DE102009050583A1

DE102009050583A1 - Einrichtung zur mechanischen oder elektrischen Energiegewinnung aus thermischer Energie

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Publication number: DE102009050583A1
Application number: DE102009050583A
Authority: DE
Inventors: Sven Dr. Ing. 58708 Langbein; Peter Prof. Dr. Ing. habil. 58708 Langbein; Ilija 65936 Karaula
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-10-24
Filing date: 2009-10-24
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2029-10-25
Also published as: DE102009050583B4

Abstract

Um eine Einrichtung zur mechanischen oder elektrischen Energiegewinnung aus thermischer Energie, insbesondere aus der Abwärme gasförmiger Medien, die in stationären oder mobilen Arbeitsmaschinen- oder Anlagen anfallen, zu schaffen, die ohne großen technischen Aufwand die in mobilen und stationären Arbeitsmaschinen und -anlagen anfallende und in den Abgasen gespeicherte Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt, die direkt genutzt wird oder durch nachgeschaltete Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie dient, wird vorgeschlagen, dass ein Gehäuse (3) einer Einrichtung (1) durch eine Trennwand (11) in zwei unterschiedliche Temperaturbereiche (12, 13) geteilt ist, wobei im Gehäuse (3) eine Welle (4) gelagert ist, an der ein Hebelarmsystem (5) befestigt ist, an dem mit Formgedächtniselementen (9) gekoppelte Bewegungselemente (2) angeordnet sind, die bei Änderung der Umgebungstemperatur in den Temperaturbereichen (12, 13) durch die Formgedächtniselemente (9) ihre Lage verändern und wobei durch die Lageänderung der Bewegungselemente (2) die Welle (4) durch eine Schwerpunktverlagerung in Drehung versetzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur mechanischen oder elektrischen Energiegewinnung aus thermischer Energie, insbesondere aus der Abwärme gasförmiger Medien, die in stationären oder mobilen Arbeitsmaschinen- oder Anlagen anfallen.
Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Energiebilanz von mobilen und stationären Arbeitsmaschinen und -anlagen besteht in der Nutzung der in den warmen Abgasen enthaltenen Wärmeenergie, da die nicht genutzte Wärmenergie wird an die Umgebung abgegeben wird. Durch die vorliegende erfindungsgemäße Einrichtung wird die Energieeffizienz von mobilen und stationären Arbeitsmaschinen und -anlagen wesentlich erhöht und damit gleichzeitig der CO₂-Ausstoß verringert. Weiterhin kann man durch die Umwandlung der Wärmeenergie der Abgase in mechanische oder elektrische Energie zusätzliche Energie zum Betrieb elektromechanischer Baugruppen gewinnen, bei Kraftfahrzeugen beispielweise für Klimaanlagen, Fahrerassistenzsysteme, Radio- und Navigationssysteme, Beleuchtungs-, Sicherheits- und Komfortsysteme usw. Der Bedarf an elektrischer Energie wird in Zukunft aufgrund der wachsenden Anforderungen an die Sicherheit und den Komfort noch zunehmen. Die Nutzung der Abwärme von mobilen und stationären Arbeitsmaschinen und -anlagen ist damit ein großes Feld zur Verbesserung der Energieeffizienz der gesamten Industrie.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Einrichtungen zur Nutzung der Abwärme von mobilen und stationären Arbeitsmaschinen und -anlagen bekannt. In der DE 10 2008 008 805 A1 werden ein Verfahren und die zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Einrichtungen zur Energierückgewinnung aus der Abluft von Trockengeräten beschrieben, wobei die Energierückgewinnung durch Abkühlung der anfallenden Abluft und Speicherung der zurückgewonnenen Energie in einem Flüssigkeitsspeicher erfolgt. In der DE 10 2006 018 686 A1 wird weiterhin eine Wärmekraftmaschine nach dem Stirlingmotorprinzip beschrieben, bei der auf den Kolben verzichtet wird und stattdessen mit Hilfe der Druckschwankungen ein Kreislauf erzeugt wird, dessen Wirkrichtung mit Hilfe von Ventilen gesteuert wird. Ebenfalls bekannt ist aus der DE 10 2007 026 474 A1 ein Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen zur Gewinnung elektrischer Energie aus Abgasen und Abwärme, bei dem unter Ausnutzung des Effektes der Ausdehnung von Gasen bei steigenden Temperaturen und des Zusammenziehens von Gasen bei fallenden Temperaturen sowie der Änderung der Drücke bei einer gemeinsamen Erhitzungs- und Abkühlungskammer, die durch einen umlaufenden Teilzylinder jeweils zur Erhitzung oder Abkühlung freigegeben werden, so dass ein angeschlossener Arbeitskolben