DE10123078C1

DE10123078C1 - Heißgasmotor mit Schraubenrotor

Info

Publication number: DE10123078C1
Application number: DE2001123078
Authority: DE
Inventors: Ulrich Zuberbuehler; Ralf Konz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2021-05-12

Abstract

Zur Gewinnung mechanischer Arbeit aus heißen Gasen werden Wärmekraftmaschinen eingesetzt. Man unterscheidet Kolbenmaschinen, die bevorzugt bei hohen Drücken und Strömungsmaschinen, die für große Volumenströme eingesetzt werden. Dazwischen liegen zahlreiche Sonderbauformen, wie z. B. mit Wankel-, Drehkolben-, Flügelzellen- und Schraubenrotoren. Thermodynamische Kreisprozesse, wie z. B. der Joule-Prozess, dienen zur Gewinnung mechanischer Arbeit, wobei ein Arbeitsmittel verdichtet, erhitzt, expandiert und wieder abgekühlt wird. Die Verdichtung und die Expansion erfolgt bei Strömungsmaschinen in der Regel in zwei getrennten Maschinenteilen. DOLLAR A Beim Heißgasmotor mit Schraubenrotor erfolgt die Verdichtung und die Expansion des Arbeitsmittels (6) im selben Maschinenteil, dem Schraubenrotor mit Haupt- (1.1) und Nebenläufer (1.2). Zwischen den Zahnflanken der Rotoren und der Gehäusewand bilden sich mehrere gegeneinander abgegrenzte Volumenelemente, wovon einige bei stetiger Drehung der Rotoren komprimiert und andere expandiert werden. DOLLAR A Das Arbeitsmittel (6) des Heißgasmotors wird im geschlossenen Kreislauf geführt und im Wärmetauscher (7) erhitzt, wodurch nahezu jede beliebige Wärmequelle zur Erzeugung mechanischer Arbeit eingesetzt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, die es ermöglicht, aus einem heißen Gas me chanische Arbeit zu gewinnen.

Technisch realisierte Wärmekraftmaschinen basieren auf thermodynamischen Kreisprozessen, die sich sowohl im PV-, als auch im TS-Diagramm darstellen lasen. Die Funktionsweise von Wär mekraftmaschinen ist in der einschlägigen Literatur ausführlich beschrieben. Bei der Realisierung technischer Wärmekraftmaschinen dominieren zwei Bauarten: die Kolbenmaschinen und die Strömungsmaschinen. Kolbenmaschinen werden wegen des begrenzten Volumens bevorzugt bei hohen Drücken eingesetzt, z. B. als Stirlingmotor. Als Kolbenmaschinen ausgeführt, sind zahlrei che Bauformen bekannt, die alle ähnliche Probleme, wie z. B. begrenzte Bauvolumen, Dichtung bei hohen Drücken, stake mechanische Beanspruchung und Unwuchten aufweisen.

Im Bereich der Strömungsmaschinen, z. B. bei der Realisierung eines Joule-Prozesses, wird ein Arbeitmittel verdichtet, erhitzt, expandiert und wieder abgekühlt. Beim geschlossenen Gasturbi nenprozess, werden in der Regel zwei getrennte Strömungsmaschinen (Verdichter und Turbine) eingesetzt. Zwischen Verdichter und Turbine wird auf der Hochdruckseite in einem Wärmetau cher Wärme zugeführt. Auf der Niederdruckseite erfolgt mittels Kühler die Wärmeabfuhr. Der Nachteil von Strömungsmaschinen besteht im hohen technischen Aufwand bei der Herstellung und beim Betrieb dieser Anlagen, weshalb sich diese im Leistungsbereich kleiner 1 MW nicht durchgesetzt haben. Im größeren Leistungsbereichen ab ca. 10 MW haben die Strömungsmaschi nen gegenüber den Kolbenmaschinen deutliche Vorteile (z. B. Baugröße).

