[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasverdichter, bei dem die Energiezufuhr mittels
einer äußeren Verbrennung von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen erfolgt
und diese in eine adäquate Kompressionsarbeit verwandelt wird. Es soll möglichst effektiv
das gas- oder dampfförmige Arbeitsmedium in zwei Druckbehältern unterschiedlichen
Druckes separiert werden,und dieses Druckpotential soll zur Erzeugung mechanischer
Arbeit oder zum Betrieb einer Wärmepumpe bzw. einer Kältemaschine ausgenutzt werden.
Im Gegensatz zum bekannten Stirling-Motor besteht der Gasverdichter aus dem thermomechanischen
Konverter und einem separaten Expansionsmotor, in dem die durch den Konverter erzeugte
Druckdifferenz in mechanische Arbeit verwandelt wird. Hierbei wird Hochdruckgas, vorzugsweise
Helium oder Wasserstoff als Arbeitsmedium für den Druckkonverter und die an die Druckspeicher
angeschlossene Kraft- oder Kältemaschine verwendet. Dies bringt für den praktischen
Betrieb den Nachteil mit sich, daß bei hohen Arbeitsdrücken, die im Interesse eines
geringen Leistungsgewichtes anzustreben sind, eine zuverlässige Abdichtung des Arbeitsmediums
in Kraft- oder Kältemaschine unmöglich wird. Es sind ferner bislang keine gebräuchlichen
Expansionsmaschinen bekannt, die einen Trockengasbetrieb erlauben.
[0002] Die vorliegende Erfindung vermeidet beide Nachteile, indem zwischen thermomechanischem
Konverter und dem Expansionsmotor bzw. der Kältemaschine eine Trennvorrichtung geschaltet
wird, wodurch für die Druckerzeugung im Konverter und für die Expansionsvorrichtung
verschiedene und unterschiedliche Arbeitsmedien angewandt werden können. Vorzugsweise
werden im Konverter Heliumgas von hohem Druck und im Expansionskreis ein Gas-ölgemisch
verwendet, das eine ölgeschmierte und druckdichte Expansionsmaschine anzuwenden erlaubt.
[0003] Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des Gasverdichterss
Fig. 2 ein Diagramm des Druckverlaufs des Arbeitsgases;
Fig. 3 ein Diagramm des Volumendurchsatzes des thermomechanischen Konverters;
Fig. 4 eine Teilansicht einer geänderten Ausführungsform;
Fig. 5 eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsform.
[0004] Der Gasverdichter besteht aus dem Arbeitszylinder 1, in dem der schlecht wärmeleitende
Verdrängerkolben 2, der an der durch den Zylinderboden druckdicht geführten Kolbenstange
3 befestigt ist über eine Kreuzkopfführung sowie das Pleuel 4 von der Kurbelwelle
5 etwa sinusförmig zwischen oberen und unterem Totpunkt bewegt wird. Die zum Betrieb
erforderliche Wärmeleistung wird dem Arbeitszylinder 1 über den Rippenwärmetauscher
6 im Inneren der Brennkammer 7 zugeführt. Zylinderkopf und der untere Zylinderraum
8 sind über den thermischen Regenerator 9, den Kühler 10 und besagten Rippenwärmetauscher
6 verbunden, so daß auf dem Verdrängerkolben 2 lediglich der Druckunterschied lastet,
der durch die Störmungsverluste in den Wärmetauschern 6, 10 und im Regenerator 9 verursacht
wird. Die thermische Isolation der auf hoher Temperatur (400 bis 800°C) befindlichen
Teile ist in Fi
g.1 nur angedeutet; sie ist aber zu einem Teil für den bei der Umsetzung von Heiz- in
Druckenergie erzielten Wirkungsgrad verantwortlich.
