Wärme-Kraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Wärme-Kraftmaschine mit einer Flüssigkeit als Arbeitsmedium, wobei absichtlich vermieden wird, die Flüssigkeit in Dampf umzuwandeln, da der Erfindungsgedanke auf der bekannten Tatsache beeuht, dass Flüssigkeiten nur in sehr geringem Masse kompressibel sind.
Durch Schweizer Patent No. 489 700 kann die Theorie einer auf dieser Tatsache aufgebauten Wärme Kraftmaschine als bekannt vorausgesetzt werden. Bei jener Maschine würden Kolbenstangen auf eine Kurbelwelle wirken, wobei dank der Eigenart der Bewegung der Kolben, d. h. durch den Umstand, dass diese Bewegung in der Nähe des Totpunktes der Kurbel verlangsamt ist, der Arbeitsdruck durch die verstärkte Erwärmung des Arbeitsmediums gebildet und ebenso kurz vor dem nächsten Totpunkt durch verstärkte Abkühlung wieder abgebaut wird.
Gegenüber dieser hier nochmals knrz näher spezifizierten Ausgangsform einer Wärmekraftmaschine mit einer Flüssigkeit als Arbeitsmedium, die nicht verdampft wird, mit wenigstens einem Paar Arbeitszylinder und Kolbenplatten mit einseitig angesetzter Kolbenstange, einer Verbindungsleitung zwischen dem kolbenstangenfreien und dem die Kolbenstange enthaltenden Raum je desselben Zylinders, wobei zur gleichen Zeit auf beiden Seiten der Kolbenplatte ungefähr der gleiche Druck herrscht, die Schubbewegung daher durch die um den Querschnitt der Kolbenstange grössere Fläche auf der kolbenstangenfreien Seite der Kolbenplatte, d. h.
durch das Hinausdrücken der einseitig in den Zylinderraum ragenden Kolbenstange aus diesem sich damit vergrössernden Nettoraum geschieht und wobei der Druck durch entsprechende künstliche Erwärmung und damit Ausdehnung der Flüssigkeit auf ihrem Weg vom Raum mit dem kleineren zum kolbenstangenfreien Raum mit dem grösseren lichten Querschnitt laufend erzeugt und erhalten wird, während bei rückläufig bewegtem Kolben der Druck bis zu einem vorgesehenen Minimaldruck abgebaut wird, der durch laufende Kühlung der in den sich nun vergrössernden die Kolben stange enthaltenden Raum zurückfliessenden Flüssigkeit erhalten bleibt, kennzeichnet sich die vorliegende Erfindung durch zwei besondere Dntckre- servoire, wovon eines für Höchstdruck und eines für Mindestdruck, letzteres zur Vermeidung vom Dampf, d. h.
damit die Flüssigkeit auf einer Temperatur gehalten werden kann, die über ihrem Siedepunkt bei Umweltdruck liegt, welche Druckreservoire über mit Umschaltautomatik bewegte Hahnen so mit den Arbeitszylindern verbunden sind, dass die Kolben sinngemäss abwechselnd unter Höchstdruck arbeiten und unter Mindestdruck in die Anfangs-Arbeitsposition zurückge- fiihrt werden, wobei die Kapazität der Druckreservoire bei genügendem Volumen des kompressiblen Druckmediums nur geringe Schwankungen erfährt und dank der äusserst geringen Kompressibilität des flüssigen Mediums in den Arbeitszylindern ein allfälliger Verlust so klein ist, dass er mit einem Bruchteil der Leistung der Nilaschine leicht ersetzt werden kann, mit dem besonderen Vorteil,
dass.die Schubkraft auf dem ganzen Arbeitshubweg des Kolbens konstant ist
Falls man diese Schubenergie nicht direkt ausnützen will, kann man sie auf bekannte Weise über Druckölzylinder und in umgekehrtem Sinne, d. h. als Motor arbeitende Ölpumpen in drehende Bewegung umsetzen.
