DE4219080A1 - Wärmekraftmaschine nach dem Verdrängungsprinzip mit getrennten Einrichtungen für Kompression und Expansion sowie Wärmetauschern zur Verringerung der Verluste - Google Patents

Description

Wärmekraftmaschinen nach dem Verdrängungsprinzip, wie z. B. Die­ selmotoren oder Wankelmotoren sind seit langem bekannt. Diese Motoren haben den Nachteil, daß eine verlustarme Kompression nicht möglich ist. Denn hierfür müßte der Kompressionsraum, der gleichzeitig als Expansionsraum dient, sehr stark gekühlt werden. Dies brächte jedoch für die Expansion große Nachteile. Auch ist eine Nutzung der Verlustwärme über Wärmetauscher nicht möglich und eine gesteuerte Ladung nur unter größten Umständen zu erreichen.

Bei der im folgenden beschriebenen Wärmekraftmaschine sind diese Nachteile wie folgt behoben:

Für die Kompression wird ein geeigneter Verdichter, z. B. ein Schraubenverdichter verwendet, der durch geeignete Vorrichtungen so stark gekühlt wird, daß eine annähernd isotherme Verdichtung erreicht wird. Dadurch reduziert sich einerseits der Energieauf­ wand für die Verdichtung wesentlich und andererseits ist in dem nachfolgenden Wärmetauscher ein ausreichendes Temperaturgefälle vorhanden. Die Übertragung der Energie aus den heißen Abgasen auf die komprimierte Luft ist somit möglich.

Für die Expansion wird eine getrennte Hubkolben- oder Drehkolben­ maschine verwendet. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß dieser Maschinenteil bei geeigneter Wahl des Materials nicht gekühlt werden muß und daß der Expansionsraum variabel gefüllt werden kann. Das variable Füllen erfolgt durch eine Steuerung der Ventile oder anderer Vorrichtungen in Abhängigkeit des Druckes und der Temperatur im bzw. vor dem Expansionsraum. Dadurch wird eine verlustarme, annähernd isentrope Expansion er­ reicht.

Der große Vorteil dieser Anordnung gegenüber herkömmlichen Wärmekraftmaschine liegt darin, daß jeder Hub- und Senktakt ein Arbeitstakt ist.

Durch den guten Wirkungsgrad, der sich durch oben beschriebene Punkte ergibt, ist diese Wärmekraftmaschine sehr gut zur Kraft-Wärme-Kälte­ kopplung mit Hilfe einer Wärmepumpe für kleine und mittlere An­ lagen geeignet, da verhältnismäßig wenig thermische Energie an­ fällt, die in den Sommermonaten ohnehin ungenutzt an die Umwelt abgegeben werden müßte.

Bei höherem thermischen Energiebedarf, z. B. für die Winterheizung von Gebäuden, kann diese Energie der Umwelt entzogen werden. Der Kältekreislauf der Wärmepumpe ist außerdem sehr gut zur Kühlung der Verdichteranlage geeignet. Hierdurch kann der Wir­ kungsgrad der Anlage zusätzlich verbessert werden.

In Ausführungsbeispiel 1 wird eine derartige Anlage beschrieben:

Die Verdichteranlage 1 (in diesem Beispiel handelt es sich um einen zweistufigen Schraubenverdichter mit Vor- und Zwischen­ kühlung) saugt Luft durch den Luftfilter 3 an und verdichtet diese bedingt durch die intensive Kühlung annähernd isotherm. Dadurch wird ein sehr guter Wirkungsgrad erreicht.

Die verdichtete Luft gelangt zunächst in den Druckausgleichsbe­ hälter 4, von dem mehrere Zylinder versorgt werden können, und von hieraus durch das Rückschlagventil 5 in den Wärmetauscher 6. In dem Wärmetauscher 6 steigt der Druck der Luft durch die Auf­ nahme der Restwärme aus den Abgasen der Expansionsmaschine 11. Das Rückschlagventil 5 verhindert eine Rückwirkung in den Druck­ ausgleichsbehälter 4. Durch ein weiteres Rückschlagventil 7 ge­ langt die vorgewärmte Luft in den Wärmetauscher 8 und wird durch das heiße Verbrennungsgas, das in der Brennkammer 9 unter Zu­ satz von flüssigem, gasförmigem oder staubförmigem Brennstoff erzeugt wird, auf ein hohes Temperaturniveau erhitzt.