[0005] Der untere Arbeitsraum 8 des Zylinders 1 ist mit dem Medienseparator verbunden, der
in Fig. 1 als geteilter flacher Druckbehälter dargestellt ist, der aus zwei Kugelkalotten
11a, 11b besteht, die gasdicht durch die elastische Membran 12 getrennt sind. Die
Kalotte 11b ist über die Rückschlagventile 13, 14 mit unterschiedlicher Durchströmrichtung
mit dem Druckbehälter 15 bzw. mit dem druckdichten Kurbelgehäuse 16 verbunden, in
dem der Elektromotor 17 für den Antrieb des Verdrängerkolbens angeordnet ist. Zwischen
dem Hochdruckbehälter 15 und dem als Niederdruckbehälter fungierenden Kurbelgehäuse
16 ist der Expansionsmotor 18 geschaltet, dessen Mengenstrom durch das Regelventil
19 einzustellen ist.
[0006] Da die im Arbeitszylinder 1 und angeschlossenem Teilvolumen 11a des Hedienseparators
enthaltene Gasmenge konstant ist, wird sich der darin einstellende Gasdruck periodisch
ändern, wenn der Verdrängerkolben 2 zwischen den Totpunktlagen hin- und hergeschoben
wird.
[0007] In Fig. 2 ist der Druckverlauf im Arbeitsgas dargestellt für den Fall, daß im Druckbehälter
15 ein höherer Druck herrscht als dem Maximalwert im Arbeitszylinder entspricht und
das Ventil 19 geschlossen ist. Die mit dem Kammervolumen 11b des Fluidseparators verbundenen
Komponenten 15, 16 und 18 sind mit einem Gas-ölgemisch gefüllt; als Druckgas sind
außer Helium oder Wasserstoff auch Stickstoff oder Kohlendioxid geeignet, da ihre
kine- .matische Zähigkeit merklich größer und der Adiabatenexponent kleiner als bei
Helium sind. Letzterer bewirkt eine geringere Temperaturabsenkung des Arbeitsmediums
während der Entspannung im Expansionsmotor 18.
[0008] Befindet sich der Verdrängerkolben 2 im unteren Totpunkt und damit die Hauptmenge
des Arbeitsgases im oberen Zylinderabschnitt, so erreicht der Gasdruck seinen Maximalwert
und wird das Kammervolumen 11b soweit zusammengepreßt, bis der Gasdruck im Zylinder
1 mit dem Druck p
h im Behälter 15 übereinstimmt, das Rückschlagventil 14 bleibt währenddessen geschlossen.
Bei der Aufwärtsbewegung des Verdrängerkolbens 2 nimmt der Gasdruck ab und wird nach
Erreichen des im Kurbelgehäuse 16 herrschende Druckes p
n das Ventil geöffnet und das Gas-ölgemisch in die Kammer 11b gesaugt; die Membran
12 liegt im Extremfall an der Innenwand von 11a an.
[0009] Bei geöffnetem Ventil 19 wird dem Expansionsmotor 18 das Gas-ölgemisch mit dem Druck
p
h zugeführt und verläßt diesen mit dem Druck p . Bezeichnet man den durchgesetzten
Volumenstrom mit V (m
3/s), so beträgt die im Expander erzeugte mechanische Leistung

wenn dieser das Druckgefälle Δp =
Ph - p
n verarbeitet.
[0010] Bei großem Volumendurchsatz wird sich das Druckgefälle im Konverter verringern, wie
aus dem gestrichelten Druckverlauf in Fig. 2 der über dem Kurbelwinkel φ aufgetragen
ist, hervorgeht. Beim Kurbelwinkel φ
h öffnet sich das Ventil 13 und wird während der Phase φ
h<φ<2 Π das Kammervolumen 11b des Fluidseparators in den Hochdruckbehälter 15 gepumpt.
Während der Aufwärtsbewegung des Verdrängers 2 sinkt der Gasdruck und erreicht beim
Phasenwinkel φ
n den im Kurbelgehäuse 16 herrschenden Druck p
n. Zwischen φ
n<φ<Π bleibt das Ventil 14 geöffnet und wird Gas-ölgemisch in die Kammer 11b gesaugt.
Mit zunehmendem Volumenstrom V , d.h. mit wachsender Drehzahl n des Expanders 18 nimmt
die Druckdifferenz (
Ph-
Pn) ab, da sich die Öffnungswinkel φ
n bzw. φ
h nach kleineren Kurbelwinkeln verlagern.