Um den elastischen Fremddruck aus den Druckreservoiren zu- und abschalten zu können, sieht die Erfindung umschaltbare Ventile (z. B. Vierweg-Kugelhah nen) vor, die bei jedem Wechsel der Bewegungsrichtung der Kolben automatisch betätigt werden. Um als Arbeitsmedium auch eine Flüssigkeit mit zwar verhältnismässig niederem Siedepunkt, dafür aber starker Wärmedehnung wählen und doch mit hohen Temperaturen arbeiten zu können, ist es zweckmässig, den Rückholhub nicht ganz ohne Druck zu absolvieren. Da die Maschine mit Fremddruck arbeitet, ist es möglich, einen sehr hohen Druck wirken zu lassen. Angenommen, dieser Arbeitsdruck sei 200 Atü, so ist es klar, dass durch einen Druck von 10 Atü im Rückholhub die Leistung des Arbeitshubes theoretisch nur um 5 o/o verringert wird.
Diese 10 Atü im Rückholhub bewirken aber, dass der Siedepunkt des Arbeitsmediums (unterhalb welchem man bei dieser Maschine auf alle Fälle bleiben muss) ganz wesentlich heraufgesetzt wird.
Wir können daher die untere Temperaturstufe erhöhen und damit das Problem der Kühlung vereinfachen, oder, da wir das Arbeitsmedium stärker erhitzen können, das Verhältnis der Volumendifferenz des Mediums zwischen heiss und kalt grösser ist, den arbeitswirksamen Kolbenstangen-Querschnitt und damit die Leistung erhöhen, oder, bei gleicher Leistung, die Zylinder und damit die ganze Maschine kleiner dimensionieren, oder endlich eine Kombination aller dieser Möglichkeiten treffen, wobei Versuche zeigen müssen, welche Variante das beste Resultat zeitigt. Damit der Minimaldruck (10 Atü, um beim Beispiel zu bleiben) auf alle Fälle gesichert ist, wird ausser dem Regler für den Maximaldruck ein zweiter Regler für den Minimaldruck erforderlich.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt dargestellt:
Zwischen den Arbeitszylindern A und B (Zwillingszylinder) ist der Wärmeaustauscher 1 (in vereinfachter Darstellung), dessen Rohrsystem für Maximaldruck (dick gezeichnete Wandungen) oben an den Erhitzer 2 angeschlossen ist, während das Rohrsystem für Minimaldruck (dünn gezeichnete Wandungen) unten in den Kühler 3 mündet. Die Kolbenstangen 4 endigen oben in den Kolbenplatten 5. Der wirksame Teil der Kolbenplatte für den Arbeitsdruck ist mit einer verstärkten Linie 6 angedeutet.
Er entspricht dem Querschnitt der Kolbenstange. 7 ist eine Isolationsschicht in der Kolbenplatte gegen Wärmeübertritt. 8 und 9 sind Umschaltventile, der einfacheren und anschaulicheren Darstellung wegen als Vierweg-Kugelhahnen gezeichnet. 10 ist ein weiteres solches Umschaltventil, das zwischen den beiden Druckreglern I und II (11 und 12) einerseits und den beiden Arbeitszylindern A und B anderseits eingefügt ist. Die Druckregler (I für Maximaldruck, II für Minimaldruck) enthalten je einen Kolben, der das flüssige Arbeitsmedium und das gasförmige Medium (Druckluft) trennt. 13-16 sind die Ein- und Ausström-Öffnungen in den Zwillingszylin dem für das Arbeitsmedium, 17 und 18 die Anschlüsse der Verbindungsleitungen zu den Druckreglern bzw.
zum rjmschaltventil 10. 19 ist schliesslich eine Kanüle in den Umschaltventilen 8 und 9, deren Zweck nachher erläutert wird.
In der Zeichnung ist angenommen, dass sich im Zylinder A gerade der Arbeitshub vollzieht, während im Zylinder B der Rückholhub im Gange ist. Die Pfeile zeigen die Durchströmrichtung des Arbeitsmediums und zwar gilt die Pfeilrichtung im Austauscher, Erhitzer und Kühler, sowie in den Verbindungsleitungen dieser Aggregate bis zu den Umschaltventilen fortwährend, d. h. auch wenn der Arbeitshub im andern Zylinder stattfindet. Dies ist sehr wichtig, weil eine Umkehr der Strömung in diesen Teilen des Zirkulationssystems aus verschiedenen Gründen nachteilig wäre. Eine Umkehr findet nur in den Verbindungsleitungen zwischen den Arbeitszylindern und den direkt angeschlossenen Umschaltventilen statt. Die hier gezeichneten Pfeile geben daher nur die momentane Strö mungsrichtung an.