oder eine Arbeitsturbine bewegt wird. Aus der DE 198 43 600 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei der die Wärmeenergie der Abgase eines Verbrennungsmotors durch die Wärme-Kraftkopplung mit einem in den Abgasstrom geschalteten Stirlingmotor, der die Lichtmaschine antreibt, in elektrische Energie umgewandelt wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Nutzung der Abwärme von mobilen und stationären Arbeitsmaschinen und -anlagen zu schaffen, die ohne großen technischen Aufwand die in mobilen und stationären Arbeitsmaschinen und -anlagen anfallende und in den Abgasen gespeicherte Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt, die direkt genutzt wird oder durch nachgeschaltete Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie dient. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Einrichtung so zu gestalten, dass sie nicht nur im mobilen Bereich des Verkehrs, in PKW, LKW, Bussen, Bahnen, Schiffen, Flugzeugen, sondern auch in stationären Anlagen, wie Kraftwerken, Haustechnik, stationären Klimaanlagen einsetzbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Einrichtung vor, bei der ein Gehäuse der Einrichtung durch eine Trennwand in zwei unterschiedliche Temperaturbereiche geteilt ist, wobei im Gehäuse eine Welle gelagert ist, an der ein Hebelarmsystem befestigt ist, an dem mit Formgedächtniselementen gekoppelte Bewegungselemente angeordnet sind, die bei Änderung der Umgebungstemperatur in den Temperaturbereichen durch die Formgedächtniselemente ihre Lage verändern, wobei durch die Lageänderung der Bewegungselemente die Welle durch eine Schwerpunktverlagerung in Drehung versetzbar ist. Die beiden Temperaturbereiche bestehen dabei aus einem warmen Bereich, durch den die warme Abluft von mobilen und stationären Arbeitsmaschinen und -anlagen geblasen wird, und einem kalten Bereich, durch den die kalte Luft der Umgebung geblasen wird.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Welle in dem Gehäuse drehbar gelagert ist, insbesondere in den beiden Stirnflächen des Gehäuses, wobei das Hebelarmsystem kreuzförmig ausgebildet ist, mit vorzugsweise vier Hebelarmen, und in der Trennwand zur Durchführung der Bewegungselemente vom warmen Bereich in den kalten Bereich Durchbrüche eingebracht sind.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, dass die Bewegungselemente als Gewichte ausgebildet sind, die durch Formgedächtniselemente quer zur Welle längsbewegbar sind, und so die Welle durch die Schwerpunktverlagerung der Gewichte in Drehung versetzt wird, wobei in den einzelnen Hebelarmen des Hebelarmsystems Längsführungen angeordnet sind, in denen die Gewichte radial zur Welle längsverschieblich bewegbar sind. Befinden sich die Bewegungselemente im warmen Bereich, so nehmen sie ihren ausgedehnten Zustand an. Damit vergrößert sich der Hebelarm der im warmen Bereich befindlichen Bewegungselemente und durch die Schwerkraft wird die Welle in Drehung versetzt. Die Formgedächtniselemente bewegen sich durch die in der Trennwand eingebrachten Durchbrüche in den kalten Bereich und nehmen dabei durch die Kraft von vorgesehenen Rückstellfedern ihren Ausgangszustand an und ziehen die Bewegungselemente nach innen. Damit verkleinert sich der Hebelarm der im kalten Bereich befindlichen Bewegungselemente. Durch diesen Vorgang dreht sich die Welle. Auch die umgekehrte Arbeitsweise der Formgedächtniselemente ist möglich. Hierbei zieht sich die Formgedächtniselemente im warmen Zustand zusammen und dehnen sich im kalten Zustand wieder aus. Die Bewegungselemente verhalten sich entsprechend.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, dass die Bewegungselemente als Gewichte ausgebildet sind, die an der drehbar gelagerten Welle derart angeordnet sind, dass sie durch Formgedächtniselemente ausklappbar sind, und die Welle durch die Schwerpunktverlagerung der Gewichte in Drehung versetzt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass die Bewegungselemente als Fluide ausgebildet sind, die an einer im Gehäuse drehbar gelagerten Welle angeordnet sind, derart, dass sie durch Formgedächtniselemente verdrängt werden, so dass die Welle durch die Schwerpunktverlagerung in Drehung versetzt wird. Die Verdrängung des Fluids erfolgt beispielweise durch Kolben oder ähnliche technische Elemente, die durch Formgedächtniselemente angetrieben werden. Die Veränderung des Schwerpunktes erzeugt die Drehbewegung.