[0011] Aus dem angeführten Zusammenhang resultiert zwischen
4p und V: Für V=0, d.h. im Stillstand des Expansionsmotors, wirdap und damit das erzeugte
Drehmoment seinen Höchstwert erreichen. Nimmt die zu V proportionale Drehzahl zu,
so nimmt zwar Δp ab, doch erreicht das Produkt Δp.V=P (Leistung) einen Maximalwert,
der bei hohen Drehzahlen wieder abnimmt. In Fig. 3 sind über dem Volumendurchsatz
V des thermomechanischen Konverters bzw. über der Drehzahl des Expanders 18 Drehmoment
D und Leistung P aufgetragen. Die Leistungscharakteristik der Maschine, die aus Konverter
und Expansionsmotor besteht, entspricht der eines Hauptschluß-Elektromotors; bei der
Anwendung für den Antrieb eines Fahrzeuges erübrigen sich daher die Kupplungsvorrichtung
und ein Schaltgetriebe.
[0012] Im Primärkreis, d.h. im Arbeitszylinder 1 mit angeschlossenen Wärmetauschern 7, 9
und Regenerator 8 findet anstelle von Helium- oder Wasserstoffgas der überhitzte Dampf
einer kondensierbaren Substanz, z.B. Propylen, fluorierte Kohlenwasserstoffe,Anwendungp
Der Vorteil dieser im Bereich der Sattdampfzustände stark vom idealen Gasverhalten
abweichenden Stoffe besteht für den Primärkreis darin, daß für dasselbe Druckverhältnis
p
h/ p
n eine niedrigere Heiztemperatur T
2 für den Wärmetauscher 6(Fig. 1) angewandt werden kann und dadurch Wärmeleitungs-
und Abstrahlverluste des Zylinders 1 verringert werden.
[0013] Im Sekundärkreis des Fluidseparators, der neben den Druckpuffern den Expansionsmotor
oder eine Wärmemaschine enthält, kann ein beliebiges Arbeitsmedium benutzt werden.
Als solches bietet ein Gemisch aus Stickstoff oder Kohlendioxid und Mineralöl den
Vorteil, daß eine relativ hohe Arbeitsfrequenz in Wandler und Separator angewandt
werden kann und für den Sekundärkreis die unabdingbare Schmierung und Abdichtung des
Expansionsmotors gewährleistet wird. Gleichzeitig verringert sich mit einem mehratomigen
Arbeitsmedium im Sekundärkreis wegen des kleineren Adiabatenexponenten die beim Kompressionstakt
im Separator entstehende Temperaturerhöhung und die bei der arbeitsleistenden Entspannung
im motor auftretende Temperaturerniedrigung. Letztere kann dazu genutzt werden, um
mit Hilfe eines zusätzlichen Wärmetauschers die im Kühler 10 abzuführende Wärmeleistung
zu verringern.
[0014] Im Sekundärkreis wird anstelle des Kurbelgehäuses 16 ein zweiter Druckbehälter an
das Rückschlagventil 14 angeschlossen, in den das expandierte Arbeitsmedium aus dem
Expander 18 vom Druck p strömt. Da die gebräuchlichen Expansionsmotoren bei Umkehr
der Drehrichtung als Pumpe wirken, kann diese Eigenschaft zusammen mit besagten Druckspeichern
dazu benutzt werden, um bei einem von einem solchen Expansionsmotor angetriebenen
Fahrzeug die während des Bremsvorganges entstehende Bremsenergie zu speichern. Hierzu
werden erfindungsgemäß die zum Expander führenden Gasleitungen mit Hilfe eines besonderen
Umschaltventils vertauscht.
[0015] In einer weiteren konstruktiven Ausführung,die vereinfacht in Fig. 4 dargestellt
ist, befindet sich auch der Expansionsmotor 18 im Kurbelgehäuse 16. Seine Abtriebsachse
20 ist gasdicht aus diesem herausgeführt. Der Expansionsmotor 18 ist an den elektrischen
Motor-Generator 17 gekuppelt und treibt nach dem Anlassen nicht nur die Kurbelwelle
5 bzw. den Verdrängerkolben 2 an, sondern kann auch alternativ und regelbar elektrische
Energie erzeugen, die gespeichert werden kann.