Die nun unter hohem Druck stehende Luft wird durch das Einlaß­ ventil 10 in den Zylinder 11 der Expansionsmaschine geleitet. Das Einlaßventil 10 ist hier als ein elektromagnetisches Ventil dargestellt. Zur Kühlung der Magnetspule des elektromagnetischen Ventils kann ebenfalls der Kältekreislauf der Wärmepumpe heran­ gezogen werden. Es sind aber auch Ventile mit hydraulischem oder pneumatischen Antrieb, die durch elektromagnetische Ventile vor­ gesteuert werden, einsetzbar. Der Vorteil der pneumatischen Variante liegt darin, daß ohnehin schon Druckluft in der Anlage vorhanden ist.

Das Einlaßventil 10 wird elektronisch gesteuert. Die dafür er­ forderlichen Steuerdaten werden z. B. über

• - die geforderte Leistung
• - die Temperatur und den Druck vor der Expansionskraft­ maschine
• - die Temperatur und den Druck am unteren Totpunkt des Kolbens 12 ermittelt.

Dadurch wird die Füllung des Zylinders 11 der Expansionsmaschine nach optimalen Bedingungen gesteuert, so daß eine verlustarme, annähernd isentrope Expansion ermöglicht wird.

Am unteren Totpunkt des Kolbens 12 wird das Auslaßventil 13 ge­ öffnet. Der Unterdruck, der durch das Kühlen der, beim vorher­ gehenden Arbeitstakt in den Wärmetauscher 6 eingeströmte Luft entstanden ist, saugt den Kolben 12 nach oben.

Sobald der Unterdruck abgebaut ist, erzeugt der Kolben 12 in der Aufwärtsbewegung einen Überdruck und schiebt die im Wärme­ tauscher 6 abgekühlte Luft durch das Rückschlagventil 14, daß bei der Erzeugung des Unterdruckes in dem Wärmetauscher 6 mit­ wirkt, in den Druckausgleichsbehälter 15.

Aus diesem Druckausgleichsbehälter 15 wird ein Teil der Luft durch den Wärmetauscher 16 und die in Abhängigkeit vom Druck in diesem Druckausgleichsbehälter gesteuerte Drosselklappe 17 an die Außenluft abgegeben. Der andere Teil der Luft wird dem unter geringen Überdruck stehenden Druckausgleichsbehälter entnommen und über die, vom Leistungsbedarf abhängig geregelte Drosselklappe 18 der Brenn­ kammer 9 als Verbrennungsluft zugeführt. Auf dem Weg dorthin passiert die Luft den Wärmetauscher 19 und wird vorgewärmt.

Der Brennstoff 20, dessen Menge ebenfalls in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf gesteuert wird, passiert falls es sich um flüs­ sigen oder gasförmigen Brennstoff handelt, den zweiten Kreis des Wärmetauschers 19. Der Brennstoff wird hier vorgewärmt bevor er in die Brennkammer 9 gelangt und dort verbrennt.

Das heiße Rauchgas aus der Brennkammer 9 gibt beim Passieren des Wärmetauschers 8 den größten Teil seiner thermischen Energie an das Arbeitsgas ab. Danach gelangt es in den Katalysator 21, in den Wärmetauscher 19 und anschließend in den zweiten Kreis des Wärmetauschers 16 be­ vor es die Anlage verläßt.

Der Wärmetauscher 16 führt den Rest der wirtschaftlich verwert­ baren thermischen Energie der Wärmepumpe 2 zu. Diese entzieht jedoch den größten Teil der erforderlichen thermischen Energie anderen Quellen wie z. B. der Außenluft. Das bedeutet aber auch, daß die Anlage zum Kühlen bzw. zum Er­ wärmen von Gebäuden oder Anlagen verwendet werden kann.