Als Variante ist vorgesehen, dass die Bewegungselemente durch Formgedächtniselemente ihrer äußere Gestalt so verändert, dass die Welle durch die Schwerpunktverlagerung in Drehung versetzt wird. Beispielsweise kann hierbei ein rundes Bewegungselement in eine Exzenterform verformt werden.
Zur Erhöhung des Drehmomentes ist eine Kombination der einzelnen Ausführungsformen vorgesehen.
Besonders vorteilhaft ist, die Formgedächtniselemente als Federn auszubilden, um große Stellwege zu erzielen, wobei die Stellwege durch Hintereinanderschaltung mehrerer Formgedächtnisfedern weiter vergrößert werden können. Bei Einsatz von Formgedächtnisfedern mit Einwegeffekt müssen die Formgedächtnisfedern bei Temperaturwechsel mittels Stahlfedern in ihre Ausgangslage zurückgestellt werden. Dazu werden die Stahlfedern bei der Ausdehnung der Formgedächtnisfedern gespannt. Bei Einsatz von Formgedächtnisfedern mit dem Zweiwegeffekt sind diese Rückstellfedern nicht notwendig.
Vorteilhafterweise kann mit der Einrichtung ein Generator, beispielsweise eine Lichtmaschine angetrieben werden. Die erzeugte Drehbewegung kann, falls erforderlich, noch durch ein Getriebe übersetzt werden.
Alternativ ist vorgesehen, dass zur Erhöhung des Drehmomentes mehrere Hebelarmsysteme auf der Welle im Gehäuse angeordnet werden.
Die Erfindung wird folgend anhand eines schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung mit längsverschieblichen Gewichten in Seitenansicht;
2 die Einrichtung in Vorderansicht.
In den 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung 1 zur mechanischen oder elektrischen Energiegewinnung aus thermischer Energie, insbesondere aus der Abwärme gasförmiger Medien, die in stationären oder mobilen Arbeitsmaschinen oder -anlagen anfallen, mit längsverschieblichen Gewichten 2 dargestellt. Die Gewichte 2 sind an einer im Gehäuse 3 an den Stirnflächen 7 drehbar gelagerten Welle 4 mittels eines Hebelarmsystems 5 so angeordnet, dass sie sich radial zur Welle 4 bewegen können. Dazu sind an den Hebelarmen 6 des Hebelarmsystems 5 Längsführungen 8, insbesondere Zylindergleitführungen vorgesehen, in denen die Gewichte 2 längsverschieblich quer zur Welle 4 hin und her bewegt werden. Die Gewichte 2 sind mit Formgedächtniselementen 9 gekoppelt. Da die Formgedächtniselemente 9 in Abhängigkeit von der Erwärmung oder Abkühlung ihre Abmessungen ändern, werden die mit den Formgedächtniselementen 9 gekoppelten Gewichte 2 nach außen oder nach innen bewegt. Dabei werden gleichzeitig Rückstellfedern 10 aus Stahl gespannt, die bei Temperaturwechsel die Formgedächtniselementen 9 in die Ausgangsposition zurückstellen. Bei Formgedächtniselementen 9 mit einem Zweiwegeffekt sind keine Rückstellfedern notwendig. Um große Stellwege zu erzielen, wurden im vorliegenden Ausführungsbeispiel Formgedächtniselemente 9 in Form von Federn verwendet. Zur Erhöhung des Stellweges sind mehrere Formgedächtnisfedern 9 hintereinander schaltbar.
