DE2822289A1

DE2822289A1 - Verfahren und anordnung zur erhoehung des wirkungsgrades von mit primaerenergie betriebenen kraftmaschinen

Info

Publication number: DE2822289A1
Application number: DE19782822289
Authority: DE
Inventors: Juergen Lochbuehler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-05-22
Filing date: 1978-05-22
Publication date: 1979-11-29

Description

Verfahren und Anordnung zur Erhöhung
des Wirkungsgrades von mit Primärenergie betriebenen Kraftmaschinen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen zur Erhöhung des Wirkungsgrades von mit Primärenergie betriebenen Kraftmaschinen, welches bei einer Arbeitsmaschine durch Übertragung des von der Kraftmaschine erzeugten Drehmomentes auf die Arbeitsmaschine erfolgt.

Bekanntlich arbeiten Kraftmaschinen, beispielsweise Verbrennungsmotoren, Kraftverbrennungsanlagen usw. mit einem sehr geringen Wirkungsgrad, so daß der erheblich größere Anteil an Energie als Abwärmeverluste der direkten Energieerzeugung verlorengeht und damit die Energieerzeugung ganz erheblich verteuert.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch Nutzbarmachung der Abwärmeverluste als Niedertemperaturenergie Primärenergie einzusparen und damit sowohl den thermischen Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren und Wärmekraftmaschinen als auch die an die Arbeitsmaschinen abgegebene Leistung zu erhöhen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem die von der Kraftmaschine abgegebenen Leistungsverluste in zusätzliche Sekundärenergie umgewandelt werden, welche dem auf die Arbeitsmaschine übertragenen Drehmoment überlagert werden.

In Anwendung des Verfahrens bei einem mit Primärenergie betriebenen Verbrennungsmotor oder einer Kraftmaschine betreibt das

909848/0107

Drehmoment der Kraftmaschine ausschließlich oder zusätzlich eine Wärmepumpe (Kompressor), wobei der Wärmepumpe unter Entziehung der Wärmeenergie des Kühlwassers und/oder der Abwärme der Motorabgase diese durch ein gasförmiges Medium zugeführt wird, welches verdichtet und nachfolgend in einer Gasturbine in ein zusätzliches Drehmoment umgewandelt und der Arbeitsmaschine aufgegeben wird.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dahingehend ausgebildet, daß einer Kraftmaschine eine Arbeitsmaschine zugeordnet ist und von dem Antriebsstrang der Arbeitsmaschine eine Wärmepumpe angetrieben wird, der ein erhitztem, gasförmiges Medium von Wärmeaustauschern zugeführt wird, welche mit den Abgas- und/oder den Kühlwasserleitungen der Kraftmaschine verbunden sind.

In weiterer Ausbildung der Anordnung sind die Wärmeaustauscher für den Wärmeentzug aus dem Kühlwasser und aus den Abgasen zueinander parallel geschaltet. Dabei wird die Wärmeenergie beider Wärmeaustauscher einer Wärmepumpe zugeführt und das komprimierte gasförmige Medium einer Gasturbine zugeführt, welche getrieblich mit der Arbeitsmaschine verbunden ist. Alternativ sind die Wärmeaustauscher für den Wärmeentzug aus dem Kühlwasser und den Abgasen in Reihe mit der Wärmepumpe geschaltet. Weiter kann zwischen der Kraftmaschine und dem Wärmeaustauscher für den Wärmeentzug aus den Abgasen ein Turbolader eingeschaltet werden. Schließlich kann in der Arbeitsmediumrückleitung hinter der Rückkühleinrichtung ein Druckminderventil (Düse) angeordnet werden, wodurch die Temperatur des Arbeitsmediums weiter gesenkt wird oder eine Verflüssigung bei einem geeigneten Medium erfolgt.

In Anwendung des Verfahrens bei einer mit Primärenergie betriebenen Verbrennungskraftmaschine betreibt das Drehmoment der Kraftmaschine ausschließlich oder zusätzlich eine Wärmepumpe,

909848/0107

wobei von der Wärmepumpe unter Entziehung der Wärmeenergie aus den Schornsteinabgasen und dem Kühlwasser diese auf ein gasförmiges Medium übertragen wird, welches verdichtet und nachfolgend in einer Gasturbine in ein zusätzliches Drehmoment umgewandelt und als Antrieb der Arbeitsmaschine überlagert wird.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dahingehend ausgebildet, daß einer Verbrennungskraftmaschine eine Dampferzeugungsanlage nachgeordnet ist, welche eine Dampfturbine antreibt, die getrieblich mit einer Arbeitsmaschine verbunden ist. Dem Abwärmeabzug und/oder dem Kühlwasserkreislauf sind Wärmeaustauscher zugeordnet, welche mit einer Wärmepumpe verbunden sind, und das die entzogene Wärmeenergie führende, gasförmige Medium treibt über eine Gasturbine zusätzlich die Arbeitsmaschine.