Um die Vorteile der Strömungsmaschinen gegenüber den Kolbenmaschinen auch im kleinen Leistungsbereich zu nutzen, stehen diverse Rotationsmaschinen, wie z. B. Flügelzellenrotor, Roots-Gebläse, Wankelmotor und Schraubenrotor zur Verfügung. Die Rotationsmaschinen kön nen sowohl als Verdichter als auch als Expansionsmaschine eingesetzt werden. Der Vorteil ge genüber den Kolbenmaschinen besteht im quasikontinuierlichen Fördervolumenstrom der damit erzielt werden kann. Das technische Problem bei fast allen Rotationsmaschinen besteht in der Abdichtung der volumenbegrenzenden Elemente.

In den Patentschriften EP 0803639 und US 6109040 sowie US 5605124 werden verschiedene Heißgasmaschinen beschrieben. In allen drei Patenschriften werden dazu Rotationsmaschinen wie Wankel- oder Schraubenrotoren eingesetzt, wobei die Verdichtung und Expansion in getrennten Maschinenteilen erfolgt. Beim Patent EP 0803639 wird eine Trennung von Verdichtungs- und Expansionsteil durch eine Anordnung von mindestens drei oder mehr ineinandergreifenden Roto ren realisiert. Abweichend davon, wurde in der Patentschrift DE 199 33 575 A1 eine Heißluftma schine beschrieben, die lediglich mit einem Flügelzellenrotor auskommt, der getrennte Volumen für Verdichtung und Expansion bereit stellt.

Der hier beschriebene Heißgasmotor besteht aus einem Schraubenrotor mit einen Hauptläufer (1.1) und einem Nebenläufer (1.2), wie sie in Fig. 1 und Fig. 2 skizziert sind und üblicherweise bei Schraubenverdichtern eingesetzt werden. Geeignet sind asymetrische Profile mit einer Profil zähnekombination von 5 + 7, einem Verwindungswinkel zwischen 280° bis 330° und einem Längen/Durchmesserverhältnis von 1 bis 2,5. Am Läuferpaar des Schraubenrotors besteht die Möglichkeit, durch geeignete Wahl der Steuerkanten (5) an den Ein- (3) und Auslassöffnungen (4), zwischen den Zahnflanken und dem Gehäuse (2), abgegrenzte Volumenbereiche zu erzeugen, in denen bei stetiger Drehung (im gleichen Läuferpaar) verdichtet und entspannt werden kann. Im Betrieb verlässt das verdichtete Arbeitsmittel den Schraubenrotor über den Auslass (4) und wird im Wärmetauscher erhitzt, wodurch eine Temperaturerhöhung erfolgt. Thermodynamisch gibt es zwei Grenzfälle, wie sich die Wärmezufuhr in diesem Fall auswirkt. Falls sich das Volu men nicht vergrößern kann, erfolgt die Wärmezufuhr isochor, was eine Drucksteigerung bewirkt. Im anderen Grenzfall, wenn eine Volumenänderung zugelassen wird, erfolgt die Wärmezufuhr isobar, was eine Volumenvergrößerung zur Folge hätte. Die reale Zustandsänderung am beschrie benen Heißgasmotor liegt zwischen diesen beiden Grenzfällen, da nach der Wärmezufuhr sofort die Expansion des Gases folgt und somit eine begrenzte Volumenvergrößerung zugelassen wird. Nach der Wärmezufuhr, die außerhalb der Schraubenmaschine in einem Wärmetauscher (7) erfolgt, wird das Arbeitsmittel wieder der Schraubenmaschine über die Einlassöffnung (3) zuge führt und dort entspannt, wobei das Arbeitsmittel seine Energie in Form von Arbeit abgibt. Nach der Expansion verbleibt das Arbeitsmittel kurze Zeit im nun beidseitig abgeschlossen Zahnlü ckenvolumen, wo es abkühlen kann, bis es bei weiterer Drehung des Rotors wieder verdichtet wird. Die Abkühlung des Arbeitsmittels erfolgt durch die kalten Wände des Rotorgehäuses (2). Die Kühlung des Rotorgehäuses (2) kann z. B. mittels Kühlrippen oder aber durch Kühlmittel durchströmte Kanäle im Rotorgehäuse (2) erfolgen. Eine Kühlung der Läuferwellen ist ebenfalls möglich.