[0016] Der Expansionsmotor 18 ist nicht an den Standort des thermomechanischen Konverters
gebunden, sondern kann mittels flexibler Hochdruckschläuche über die lösbaren Kupplungen
21, 22 an das Regelventil 19 bzw. an das Kurbelgehäuse 16 angeschlossen werden. Ferner
ist auch der Parallelbetrieb mehrerer gleichartiger Expander möglich, deren Drehzahl
sich selbsttätig entsprechend dem abgegebenen Drehmoment einstellt. Es ergeben sich
vielseitige Anwendungsmöglichkeiten auf den Gebieten des Fahrzeugantriebes, der fahrbaren
und stationären Hebezeuge, der Förderanlagen u.a..
[0017] Die Leistungsfähigkeit und Abmessungen dieser neuartigen Wärmekraftmaschine läßt
sich aus theoretischen überlegungen und praktischen Ergebnissen ableiten: Mit einem
Hubvolumen von 1 dm , einer Heiztemperatur T
2=500°C, einem Maximaldruck p
h=900 bar beträgt bei einer Drehzahl von 1500 1/min die theoretische mechanische Leistung
etwa 25 kW; praktisch wird dieser Wert durch den Wirkungsgrad des Konverters und des
Expansionsmotors nur zu etwa 65% erreicht.
[0018] Größere Leistungen werden als Mehrzylindermaschinen ausgeführt; die gegenseitige
Ausrichtung der Zylinder und die Phasenlage der Verdrängerkolben werden zweckmäßig
derart gewählt, daß a) sich die freien Massenkräfte kompensieren, b) die unteren Arbeitsräume
8 der Zylinder mit gleichphasig arbeitenden Verdrängerkolben mit der Gasseite 11a
eines gemeinsamen Fluidseparators verbunden, und c) die Hochtemperaturwärmetauscher
6 aller Arbeitszylinder in einer gemeinsamen Brennkammer angeordnet sind. Eine spezielle
Konstruktion des Fluidseparators, die den in Fig. 1 gezeigten im Vorteil dann ersetzt,
wenn die mittleren Arbeitsdrücke im Primär- und Sekundärkreis verschieden sein sollen,
ist in Fig. 5 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in dem druckfestem Gehäuse
23 mit den Rückschlagventilen 13, 14 der Differentialkolben 24, 25 zwischen den Endlagern
frei verschiebbar. . Das von der Rückseite des Kolbens 24 und dem Gehäuse 23 eingeschlossene
Volumen ist z.B. mit dem Fluid des Sekundärkreises gefüllt und wird mit dem Druckbehälter
26 verbunden, in dem der konstante, einstellbare Kompensationsdruck p
c herrscht. Die Extremdrücke p'
h und p'
n im Sekundärkreis werden im Vergleich zu denen im Primärkreis im Verhältnis der entsprechenden
Kolbenquerschnitte übersetzt. Durch Wahl des passenden Kompensationsdruckes p
c lassen sich die in Fig. 2 eingetragenen Drücke nach unten verschieben und kann der
Minimaldruck P
min etwa zu Null kompensiert werden.
[0019] Es lassen sich im Vergleich zur konventionellen Wärmekraftmaschine folgende Vorteile
herausstellen:
1) Die beschriebene Wärmekraftmaschine wird durch äußere Zufuhr von thermischer Energie
betrieben, wobei als Primärenergieträger flüssige, gasförmige und feste Brennstoffe
genutzt werden können. Die bei ihrer Verbrennung auftretenden relativ niedrigen Betriebstemperaturen
von maximal 800 C ergeben im Vergleich zum herkömmlichen Otto- oder Dieselmotor nur
etwa ein Zehntel der Schadstoffemission an Stickoxiden und Kohlenmonoxid.
2) Der in der beschriebenen Wärmekraftmaschine ablaufende Arbeitsprozeß spielt sich
in einem kleinen Druckverhältnis von etwa 1:2 ab, wobei die wenigen beweglichen Teile,wie
Verdrängerkolben,nur gegen geringe dynamische Druckdifferenzen abgedichter zu werden
brauchen, was sich in einer langen Lebensdauer und hoher Betriebssicherheit niederschlägt.