In Anwendung des Verfahrens zum Entzug von zusätzlicher Energie aus Wasser oder Luft wird vorgeschlagen, die Temperatur des Mediums auf ein.weiteres Medium zu übertragen und dessen Temperatur unter Kompression zu erhöhen und direkt oder durch Austausch auf ein gasförmiges Medium zu überführen, welches die Arbeitsmaschine über eine Gasturbine oder dergl. betreibt.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß das Plußwasser oder gasförmige Medium über eine Pumpe einem Wärmeaustauscher und das die Temperatur führende Medium einer Wärmepumpe zugeführt wird und über eine Turbine eine Arbeitsmaschine betreibt. In Weiterbildung der Anordnung ist ein Sonnenkollektor mit Wärmespeicher zur Erwärmung des Arbeitsmediums vorgesehen. Das Arbeitsmedium wird einer Wärmepumpe zugeführt und über eine Turbine oder dergl. einer Arbeitsmaschine aufgegeben.

Beispielsweise wird die Wandung eines Wasserfahrzeugs als Wärmeaustauscher gegenüber dem diese umgebendem Medium ausge-

909848/0107

bildet und die Wärmeenergie des Wärmeaustauschers einer Wärmepumpe und weiter über eine Turbine oder dergl. einer Arbeitsmaschine zugeführt.

Der Wärmepumpe ist eine Windturbine als Antrieb zugeordnet, und das zugeführte erwärmte, gasförmige Medium durch Kompression zu verdichten und als heißes Gas einer Gasturbine zuzuführen, von welcher das Drehmoment an eine Arbeitsmaschine, beispielsweise einen Generator abgegeben wird.

Ausführungsbeispiele stellt die Zeichnung dar. Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine und Gewinnung von Sekundärenergie, die der Arbeitsmaschine gemeinsam mit der Primärenergie zugeführt wird.

Fig. 2 die Anordnung in der weiteren Ausgestaltung nach Fig.

Fig. 3 die Anordnung für die Gewinnung von Primärenergie aus Wasser oder Luft und ihrer Zuführung zu Arbeitsmaschinen.

In der Fig. 1 ist mit 1 eine Kraftmaschine, beispielsweise ein Verbrennungsmotor bezeichnet, die die Abtriebsenergie ausschließlich oder zusätzlich einer Wärmepumpe 2 (Kompressor) über eine Antriebswelle 3 zuführt. Die Wärmeenergie der Abgase der Kraftmaschine wird über eine Zuleitung ¹J einem Wärmeaustauscher 5 und die Wärmeenergie des Kühlwasserkreislaufs wird über eine Zuleitung 6 einem weiteren parallel zu dem Wärmeaustauscher 5 angeordneten Wärmeaustauscher 5a zugeführt. In

909848/0107

2822283

— Q —

den Wärmeaustauschern 5, 5a wird die Wärmeenergie den Abgasen bzw. dem Kühlwasser entzogen und einem gasförmigen Medium wie Kohlendioxyd, Helium, Ammoniak oder Freon zugeführt. Das gasförmige, die Wärmeenergie aufnehmende Medium wird über Leitungen 7, 8 der Wärmepumpe 2 zugeführt, wo dieses unter Verdichten eine Temperaturerhöhung erfährt und über eine Leitung 9 eine Gasturbine 10 betreibt, deren Drehmoment über eine Antriebswelle 10a einer Arbeitsmaschine 11, beispielsweise einem Elektrogenerator oder dem Getriebe eines Kraftfahrzeugs zugeführt wird, wo Primär- und Sekundärenergie gemeinsam zur Leistung einer Arbeit verwendet werden.

Der Vorteil einer derartigen Anordnung ist darin zu sehen, daß der Wirkungsgrad der Kraftmaschine 1 durch Ausnutzung der Primärenergie (direkt abgegene Leistung) und dem zusätzlichen Leistungsgewinn aus den in den Abgase und dem Kühlwasserkreislauf enthaltenen Wärmeenergien an der Gasturbine 10 wirksam werden und somit der Wirkungsgrad der Kraftmaschine 1 durch Ausnutzung der Wärmeverluste und deren Umsetzung in zusätzliche Leistung erheblich erhöht wird.