Hinweis zur Verdichteranlage 1:

Die Verdichteranlage 1 besteht aus dem Vorkühler 22, dem Schraubenverdichter 23 der ersten Stufe, dem Zwischenkühler 24 und dem Schraubenverdichter 25 der zweiten Stufe. Die Rotationskörper der Schraubenverdichter werden zusätzlich zu der Kühlung, die sich durch das gekühlte Schmieröl ergibt durch Hohlwellen mit gekühltem Öl versorgt. Durch die große Oberfläche der Rotationskörper der Schraubenverdichter ist eine sehr gute Wärmeabfuhr möglich.

Zusätzlich zu der beschriebenen inneren Kühlung werden die Ge­ häuse der Schraubenverdichter durch den Kältekreislauf der Wärme­ pumpe gekühlt. Durch die Wärmepumpe werden auch der Vorkühler 22, der Zwischen­ kühler 24 und die Ölkühler für die Schraubenverdichter 23 und 25 gekühlt. Infolge der intensiven Kühlung der Verdichteranlage 1 wird eine annähernd isotherme Verdichtung erreicht.

Die Verdichteranlage 1 und die Wärmepumpe 2 können über stufen­ lose Getriebe direkt von der Wärmekraftmaschine oder Elektromotoren, die von einem von der Wärmekraftmaschine angetriebenen Generator gespeist werden, an­ getrieben werden.

Die zweite Möglichkeit würde sich anbieten, wenn die Wärmekraftmaschine zum An­ trieb eines Generators zur Versorgung mit elektrischer Energie eingesetzt wird, weil dann ein elektrischer Energiespeicher vor­ handen sein müßte; der gleichzeitig zum Anlassen der Anlage dienen könnte.

In Zylinder 11 erfolgt keine Verbrennung. Somit ist bei diesen Wärmekraftmaschinen mit nur geringen Verschleiß und einfacherer Wartung gegen­ über den herkömmlichen Wärmekraftmaschine zu rechnen.

Im Ausführungsbeispiel 2 ist eine Anlage zur ausschließlichen Gewinnung von mechanischer Energie dargestellt:

Der Verdichter 1 ist ebenfalls wie im Ausführungsbeispiel 1 mehrstufig mit Vor- und Zwischenkühlung aufgebaut.

Im Unterschied dazu erfolgt die Kühlung hier jedoch durch die Umgebungsluft oder durch Wasser. Dieser saugt durch den Luftfilter 2 Luft an und fördert die an­ nähernd isotherme und damit energiesparend verdichtete Luft in den Druckausgleichsbehälter 3, der zur Versorgung mehrerer Zylinder dienen kann.

Von hieraus gelangt die Luft über das Rückschlagventil 4 in den Wärmetauscher 5, wo ein Teil der im Abgas enthaltenen Energie der Verbrennungsluft zugeführt wird. Das Rückschlagventil 4 ver­ hindert, daß durch den Druckanstieg im Wärmetauscher 5 Luft zurück in den Druckausgleichsbehälter 3 strömt.

Durch das Einlaßventil 6 gelangt die Verbrennungsluft in den Zylinder 7 der Expansionsmaschine. Nachdem für die Verbrennung genügend Luft in den Zylinder 7 geströmt ist und der Kolben 8 durch die Druckluft getrieben sich in der Abwärtsbewegung be­ findet, schließt das Einlaßventil 6. Der gasförmige oder flüssige Brennstoff 9 wird durch das Einspritzventil 10 in den Zylinder 7 eingespritzt und gezündet. Falls Kraftstoff verwendet wird bei dem eine Selbstzündung nicht zu befürchten ist, können Kraftstoff und Luft gleichzeitig in den Zylinder geleitet werden.

Nachdem der Kolben 8 den unteren Totpunkt erreicht hat, öffnet das Auslaßventil 11 und der Kolben 8 wird durch den Unterdruck, der durch das Abkühlen der Verbrennungsgase des vorhergehenden Taktes in den Wärmetauschern 5 und 13 entstanden ist, nach oben gesaugt. Nachdem der Unterdruck abgebaut ist, schiebt der Kolben 8 das restliche Abgas durch den Katalysator 12 in den Wärmetauscher 5, wo ein Teil der thermischen Energie an die zugeführte Verbren­ nungsluft abgegeben wird. Durch den Wärmetauscher 13, der zum Vorwärmen des Brennstoffes 9 dient, und das Rückschlagventil 14, das mit den Wärmetauschern 5 und 13 zur Erzeugung des Unterdrucks dient, verläßt das Abgas die Anlage.

