (17) eintaucht,
eine senkrechte Projektion des mindestens einen Stegs (7) auf eine Ebene senkrecht zu der Rotationsachse (39) die Rotationsachse (39) vollständig umschließt und
der mindestens eine Steg (7) weiter derart ausgebildet ist, dass er mindestens einen Volumen- bereich des Arbeitsgases in Richtung entlang der Rotationsachse (39) begrenzt und diese Be- grenzung bei der Rotation des Volumenänderungselements (40, 41 , 42, 43) um die Rotations- achse (39) in einer Schnittebene, in der die Rotationsachse (39) liegt, in Richtung entlang der Rotationsachse (39) verlagert wird
2. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach Anspruch 1 , wobei eine Au- ßenkante des mindestens einen Stegs (7) eine Kurve bildet, die eine Spiralform ist oder eine geschlossene Linie ist, die nicht in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse (39) liegt.
3. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler ausgebildet ist:
- zum Umwandeln von mechanischer oder elektrischer Energie in Wärme und /oder Kälte oder
- zur Erzeugung von mechanischer oder elektrischer Energie mittels der Nutzung von Wärme- quelle(n) und Wärmesenke(n) mit unterschiedlichen Temperaturen oder
- zur Umwandlung von Wärmemengen mit bestimmten Temperaturen in Wärmemengen mit bestimmten anderen Temperaturen, wobei zusätzlich mechanische/elektrische Energie erzeugt werden kann oder zum Antrieb verwendet werden kann.
4. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mindestens eine Steg (7) eine Spiral- oder Schneckenform aufweist und entspre- chend spiral- oder schneckenförmig um eine Nabe (6) des Volumenänderungselements (40, 41 , 42, 43) angeordnet sind, wobei vorzugsweise eine Steigung der Spiral- oder Schneckenform und/oder vorzugsweise ein Durchmesser der Nabe (6) sich entlang der Rotationsachse (39) verändern.
5. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens eine äußere Wärmequelle zum Zuführen und/oder mindestens eine äußere Wärmesenke zum Abführen von Wärmemengen thermisch an den Flüssigkeitsring (17) gekop- pelt ist, und zwar vorzugsweise durch eine entsprechende Zuleitung (16) und/oder Ableitung (15) von Flüssigkeit oder durch Rohre (30), die in den Flüssigkeitsring (17) eintauchen.
6. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zusätzlich ein Wärmetauscher (14) oder ein Regenerator (23) zum Austausch von Wär- memengen zwischen einem komprimierten und einem expandierten Arbeitsgas vorgesehen ist.
7. Der thermoelektrische oder thermomechanischere Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zusätzliche Wärmeübertragungselemente zwischen dem Flüssigkeitsring (17) und dem Arbeitsgas vorgesehen sind, vorzugsweise zusätzliche Stege (7) oder an der Nabe (6) befestigte Metallplatten, Metallscheiben, Metallnetze und/oder Stäbe.
8. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der ein oder mehrere drehbare Gehäuse (9) zur Aufnahme des Flüssigkeitsrings (17) umfasst.
9. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem mindestens eine verwendete Flüssigkeit Wasser, flüssiges CO2, ein Thermoöl oder ein anderes Öl, Ethanol oder ein anderer Alkohol ist oder ein Stoff mit einem Siedepunkt, bei einem Umgebungsdruck von 1 bar, zwischen - 200°C und 80°C ist, vorzugsweise zwischen -50°C und 80°C ist.
10. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach Anspruch 9, wobei das Ar- beitsgas ein gasförmiger Aggregatzustand einer der verwendeten Flüssigkeiten ist.
1 1 . Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Arbeitsgas Luft, Stickstoff, CO2, Helium, Ethanol-Dampf, Wasserstoff, Wasser- dampf ist oder ein Stoff mit einem Siedepunkt, bei einem Umgebungsdruck von 1 bar, zwischen - 200°C und 80°C ist, vorzugsweise zwischen -50°C und 80°C ist.
12. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei für eine Expansion des Arbeitsgases ein Drosselventil vorgesehen ist und/oder für eine Kompression des Arbeitsgases oder des flüssigen Kondensats des Arbeitsgases eine Pumpe vorgesehen ist.
13. Computergesteuertes oder elektronisch gesteuertes Verfahren zum Betreiben eines ther- moelektrischen oder thermomechanischen Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Das computergesteuerte oder elektronisch gesteuerte Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Volumenänderungselement (40, 41 , 42, 43) derart gesteuert wird, dass während einer Kom- pression des Arbeitsgases dieses teilweise bis ganz kondensiert und während einer anschlie- ßenden Expansion verdampft.
15. Computergesteuertes oder elektronisch gesteuertes Verfahren zum Betreiben von mindes- tens zwei thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlern nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die derart mechanisch oder elektrisch miteinander gekoppelt sind, dass der eine der thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler den anderen antreiben kann und so aus Wärmemengen mit ersten Temperaturen Wärmemengen mit zweiten Temperaturen erzeugt werden können, wobei die ersten und die zweiten Temperaturen verschieden voneinander sind.
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