In der Fig. 2 ist eine alternative Anordnung zu der von Fig. 1 dargestellt. Eine Kraftmaschine 1, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine, betreibt ausschließlich oder zusätzlich über eine Antriebswelle 3 eine Wärmepumpe 2. Die Abgase können auch zuerst über eine Leitung 4 einen Turbolader 14 durchlaufen und dann einem Wärmeaustauscher 5b zugeleitet werden, der mit einem vorgeschalteten Wärmeaustauscher 5c in Reihe geschaltet ist. Die im Kühlwasserkreislauf enthaltene Wärmeenergie wird über eine Zuleitung 6 dem Wärmeaustauscher 5c zugeführt und, wie bereits vorbeschrieben, durch ein gasförmiges Medium aus Kohlendioxyd, Helium, Ammoniak oder Freon diesem entzogen. Dadurch erfolgt eine kaskadenförmige Aufheizung des über die Zuleitung 15a und 9a der Wärmepumpe 2 zugeführten gasförmigen

909848/0107

Mediums, welches in der Wärmepumpe 2 verdichtet wird und dabei eine weitere Temperaturerhöhung erfährt. Von der Wärmepumpe wird das gasförmige Medium über eine Leitung 9a einer Gasturbine 10 oder dergl. zugeführt, welche über eine Antriebswelle 10a das erzeugte Drehmoment auf eine Arbeitsmaschine 11 überträgt.

Um eine noch bessere Energieausnutzung zu erzielen, wird über eine Leitung 16 das die Gasturbine 10 betreibende Medium über einer Rückkühleinrichtung 17, eine Rückkühlleitung 18 und ein temperaturabhängiges Steuerventil 19 entweder dem Wärmeaustauscher 5c oder über eine Leitung 20 zu dem Kühlwasserkreislauf der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeleitet.

Die Anordnungen nach den Fig. 1 und 2 sind sinngemäß anwendbar für jegliche Verbrennungsmotoren bei Kraftfahrzeugen, Luft- und Wasserfahrzeugen als auch bei Kraftwerksanlagen und dienen der Steigerung des Wirkungsgrades der Kraftmaschinen. Die Anordnung nach den Fig. 1 und 2 kann auch derart ausgebildet sein, daß die Verbrennungskraftmaschine eine Dampferzeugungsanlage, beispielsweise eine Kesselanlage betreibt, welche Heißdampf erzeugt, der verdichtet eine Dampfturbine speist, welche getrieblich mit einer Arbeitsmaschine verbunden ist. Dabei sind dem Abwärmeabzug und/oder dem Kühlwasserkreislauf Wärmeaustauscher zugeordnet, welche den Abgasen und dem Kühlwasserkreislauf die Restwärme entziehen und über wärmeleitende, gasförmige Medien diese einer Wärmepumpe zuführen, wo diese verdichtet und einer Gasturbine zugeführt werden, welche zusätzlich zur Dampfturbine eine Drehmoment auf die Arbeitsmaschine überträgt.

In der Fig. 3 ist ein weiteres Verfahren und eine entsprechende Anordnung zur Gewinnung von zusätzlicher Energie aus dem Wasser oder der Luft zum Betrieb von Arbeitsmaschinen im Prinzip dargestellt.

909848/0107

über eine Zuleitung 30 wird Flußwasser oder erwärmte Luft über eine Pumpe 31 einem Wärmeaustauscher 33 zugeführt, in welchem die in dem zugeführten Medium enthaltene Wärmeenergie diesem entzogen und auf ein gasförmiges Medium, beispielsweise Freon, Helium, Kohlendioxyd oder Ammoniak übertragen wird. Das erhitzte gasförmige Medium wird über eine Leitung 34 einer Wärmepumpe 35 zugeführt. Die Wärmepumpe 35 wird beispielsweise von einer Windturbine 36 angetrieben. Das komprimierte gasförmige Medium wird über eine Leitung unter Zwischenschalten eines Wärmespeichers 38 auf eine Gasturbine 39 gegeben, welche über eine Antriebswelle 40 eine Arbeitsmaschine 41 treibt. Gegebenenfalls wird die erwärmte Luft bzw. das Wasser durch einen Sonnenkollektor 42 mit Wärmespeicher 42a vor Erreichen des Wärmeaustauschers 33 noch weiter vorgewärmt.

Das Verfahren nach Fig. 3 ist vorzugsweise bei Wasserfahrzeugen und für die Schiffahrt vorteilhaft verwendbar, kann jedoch auch in an Primärenerg'ie armen Entwicklungsländern als stationäre Anlage Anwendung finden.