Die Ventile 6, 10 und 11 werden von einer elektronischen Steuerung in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck im Zylinder 7 im oberen und unteren Totpunkt und dem Leistungsbe­ darf so gesteuert, daß sich eine annähernd isentrope Expansion im Zylinder 7 und damit ein guter Wirkungsgrad ergibt.

Der Druck am unteren Totpunkt des Kolbens soll soweit abgebaut sein, daß der verbleibende Druck nur noch zum Durchströmen der nachgeschalteten Anlagenteile ausreicht. Das bedeutet aber auch, daß der Zylinder infolge der verhältnismäßig niedrigen mittleren Temperatur nicht gekühlt werden muß, falls geeignete Werkstoffe verwendet werden.

In dem Ausführungsbeispiel 2 sind die Ventile 6 und 11 als elektromagnetisch gesteuerte Ventile dargestellt. Es ist aber auch möglich Ventile mit hydraulischem oder pneumatischen An­ trieb zu verwenden, die durch elektromagnetische Ventile vorge­ steuert werden.

Claims (10)

1. Wärmekraftmaschine nach dem Verdrängungsprinzip dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die Kompression und Expansion getrennte besonders geeignete Maschinen verwendet werden, wobei ein Verdichter mehrere Zylinder bzw. anders geformte Expansions­ räume versorgen kann.

2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kom­ pression ein Schraubenverdichter verwendet wird, dessen Rotationskörper zusätzlich von innen durch Hohlwellen mit einer gekühlten Flüssigkeit gekühlt werden. Dadurch wird eine gute Kühlung der zu verdichtenden Luft erreicht, so daß eine annähernd isotherme Verdichtung ermöglicht wird.

3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nutzung der in dem Abgas enthaltenen Energie Wärmetauscher eingesetzt werden, die diese Energie der komprimierten Luft zwischen dem Verdichter und der Expansionsmaschine wieder zuführen.

4. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß hinter den Wärmetauschern in der Abgasleitung Rückschlagventile ein­ gesetzt sind, die in Verbindung mit dem Wärmetausch in den Wärmetauschern einen Unterdruck erzeugen, der auch zur Erzeug­ ung von mechanischer Energie genutzt wird.

5. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Wärmetauscher in der Leitung zwischen Verdichter und Expan­ sionsmaschine Rückschlagventile eingebaut sind, die für eine Druckerhöhung bedingt durch die Temperaturerhöhung im Wärme­ tauscher ohne Rückwirkung auf den Verdichter sorgen.

6. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladung der Expansionsmaschine in Abhängigkeit vom Druck und der Temperatur vor und nach der Expansion sowie der geforderten Leistung von einer elektronischen Regelung bzw. Steuerung so geregelt bzw. gesteuert wird, daß sich in der Expansions­ maschine eine annähernd isentrope Expansion einstellt.

7. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese Maschine bei der Verwendung zur Kraft-Wärmekopplung eine Wärmepumpe antreibt, die unter anderem dazu dient, die Ver­ dichteranlage intensiv zu kühlen und mittels Wärmetauschern die restliche Energie aus dem Abgas zu gewinnen.

8. Wärmekraftmaschine nach dem Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß insbesonders bei der Verwendung zur Kraft-Wärmekopplung die Verbrennung nicht im Expansionsraum, sondern außerhalb davon in einem Wärmetauscher erfolgt, wodurch die Möglichkeit be­ steht fest, flüssige oder gasförmige Brennstoffe zu verwenden und die Maschine leicht zu warten ist und eine lange Lebens­ dauer hat.

9. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Luft (Arbeitsgas) hinter der Expansionsmaschine entnommen wird und als Verbrennungsluft dient.

10. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ins­ besonders bei mobilen Wärmekraftmaschinen die Verbrennung nicht wie bei An­ spruch 8 in einem Wärmetauscher, sondern direkt im Expansions­ raum erfolgt.