Im Gehäuse 3 sind durch eine Trennwand 11 zwei Bereiche vorgesehen, ein warmer Bereich 12, durch den beispielweise die warme Abluft einer mobilen oder stationären Arbeitsmaschinen oder -anlage geblasen wird, und ein kalter Bereich 13, durch den beispielweise die kalte Luft der Umgebung geblasen wird. Befinden sich die Formgedächtniselemente 9 im warmen Bereich 12, so nehmen sie ihren ausgedehnten Zustand an und die Gewichte 2 werden nach außen bewegt. Dadurch vergrößert sich der Hebelarm 6 der im warmen Bereich 12 befindlichen Gewichte 2 und durch die Schwerkraft wird die Welle 4 in Drehung versetzt. Die Formgedächtniselemente 9 bewegen sich dann durch in der Trennwand 11 vorgesehene Durchbrüche 14 in den kalten Bereich 13 und nehmen durch die Rückstellfedern 10 ihren Ausgangszustand an und ziehen die Gewichte 2 nach innen und es verkleinert sich der Hebelarm 6 der im kalten Bereich 13 befindlichen Gewichte 2. Auch die umgekehrte Arbeitsweise der Formgedächtniselemente 9 ist möglich. Hierbei ziehen sich die Formgedächtniselemente 9 im warmen Zustand zusammen und dehnen sich im kalten Zustand wieder aus. Die Bewegungselemente 2 verhalten sich entsprechend. Um das Einwirken der kalten und der warmen Luft auf die Formgedächtnisfedern 9 zu verstärken und damit das Schaltverhalten der Formgedächtnisfedern 9 zu erhöhen, sind in den Zylindergleitführungen 8 Schlitze 15 angeordnet.
Durch die Lageänderung der Gewichte 2 im Hebelarmsystem 5 dreht sich die Welle 4 und es kann ein Generator, beispielsweise eine Lichtmaschine angetrieben werden. Die so erzeugte Drehbewegung wird, falls erforderlich, noch durch ein Getriebe übersetzt.
Zur Erhöhung des Drehmomentes können entsprechend 2 mehrere Hebelarmsysteme 5 auf der Welle 4 im Gehäuse 3 angeordnet werden.
Eine weiteres nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Bewegungselemente als Gewichte ausgebildet sind, die an der drehbar gelagerten Welle 4 derart angeordnet sind, dass sie durch Formgedächtniselemente ausklappbar sind und die Welle durch die Schwerpunktverlagerung der Gewichte in Drehung versetzt wird.
In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Bewegungselemente als Fluide ausgebildet sind, die an der im Gehäuse drehbar gelagerten Welle 4 derart angeordnet sind, dass sie durch Formgedächtniselemente verdrängt werden und so die Welle durch die Schwerpunktverlagerung in Drehung versetzt wird. Die Verdrängung des Fluids erfolgt beispielweise durch Kolben oder ähnliche technische Elemente, die durch Formgedächtniselemente angetrieben werden.
In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Bewegungselemente durch Formgedächtniselemente in ihrer äußeren Gestalt so verändert, dass die Welle 4 durch die Schwerpunktverlagerung in Drehung versetzt wird. Beispielsweise kann hierbei ein rundes Bewegungselement in eine Exzenterform verformt werden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele, sondern ist in der Ausgestaltung der Formgedächtniselemente 9 und der zu bewegenden Elemente 2 variabel.