Um die Arbeitsweise der Maschine zu verstehen, müssen wir (als Beispiel) gedanklich einen kleinen Höhenflug unternehmen. Und zwar schweben wir in einem Segelflugzeug in 200m Höhe. Der Pilot (falls wir den künstlichen Vogel nicht selbst steuern) möchte diese Höhe, welche gewissermassen sein Kapital darstellt, halten. Er steuert dahin, wo er Aufwind vermutet. Seine Annahme war richtig; er findet eine Luftströmung, die vertikal in die Höhe steigt und die so stark ist, dass er seine Höhe halten kann. Das genügt ihm gerade, denn diesmal will er gar nicht höher steigen (weiter oben ist dichter Nebel, da will er nicht hinein).
Das Segelflugzeug sinkt selbstverständlich wie jeder Körper, der schwerer als Luft ist. Aber da diese umgebende Luft ebenso schnell in die Höhe steigt, braucht der Flieger sein Kapital (die einmal gewonnene Höhe) nicht anzugreifen.
Bei der vorliegenden Erfindung bildet der Fremddruck, der über den Regler I (11) hereinkommt, das Kapital, mit dem die Maschine arbeitet. Er wird nicht bzw. nur in sehr geringem Masse verbraucht, so dass er mit einem kleinen Bruchteil der Leistung der Maschine leicht zu ersetzen ist. Die angedeuteten Leitungsanschlüsse auf der Luftseite der Regler führen nicht zu Luftdruck-Aufbereitungsanlagen, sondern nur zu genügend dimensionierten Reservoirs. Damit wird erreicht, dass Druckschwankungen in den Arbeitszylindern, die durch Ungleichmässigkeiten in der Netto Volumenänderung des Arbeitsmediums unvermeidlich wären, nicht bzw. nur in verschwindend kleinem Umfange entstehen können.
Der Arbeitszylinder A, im Arbeitshub begriffen, ist über die dünne Druckleitung (Anschluss bei 17) mit dem Drehventil 10 und da mit dem Regler I verbunden und steht daher unter Maximaldruck. Dieser wirkt auf beiden Seiten der Kolbenplatte, die Dichtung derselben gegenüber den Zylinderwänden kann daher einfacher Art sein (wenig Reibung), denn der für die Fortbewegung der Flüssigkeit notwendige Staudruck bewirkt nur einen geringen Druckunterschied. Die Kol benplatte im Zylinder A senkt sich und verdrängt das kalte Medium durch die Ausströmöffnung 15. Dieses fliesst durch das Ventil 9 in den Wärmeaustauscher, steigt hier in die Höhe, wobei es aus dem im Gegenstrom fliessenden Medium des Gegenzylinders Wärme aufnimmt und gelangt anschliessend in den Erhitzer, wo es bis zur möglichen oder erforderlichen Höchsttemperatur erhitzt wird.
Dann strömt es durch das Vierweg-Kugelventil 8 zurück in den Zylinder A. Durch die Erwärmung hat sich das Arbeitsmedium ausgedehnt und zwar, wenn die Maschine gemäss dem Erfindungsgedanken berechnet ist, genau in dem Masse, als der Netto-Gesamtzylinderraum durch den Austritt der Kolbenstange grösser geworden ist.
Auf der Gegenseite ist inzwischen der Kolben in die Höhe gestiegen und verdrängt seinerseits das heisse Arbeitsmedium, das durch die Ausflussöffnung 14 und das Vierweg-Kugelventil 8 in das Minimaldrucksystem des Austauschers strömt. Dort gibt es einen Teil der Wärme ab, fliesst unten aus dem Austauscher in den Kühler, dann durch das Vierweg-Kugelventil 9 und die Einströmöffnung 16 in den Zylinder B zurück.