Bei der Umsetzung des beschriebenen Konzeptes kommt der Lösung der Dichtungsprobleme zwischen den ineinandergreifenden Zahnflanken des Läuferpaares (1.1 & 1.2) und den Gehäuse wänden (2) entscheidende Bedeutung zu. Real müssen hier minimale Spalte vorhanden sein, die aber groß genug sind, um thermische Ausdehnungen, Fertigungstolleranzen und Verformungen zuzulassen. Bei den bekannten Schraubenverdichten wird das Dichtungsproblem z. B. durch die Eindüsung von Wasser oder Öl in den zu komprimierenden Luftstrom minimiert. Die eingedüste Flüssigkeit bildet an den kalten Wandflächen einen Film und erfüllt dabei mehrere Funktionen, wie z. B. Dichtung, Kühlung und Schmierung. Beim beschrieben Heißgasmotor, wo das Arbeit mittel im geschlossenen Kreislauf geführt wird, besteht ebenfalls die Möglichkeit, dem gasförmi gen Arbeitsmittel eine Flüssigkeit zugegeben, die an den gekühlten Gehäusewänden kondensiert und dort einen Film bildet. Bei der Kompression, spätestens aber im externen Wärmetauscher verdampft diese Flüssigkeit und ist dann gasförmig im Arbeitsmittel enthalten, bis sie erneut an den kalten Gehäusewänden kondensiert.

BEZUGSZEICHENLISTE

1.1

Schraubenrotor (Hauptläufer)

1.2

Schraubenrotor (Nebenläufer)

2

Gehäuse

3

Einlass (Expansionsseite)

4

Auslass (Kompressionsseite)

5

Steuerkanten (Position und Länge bestimmen die Druck- und Volumenverhältnisse)

6

Arbeitsmittel

7

Wärmetauscher

Claims

1. Heißgasmotor mit Schraubenrotor, dadurch gekennzeichnet, dass Verdichtung und Expansion des Arbeitmittels in nur einem Schraubenrotor mit einem Haupt- (1.1) und einem Nebenläufer (1.2) erfolgt, wobei die Steuerkanten (5) der Ein- und Auslassöffnung so gewählt sind, dass zwischen den ineinandergreifenden Läufern und dem Gehäuse (2) abgegrenzte Volumenelemente entstehen, die bei stetiger Drehrichtung, von der Einlassöffnung (3) aus gesehen, nacheinander expandieren, kurz abgeschlossen sind, danach verdichtet werden und dann die Auslassöffnung (4) erreichen, wo das Arbeitsmittel (6) den Schraubenrotor verlässt, in einem nachfolgenden Wärmetauscher (7) erhitzt wird und über die Einlassöffnung (3) wieder dem Schraubenrotor zugeführt wird, wo es erneut expandiert, an den gekühlten Gehäusewänden (2) abkühlt und wieder verdichtet wird.

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Arbeitsmittel eine Flüssigkeit zugefügt wird, die an den gekühlten Gehäusewänden des Schraubenrotors kondensiert, bei der Verdichtung oder spätestens im Wärmetauscher verdampft und somit gasförmig im Arbeitsmittel vorliegt, bis dieses wieder in das gekühlte Schraubenrotorgehäuse eintritt, wo erneut Kondensat anfällt.

3. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl- und Schmiermittel über Bohrungen oder Kanäle im Gehäuse gezielt zugeführt wird und mittels Kühlfalle an geeigneter Stelle wieder aus dem Arbeitsmittel entfernt wird.

4. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Arbeitsmittelkreislauf ein Ausgleichsbehälter vorhanden ist, der je nach Temperatur- und Druckzustand des Arbeitsmittels, überschüssiges Arbeitsmittel aufnehmen und bei Be darf wieder abgeben kann.

5. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) des Schraubenrotors außer der Ein- (3) und Auslassöffnung (4) noch über weitere Öffnungen verfügt, über die ein Arbeitsmittelaustausch stattfinden kann, was dann in Betracht kommt, wenn z. B. eine Zwischenerhitzung oder Zwischenkühlung des Arbeitsmittels erfolgen soll.