3) Während im Primärkreis vorzugsweise inertes Helium unter hohem Druck angewandt
wird, werden im angekoppelten Sekundärkreis für den Betrieb des oder der Expansionsmotoren
passende Gas-ölgemische als Arbeitsmedium benutzt, welche eine zusätzliche Dicht-und
Schmierfunktion erfüllen.
4) Bei der Anwendung auf den Fahrzeugantrieb läßt sich auf einfachste Art der Einzelradantrieb
realisieren, da die Expansionsmotoren über flexible Druckschläuche an die gemeinsamen
Druckbehälter angeschlossen werden. Durch Vertauschen von Zu- und Rückleitung der
einzelnen Motoren mit Hilfe herkömmlicher Umschaltventile kann die Bremsenergie als
Druckenergie in den Druckbehältern gespeichert werden.
1. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter, bei dem das gasförmige Arbeitsmedium
in einem Arbeitszylinder mit parallel geschaltetem thermischen Regenerator eingeschlossen
ist und abwechselnd durch Wäxmezufuhr im Heißteil des Arbeitszylinders auf hohe Temperatur,
in seinem Kaltteil mittels eines Kühlers auf tiefere Temperatur gebracht wird, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kaltteil (8) des Arbeitszylinders (1) mit einer Kammer (11a)
eines durch eine verschiebbare, jedoch gasdichte Wand (12) abgeteilten, zwei Kammern
enthaltenden Fluidseparators kommuniziert, während die zweite Kammer (11b) über zwei
Rückschlagventile (13, 14) mit unterschiedlicher Durchströmrichtung mit zwei Druckbehältern
(15, 16) verbunden ist, die mit einem gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmedium gefüllt
sind.
2. Gasverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidseparator aus
einem geteilten, druckfesten Gehäuse besteht, dessen Hälften (11a, 11b) innen die
Form von Kugelkalotten besitzen und durch eine Membran (12) aus metallischem oder
gummielastischem Werkstoff gasdicht getrennt sind.
3. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbehälter
(15, 16) auf unterschiedlichem Druck gehalten werden und mit einem oder mehreren parallel
arbeitenden Expansionsmotoren (18) verbunden sind, welche mechanische Arbeit leisten.
4. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium
im aus zweiter Kammer (11b) und den Druckbehältern (15, 16) bestehenden Sekundärkreis
ein Gas-ölgemisch verwendet wird.
5. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle
(5) für den Antrieb des Verdrängerkolbens (2), von einem elektrischen Motor-Generator
(17) angetrieben wird, der im druckdichten Kurbelgehäuse (16) angeordnet ist und seinerseits
mit einem Expansionsmotor (18) gekuppelt ist, der an die Druckbehälter (15, 16) angeschlossen
ist und dessen Abtriebswelle (20) druckdicht aus dem Kurbelgehäuse geführt wird.
6. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurbelgehäuse
(16) druckfest und -dicht ausgeführt ist und als einer der Druckbehälter dient.
7. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidseparator
aus einem Differentialkolben (24, 25) in einem druckfesten Gehäuse (23) besteht und
drei veränderliche, voneinander abhängige Volumina abschließt, die mit dem Kaltteil
(8) des Arbeitszylinders (1), mit den Druckbehältern (15, 16) über zwei Rückschlagventile
(13, 14) und mit einem weiteren Druckbehälter (26) verbunden sind, der das Arbeitsmedium
von Primär- oder Sekundärkreis bei einstellbarem Druck enthält.
8. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus
mehreren Arbeitszylindern (1) besteht, deren Achsenrichtung und gegenseitige Phasenlage
der Verdrängerkolben (2) derart gewählt sind, daß die freien Massenkräfte weitgehend
aufgehoben werden.
9. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltvolumina
(8) der Zylinder (1) mit gleichphasig arbeitenden Verdrängerkolben (2) mit der Gasseite
(11a) eines gemeinsamen Fluidseparators verbunden sind und zur Beheizung aller Zylinder
getrennte Hochtemperaturaustauscher in einer gemeinsamen Brennerkammer vorgesehen
sind.
10. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Primärkreis
des Verdichters als Arbeitsmedium der überhitzte Dampf einer kondensierbaren Substanz,
wie z.B. Propylen oder fluorierte Kohlenwasserstoffe, angewandt wird.