In den beiden Zwillingszylindenn sind inzwischen die Kolbenplatten in der untersten (Zylinder A) bzw.
obersten (B) Stellung angelangt. Durch eine mechanische (nicht dargestellte) Vorrichtung wird das Vierweg Kugelventil 10 vorläufig um eine halbe Viertelsdrehung (45 ) geschaltet und damit die Verbindung beider Arbeitszylinder zu den Druckreglern unterbrochen.
Unmittelbar darauf schalten die beiden Ventile 8 und 9 und zwar stets in dem Sinne, dass die Kanüle 19 bei beiden Ventilen gemäss der Zeichnung über die Waagrechte hin bewegt werden. Diese Ventile müssen eine Sicherheitsvorrichtung besitzen, die eine falsche Schaltung und damit eine Überleitung des Maximaldrucks in die Rohrsysteme für Minimaldruck verunmöglicht. Bei der Drehung der Ventile 8 und 9 tritt - nach Absperrung der Rohrsysteme für Minimaldruck - durch die Kanüle 19 eine Verbindung zwischen den beiden Arbeitszylindern ein. Es erfolgt Druckausgleich, so dass durch diese einfache Anordnung die Hälfte des Arbeitsdruckes für den Arbeitshub des damit einsetzenden Arbeitszylinders zurückgewonnen wird. Die Kanüle muss fein genug sein, damit der Druckausgleich nicht explosionsartig erfolgt.
Nach der Weiterdrehung der Ventile 8 und 9 sind Austauscher, Erhitzer und Kühler in gewechselter Position zu den Arbeitszylindern geschaltet. Unmittelbar darauf schaltet Ventil 10 um eine zweite halbe Viertelsdrehung weiter, womit auch die beiden Druckregler in gewechselter Stellung zu den Arbeitszylindern stehen. Im Zylinder B wird der Druck durch Regler I vervollständigt, wobei eine geringe Menge Flüssigkeit durch das dünne Druckrohr bei 18 in den Zylinder B fliesst; in Zylinder A dagegen wird der Druck bis zum vorgesehenen Minimaldruck vollends abgebaut. Dabei fliesst ein wenig Medium bei 17 aus dem Zylinder A über Ventil 10 in den Druckregler II (12). Damit ist in beiden Zylindern die Aus gangsposition für die Wiederholung des Arbeits- und des Rückholhubes hergestellt.
Das Flüssigkeitsmanko im Druckregler I, das allmählich entstehen würde, wird durch eine kleine (nicht dargestellte) Speisepumpe aus dem entstehenden Überschuss aus Druckregler II ersetzt. Der pneumatische Druckvorrat (das Druckkapital) wird durch die Arbeit der Maschine nicht berührt.
Auf der Zeichnung sind die Druckregler auf der heissen Seite an die Arbeitszylinder angeschlossen, was sich aus Platzgründen besser darstellen liess. Günstiger ist es allerdings, wenn diese Aggregate auf der kalten Seite der Arbeitszylinder angeschlossen werden.
Heat engine
The invention relates to a heat engine with a liquid as the working medium, deliberately avoiding converting the liquid into vapor, since the concept of the invention is based on the known fact that liquids are only compressible to a very low degree.
By Swiss patent no. 489 700 the theory of a heat engine based on this fact can be assumed to be known. In that machine, piston rods would act on a crankshaft, and thanks to the nature of the movement of the pistons, i. H. due to the fact that this movement is slowed down near the dead center of the crank, the working pressure is formed by the increased heating of the working medium and is also reduced again shortly before the next dead center by increased cooling.