909848/0107

Leerseite

Claims

Anmelder: J. Lochbühler Düsseldorf, den 5·5·1978

L 076978

Patentansprüche:

^) Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades von mit Primärenergie betriebenen Kraftmaschinen, welches bei einer Arbeitsmaschine durch übertragung des von der Kraftmaschine erzeugten Drehmomentes auf die Arbeitsmaschine erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Kraftmaschine abgegebenen Leistungsverluste in zusätzliche Sekundärenergie umgewandelt werden, welche dem auf die Arbeitsmaschine übertragenen Drehmoment überlagert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bei einem mit Primärenergie betriebenen Verbrennungsmotor oder Kraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment der Kraftmaschine ausschließlich oder zusätzlich eine Wärmepumpe (Kompressor) betreibt und der Wärmepumpe unter Entziehung der Wärmeenergie der Kühlwassertemperatur und/oder der Abwärme der Motorabgase diese durch ein gasförmiges Medium zugeführt wird, welches verdichtet und nachfolgend in einer Gasturbine (lo) in ein zusätzliches Drehmoment umgewandelt und der Arbeitsmaschine (11) aufgegeben wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß einer Kraftmaschine eine Arbeitsmaschine zugeordnet ist und von dem Antriebsstrang (3) der Kraftmaschine (1) eine Wärmepumpe (2) angetrieben wird, der ein erhitztes, gasförmiges Medium von Wärmeaustauschern (5> 5a; 5b, 5c) zugeführt wird, welche mit den Abgas- und/oder den Kühlwasserleitungen (4 bzw. 6) der Kraftmaschine (1) verbunden sind.

909848/0107

ORIGINAL IMSPECTED

Ί. Anordnung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher (5» 5a) für den Wärmeentzug aus dem Kühlwasser und aus den Abgasen zueinander parallel geschaltet sind und die Wärmeenergie beider Wärmeaustauscher über eine Wärmepumpe (2) als komprimiertes gasförmiges Medium einer Gasturbine •zugeführt wird, welche getrieblich mit der Arbeitsmaschine (11) verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher (5b, 5c) für den Wärmeentzug aus dem Kühlwasser und den Abgasen in Reihe mit der Wärmepumpe (2) geschaltet sind.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kraftmaschine (1) und dem Wärmeaustauscher (5b) für den Wärmeentzug aus den Abgasen ein Turbolader (1^) eingeschaltet ist.

7. Anordnung nach einer der Ansprüche h bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß von der Gasturbine (lo) in einer Arbeitsmediumrückleitung (18) hinter der Rückkühleinrichtung (17) ein Druckminderventil (Düse) (19) angeordnet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei einer mit Primärenergie betriebenen Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment der Kraftmaschine (1) ausschließlich oder zusätzlich eine Wärmepumpe betreibt und von der Wärmepumpe unter Entziehung der Wärmeenergie aus den Schornsteinabgasen und dem Kühlwasser durch ein gasförmiges Medium, welches verdichtet und nachfolgend in einer Gasturbine in ein zusätzliches Drehmoment umgewandelt und als Antrieb der Arbeitsmaschine (11) überlagert wird.

909848/0107

9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer Verbrennungskraftmaschine (1) eine Dampferzeugungsanlage nachgeordnet ist, welche eine Dampfturbine (2) antreibt, die getrieblich mit einer Arbeitsmaschine (11) verbunden ist und dem Abwärmeabzug und/oder dem Kühlwasserkreislauf Wärmeaustauscher zugeordnet sind, welche mit einer Wärmepumpe verbunden sind und das die entzogene Wärmeenergie führende, gasförmige Medium über eine Gasturbine zusätzlich die Arbeitsmaschine treibt.

10. Verfahren nach Anspruch 1 zum Entzug von zusätzlicher Energie aus Wasser oder Luft,

dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mediums auf ein weiteres Medium übertragen und dieses unter Kompression erhöht und direkt oder durch Austausch auf ein gasförmiges Medium überführt wird, welches die Arbeitsmaschine (41) treibt.

11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußwasser oder gasförmige Medium über eine Pumpe (31) einem Wärmeaustauscher (33) und das die Temperatur führende Medium einer Wärmepumpe (35) zugeführt wird und über eine Turbine (39) eine Arbeitsmaschine (41) treibt. '

12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sonnenkollektor (42) mit Wärmespeicher (42a) zur Erwärmung des Arbeitsmediums vorgesehen ist, das Arbeitsmedium einer Wärmepumpe (35) zugeführt wird und über eine Turbine (39) oder dergl. eine Arbeitsmaschine (41) treibt.

13. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung eines Wasserfahrzeugs als Wärmeaustauscher (33) gegenüber dem diesen umge-

909848/0107

benden Medium ausgebildet ist und die Wärmeenergie des Wärmeaustauschers (33) einer Wärmepumpe (35) und einer Turbine (39) oder dergl. zugeführt und mit dieser eine Arbeitsmaschine (²Il) getrieblich gekuppelt ist.

Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13»
dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmepumpe (35) eine
Windturbine (36) als Antrieb zugeordnet ist.

909848/0107