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DE19909611C1 - Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor - Google Patents

Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor

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Abstract

Es ist ein derartiges Gasausdehnungselement bekannt, das aus einem mit einem Gas oder einem Gasgemisch gefüllten geschlossenen Druckbehälter besteht, der über einen verschiebbaren Kolben mit der Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie wirksam verbunden ist. DOLLAR A Zur Erhöhung des Wirkungsgrades wird vorgeschlagen, dass die Ausdehnung und Kontraktion desselben Mediums (Gases) in ein und derselben Kammer des Gausausdehnungselementes stattfindet und dass dazu der Druckbehälter eine obere Einspritzöffnung für Warm- und Kaltwasser und eine steuerbare untere Wasserablauföffnung hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, bestehend aus einem mit einem Gas oder einem Gasgemisch gefüllten geschlossenen Druckbehälter, der über einen verschiebbaren Kolben mit der Anordnung wirksam verbunden ist.
Gase wandeln relativ viel Wärme bei Erhitzung und Ausdehnung in Arbeit um, wobei in schnellen Prozessen, wie etwa dem Stirlingprozess große Einbußen durch Dissipation, ungünstige Kolbensteuerung, Wärme- und Pendelverluste, Totraumeffekte, großen Regeneratorwiderstand und hohe Geschwindigkeiten entstehen.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wird vorgeschlagen, dass die Ausdehnung und Kontraktion desselben Mediums (Gases) in ein und derselben Kammer des Gasausdehnungselements stattfindet und dazu der Druckbehälter eine obere Einspritzöffnung für Warm- und Kaltwasser und eine steuerbare untere Wasserablauföffnung hat.
Um die Luft bzw. andere Gase im Druckbehälter zu erwärmen, wird heißes Wasser direkt in den Druckbehälter gesprüht, wo es das auszudehnende Gas sofort weitestgehend durchdringt.
Vorteilhaft weist die Einspritzöffnung eine ins Innere des Druckbehälters gerichtete Sprüh- und Zerstäuberdüse auf.
Vorzugsweise besteht mindestens die Innenwand des Druckbehälters aus einem nicht Wärme aufnehmenden Werkstoff.
Vorzugsweise besteht die Innenwand des Druckbehälters aus einem wasserabweisenden Werkstoff.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der steuerbare Wasserablauf am unteren Ende eines den Behälter nach unten überragenden Sumpfes angeordnet. Vorzugsweise hat der Sumpf einen wesentlich kleineren Durchmesser als der Druckbehälter.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Druckbehälter trichterförmig in den Sumpf übergehend ausgebildet.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt. Ein im Wesentlichen zylinder- bis kugelförmiger Druckbehälter 1 hat an seiner Oberseite eine Einspritzöffnung 2, die eine in das Innere des Druckbehälters gerichtete Sprüh- und Zerstäuberdüse 3 aufweist. Über zugeordnete Ventile 4 kann in den Druckbehälter 1 abwechselnd Warmwasser oder Kaltwasser eingesprüht werden.
Der mit einem Gas oder einem Gasgemisch gefüllte Druckbehälter 1 ist in seiner Wandung mit einem verschiebbaren Kolben 5 verbunden, der die Verbindung zu der Anordnung zum Umwandeln der thermischen Energie, insbesondere dem Warmwassermotor, herstellt.
Der Druckbehälter 1 ist an seinem unteren Abschnitt 6 trichterförmig ausgebildet, der in einen den Druckbehälter 1 nach unten überragenden Sumpf 7 übergeht, der an seinem unteren Ende eine steuerbare untere Wasserablauföffnung 8 hat.
Um die Luft bzw. andere Gase des Druckbehälters 1 zu erwärmen, wird heißes Wasser direkt über das zugeordnete Ventil 4 und die Einspritzöffnung 2 über die Sprühdüse 3 in den Druckbehälter eingesprüht, wo es das auszudehnende Gas sofort weitgehend durchdringt. Der Druckbehälter 1 ist mindestens innen, ansonsten ganzwandig so isoliert, dass er keine Wärme im Material aufnimmt. Zudem ist die Innenwand wasserabweisend, um das eingebrachte Wasser nach dem Abkühlen schnell nach unten abzuleiten.
Die Luft erwärmt sich mit dem Einsprühen des warmen Wasser, dehnt sich aus und verrichtet über den verschiebbaren Kolben 5 Arbeit, die einem nicht weiter dargestellten Ölkreislauf der Anordnung zur Umwandlung der thermischen Energie zugeführt wird. Das Sprühen des warmen Wassers geschieht dabei so, dass die im Wasser mitgebrachte Wärme bzw. Kälte sich unmittelbar im Behälter ausbreiten kann. Dies gewährleistet eine hohe Taktfrequenz (ca. ein Kreisprozess in ein bis drei Sekunden).
Nach dem Druckanstieg und dem nach Kolbendisplazierung entsprechenden Druckabfall im Druckbehälter und nach entsprechender Abkühlung fällt das Wasser aus und setzt sich nach unten im Sumpf 7 ab. Dort lässt die steuerbare untere Wasserablauföffnung 8 nur soviel Wasser ab, dass ein Trockenwerden des Sumpfes 7 und damit ein Ausströmen von Gas/Luft vermieden wird. Der Sumpf 7 ist lang und schmal gehalten, damit kein Wärmeübergang in das Abwasser stattfinden kann.
Die Menge des zum Aufheizen benötigten Wassers ist sehr gering. So genügen um 100 Liter Luft von 0°C auf 100°C zu erwärmen 9,1 kJ in 22 g Wasser. Dabei wird eine Nutzarbeit von 3,6 kJ verfügbar (ca. 40% Wirkungsgrad bei Verwendung von Luft).
Für die Abkühlung und nachfolgende Kontraktion der Luft (Gases) im Druckbehälter 1 wird kaltes Wasser eingesprüht. Es entsteht Unterdruck, so dass der verschiebbare Kolben 5 wieder in die Ausgangsposition zurückgeht. Durch spezielle Gase bzw. Gasgemische kann der Wirkungsgrad gesteigert werden.

Claims (7)

1. Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, bestehend aus einem mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllten geschlossenen Druckbehälter, der über einen verschiebbaren Kolben mit der Anordnung wirksam verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (1) eine obere Einspritzöffnung (2) für Warm- und Kaltwasser und eine steuerbare untere Wasserablauföffnung (8) hat.
2. Gasausdehnungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzöffnung (2) eine ins Innere des Druckbehälters (1) gerichtete Sprüh- und Zerstäuberdüse (3) aufweist.
3. Gasausdehnungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Innenwand des Druckbehälters (1) aus einem nicht wärmeaufnehmenden Werkstoff besteht.
4. Gasausdehnungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand des Druckbehälters (1) aus einem wasserabweisenden Werkstoff besteht.
5. Gasausdehnungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare untere Wasserablauf (8) am unteren Ende eines den Druckbehälter (1) nach unten überragenden Sumpfes (7) angeordnet ist.
6. Gasausdehnungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sumpf (7) einen wesentlich kleineren Durchmesser als der Druckbehälter (1) hat.
7. Gasausdehnungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (1) trichterförmig in den Sumpf (7) übergehend ausgebildet ist.
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