Compared to this initial form of a heat engine with a liquid as the working medium that is not evaporated, with at least one pair of working cylinders and piston plates with a piston rod attached on one side, a connecting line between the piston rod-free and the piston rod-containing space in each of the same cylinder At the same time, there is approximately the same pressure on both sides of the piston plate; H.
by pushing the piston rod protruding into the cylinder space on one side out of this increasing net space, and the pressure is continuously generated and maintained by appropriate artificial heating and thus expansion of the liquid on its way from the space with the smaller to the piston rod-free space with the larger clear cross-section is, while with the piston moving backwards the pressure is reduced to a specified minimum pressure, which is maintained by ongoing cooling of the liquid flowing back into the space containing the piston rod, which is now increasing, the present invention is characterized by two special Dntckre- servoire, of which one for maximum pressure and one for minimum pressure, the latter to avoid steam, d. H.
so that the liquid can be kept at a temperature that is above its boiling point at ambient pressure, which pressure reservoirs are connected to the working cylinders via taps that are moved with an automatic switch so that the pistons work alternately under maximum pressure and return to the initial working position under minimum pressure. The capacity of the pressure reservoirs experiences only slight fluctuations when there is sufficient volume of the compressible pressure medium and, thanks to the extremely low compressibility of the liquid medium in the working cylinders, any loss is so small that it can easily be replaced with a fraction of the power of the Nile machine , with the special advantage
that the thrust is constant over the entire working stroke of the piston
If you do not want to use this thrust energy directly, you can use it in a known manner via pressure oil cylinders and vice versa, i. H. Convert oil pumps working as a motor into rotating motion.
In order to be able to switch the elastic external pressure from the pressure reservoirs on and off, the invention provides switchable valves (z. B. four-way ball valves) that are automatically actuated each time the direction of movement of the piston changes. In order to be able to choose a liquid with a relatively low boiling point, but with high thermal expansion and still be able to work at high temperatures, it is advisable not to complete the return stroke entirely without pressure. Since the machine works with external pressure, it is possible to apply a very high pressure. Assuming that this working pressure is 200 Atü, it is clear that a pressure of 10 Atü in the return stroke theoretically only reduces the power of the working stroke by 5 o / o.
However, these 10 Atü in the return stroke have the effect that the boiling point of the working medium (below which one has to stay in this machine in any case) is raised quite significantly.
We can therefore increase the lower temperature level and thus simplify the problem of cooling, or, since we can heat the working medium more intensely, the ratio of the volume difference of the medium between hot and cold is greater, increase the working piston rod cross-section and thus the performance, or , with the same performance, dimension the cylinders and thus the entire machine smaller, or finally find a combination of all these possibilities, whereby tests must show which variant produces the best result. To ensure that the minimum pressure (10 Atü, to stay with the example) is guaranteed in all cases, a second regulator for the minimum pressure is required in addition to the regulator for the maximum pressure.
In the drawing, an embodiment of the invention is shown in section:
Between the working cylinders A and B (twin cylinders) is the heat exchanger 1 (in a simplified representation), whose pipe system for maximum pressure (thick walls) is connected to the heater 2 at the top, while the pipe system for minimum pressure (thin walls) in the cooler below 3 opens. The piston rods 4 end at the top in the piston plates 5. The effective part of the piston plate for the working pressure is indicated by a reinforced line 6.
It corresponds to the cross section of the piston rod. 7 is an insulation layer in the piston plate against heat transfer. 8 and 9 are switching valves, for the sake of simpler and clearer illustration, drawn as four-way ball valves. 10 is another such switching valve that is inserted between the two pressure regulators I and II (11 and 12) on the one hand and the two working cylinders A and B on the other. The pressure regulators (I for maximum pressure, II for minimum pressure) each contain a piston that separates the liquid working medium and the gaseous medium (compressed air). 13-16 are the inflow and outflow openings in the twin cylinder for the working medium, 17 and 18 are the connections of the connecting lines to the pressure regulators or
Finally, for the switching valve 10, 19 there is a cannula in the switching valves 8 and 9, the purpose of which will be explained below.
The drawing assumes that the working stroke is currently taking place in cylinder A, while the return stroke is in progress in cylinder B. The arrows show the direction of flow of the working medium and the direction of the arrows applies continuously in the exchanger, heater and cooler, as well as in the connecting lines of these units up to the switching valves, i.e. H. even if the working stroke takes place in the other cylinder. This is very important because reversing the flow in these parts of the circulation system would be detrimental for various reasons. A reversal only takes place in the connecting lines between the working cylinders and the directly connected changeover valves. The arrows drawn here therefore only indicate the current direction of flow.