Bezugszeichenliste

1: Einrichtung zur Nutzung der Abwärme
2: Gewicht
3: Gehäuse
4: Welle
5: Hebelarmsystem
6: Hebelarm
7: Stirnfläche des Gehäuses
8: Längsführung
9: Formgedächtniselement
10: Rückstellfeder
11: Trennwand
12: warmer Bereich
13: kalter Bereich
14: Durchbruch
15: Schlitz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008008805 A1 [0003]
DE 102006018686 A1 [0003]
DE 102007026474 A1 [0003]
DE 19843600 A1 [0003]

Claims

Einrichtung zur mechanischen oder elektrischen Energiegewinnung aus thermischer Energie, insbesondere aus der Abwärme gasförmiger Medien, die in stationären oder mobilen Arbeitsmaschinen- oder Anlagen anfallen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (3) einer Einrichtung (1) durch eine Trennwand (11) in zwei unterschiedliche Temperaturbereiche (12, 13) geteilt ist, wobei im Gehäuse (3) eine Welle (4) gelagert ist, an der ein Hebelarmsystem (5) befestigt ist, an dem mit Formgedächtniselementen (9) gekoppelte Bewegungselemente (2) angeordnet sind, die bei Änderung der Umgebungstemperatur in den Temperaturbereichen (12, 13) durch die Formgedächtniselemente (9) ihre Lage verändern und wobei durch die Lageänderung der Bewegungselemente (2) die Welle (4) durch eine Schwerpunktverlagerung in Drehung versetzbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Temperaturbereiche (12, 13) aus einem warmen Bereich (12), durch den die warme Abluft von mobilen und stationären Arbeitsmaschinen und -anlagen geblasen wird, und einem kalten Bereich (13), durch den die kalte Luft der Umgebung geblasen wird, bestehen.
Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (4) in dem Gehäuse (3) insbesondere in den beiden Stirnflächen (7) des Gehäuses (3) drehbar gelagert ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebelarmsystem (5) kreuzförmig, vorzugsweise mit vier Hebelarmen (6) ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trennwand (11) zur Durchführung der Bewegungselemente (2) von dem warmen Bereich (12) in den kalten Bereich (13) Durchbrüche (14) vorgesehen sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungselemente als Gewichte (2) ausgebildet sind, die durch die Formgedächtniselemente (9) quer zur Welle (4) längsbewegbar sind, wobei die Welle (4) durch die Schwerpunktverlagerung der Gewichte (2) in Drehung versetzt wird und wobei in den einzelnen Hebelarmen (6) des Hebelarmsystems (5) Längsführungen (8) vorgesehen sind, in denen die Gewichte (2) radial zur Welle (4) längsverschieblich bewegbar sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungselemente als Gewichte ausgebildet sind, die an der drehbar gelagerten Welle (4) angeordnet sind und durch Formgedächtniselemente derart ausklappbar sind, dass die Welle (4) durch die Schwerpunktverlagerung der Gewichte in Drehung versetzbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungselemente als Fluide ausgebildet sind, die an der drehbar gelagerten Welle (4) angeordnet und durch Formgedächtniselemente so verdrängbar sind, dass die Welle (4) durch die Schwerpunktverlagerung in Drehung versetzbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungselemente, die an der drehbar gelagerten Welle (4) angeordnet sind, durch Formgedächtniselemente ihre äußeren Gestalt derart verändern, dass die Welle (4) durch die Schwerpunktverlagerung in Drehung versetzbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtniselemente (9) als Federn ausgebildet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Formgedächtnisfedern (9) hintereinander schaltbar vorgesehen sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungselemente (2) nach ihrer Lageänderung durch die Formgedächtnisfedern (9) mittels Stahlfedern (10) in ihre Ausgangslage zurückstellbar sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Getriebe die Drehbewegung der Welle (4) übersetzt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Einrichtung (1) ein Generator antreibbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Drehmomentes der Einrichtung (1) mehrere Hebelarmsysteme (5) auf der Welle (4) im Gehäuse (3) anordenbar sind.