In order to understand how the machine works, we must (as an example) take a little mental flight. We are floating in a glider at a height of 200m. The pilot (if we don't steer the artificial bird ourselves) would like to keep this altitude, which to some extent represents his capital. He steers where he suspects updraft. His assumption was correct; he finds a current of air that rises vertically and that is so strong that he can maintain his height. That is just enough for him, because this time he doesn't want to climb any higher (further up there is thick fog, he doesn't want to go in there).
The glider, of course, sinks like any body heavier than air. But since the surrounding air rises just as quickly, the aviator does not need to attack his capital (the altitude he has gained).
In the present invention, the external pressure that comes in via the regulator I (11) forms the capital with which the machine works. It is not consumed or only consumed to a very small extent, so that it can easily be replaced with a small fraction of the machine's output. The indicated line connections on the air side of the regulator do not lead to air pressure preparation systems, but only to sufficiently dimensioned reservoirs. This ensures that pressure fluctuations in the working cylinders, which would be unavoidable due to irregularities in the net change in volume of the working medium, cannot arise or can only arise to a negligible extent.
The working cylinder A, in the working stroke, is connected to the rotary valve 10 and there to the regulator I via the thin pressure line (connection at 17) and is therefore under maximum pressure. This acts on both sides of the piston plate, the seal against the cylinder walls can therefore be of a simple type (little friction), because the dynamic pressure necessary for the movement of the liquid only causes a small pressure difference. The piston plate in cylinder A lowers and displaces the cold medium through the outflow opening 15. This flows through the valve 9 into the heat exchanger, where it rises, absorbing heat from the countercurrent medium of the opposing cylinder and then entering the heater, where it is heated to the maximum possible or required temperature.
Then it flows through the four-way ball valve 8 back into the cylinder A. Due to the heating, the working medium has expanded and, if the machine is calculated according to the concept of the invention, exactly to the same extent as the net total cylinder space through the exit of the piston rod got bigger.
On the opposite side, the piston has risen in the meantime and in turn displaces the hot working medium that flows through the outflow opening 14 and the four-way ball valve 8 into the minimum pressure system of the exchanger. There, some of the heat is released, flows out of the exchanger at the bottom into the cooler, then through the four-way ball valve 9 and the inflow opening 16 back into the cylinder B.
In the two twin cylinders, the piston plates are now in the lowest (cylinder A) or
reached the top (B) position. By means of a mechanical device (not shown), the four-way ball valve 10 is temporarily switched by half a quarter turn (45), thus interrupting the connection between the two working cylinders and the pressure regulators.
Immediately thereafter, the two valves 8 and 9 switch, always in the sense that the cannula 19 in both valves are moved over the horizontal in accordance with the drawing. These valves must have a safety device that prevents incorrect switching and thus a transfer of the maximum pressure into the pipe systems for minimum pressure. When the valves 8 and 9 are turned - after the pipe systems have been shut off for minimum pressure - a connection between the two working cylinders occurs through the cannula 19. Pressure equalization takes place, so that this simple arrangement recovers half of the working pressure for the working stroke of the working cylinder that is used. The cannula must be fine enough so that the pressure does not equalize explosively.
After turning the valves 8 and 9 further, the exchanger, heater and cooler are switched to the working cylinders in an alternate position. Immediately thereafter, valve 10 switches on by a second half-quarter turn, whereby the two pressure regulators are also in an alternate position relative to the working cylinders. In cylinder B the pressure is completed by regulator I, with a small amount of liquid flowing through the thin pressure tube at 18 into cylinder B; in cylinder A, on the other hand, the pressure is completely reduced down to the intended minimum pressure. A little medium flows at 17 from cylinder A via valve 10 into pressure regulator II (12). So that the starting position for the repetition of the work and the return stroke is established in both cylinders.
The liquid shortage in the pressure regulator I, which would gradually arise, is replaced by a small feed pump (not shown) from the surplus from the pressure regulator II. The pneumatic pressure supply (the pressure capital) is not affected by the work of the machine.
In the drawing, the pressure regulators are connected to the working cylinder on the hot side, which could be better illustrated for reasons of space. However, it is more favorable if these units are connected to the cold side of the working cylinder.