DE3939779A1

DE3939779A1 - Verfahren und einrichtung zur umwandlung von waermeenergie in mechanische energie

Info

Publication number: DE3939779A1
Application number: DE19893939779
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Haeberle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-12-01
Filing date: 1989-12-01
Publication date: 1991-06-06

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in nutz bare mechanische Energie.

Kraftmaschinen zur Umwandlung von Energie sind in un terschiedlichen Ausgestaltungen, besonders als Wasser kraft und Wärmekraftmaschinen, bekannt.

Die bisherigen Wärmekraftmaschinen bedürfen, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen, stets ein großes Wärmegefälle für das Arbeitsmedium, das oftmals nur mit aufwendigen Mitteln geschaffen werden kann.

Die Nutzung von Wärmeenergie relativ niederer Tempera tur ist bis heute über Ansätze nicht hinausgekommen, da zum Erreichen eines wirtschaftlichen Betriebes sehr große und damit teuere Anlagen benötigt werden.

Ein Verfahren zur Nutzung kleiner Temperaturunterschiede zur Energieumwandlung sowie eine Vorrichtung dazu wurde bereits durch die DT-OS 21 78 824 bekannt. Eine wirt schaftliche Anwendung dieses Verfahrens erscheint aber nicht realisierbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaf fen, um Wärmeenergie relativ niederer Temperatur in me chanische Energie umzuwandeln, wobei ein neuer Weg be schritten wird. Dabei soll vorallem ein wirtschaftlicher Einsatz, ohne zu großen Bauaufwand möglich sein.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß als Arbeitsmittel Flüssigkeiten, vorzugsweise niedersiedende Flüssigkeiten eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer beispiels weisen Ausführungsform unter Bezugnahme auf ihre sche matische Schnittansicht in der beiliegenden einzigen Figur näher erläutert.

Die Kraftmaschine zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei durch die Arbeitskolben (1; 2) eines kalten (3) und eines warmen doppeltwirkenden Zylinders (4) getrennte Flüssig keitsmassen von eben diesen Kolben (1; 2) abwechselnd gegenläufig vom kalten (3) in den warmen Zylinder (4) und umgekehrt befördert werden.

Im zwischen dem kalten (3) und dem warmen Zylinder (4) angeordneten Gegenstrom - Wärmetauscher (5) bleibt, von den beiden 4/2 Wegeventilen (1; 8) gesteuert, die Fließ richtung der Arbeitsflüssigkeiten immer gleich, dadurch werden Wärmeverluste vermieden.

Die beiden 4/2 Wegeventile (7; 8) werden über Steuer nocken/Steuerkurven (9; 10) immer im oberen und unteren Totpunkt der Kolben von der zugehörigen Kurbelwelle um gesteuert.

Im Erhitzer (11) wird der Arbeitsflüssigkeit theoretisch bei jedem Arbeitstakt die Wärmeenergie zugeführt, die beim vorhergehenden Arbeitstakt als mechanische Energie abgegeben wurde und die vom Gegenstrom - Wärmetauscher (5) nicht getauschte, im Kühler (12) bei niederer Temperatur abgeführte Wärmemenge.

Der kalte Kolben (1) läuft dem warmen Kolben (2) phasen verschoben voraus. Diese Phasenverschiebung kann durch Verdrehen des Kegelradgehäuses (15) mit dem Kegelrad (17) auf den Kurbelwellen - Enden (13; 14) auch während des Laufens erfolgen, damit kann der Vorlauf des kalten Kol bens (1) den Betriebsbedingungen angepaßt werden.

Durch den phasenverschobenen Vorlauf des kalten Kolbens (1) wird zwischen kaltem (1) und warmen Kolben (2) der Ar beitsdruck aufgebaut und der Druck auf der Rückseite der Kolben abgebaut.

Das Schwungrad (27) gibt der Maschine einen gleichför migen Lauf.

Die Füllvolumen des kalten (3) und des warmen Zylinders (4) sind auf gleiche Massen aber durch die Erwärmung des Ar beitsmittel auf verschiedene Volumen ausgelegt, bei glei chem Kolbenhub sind die Zylinderdurchmesser verschieden, die abgegebene mechanische Energie resultiert aus der unterschiedlichen Projektionsfläche der Kolben.

Um Maschinenschaden durch zu hohe Drücke auf der Hoch druckseite zu vermeiden, ist ein mit einem auf den maxi malen Betriebsdruck vorgefüllter Druckspeicher (28) vor gesehen, welcher den schädlichen Überdruck aufnimmt.

Eine weitere Absicherung gegen zu hohe Drücke ist eine druckabhängige Verstellung des phasenverschobenen Vor laufs des kalten Kolbens. Die Übertragung des Drehmoments der rechten Kurbelwellenseite auf die linke Kurbelwellen seite erzeugt auf das Kegelradgehäuse (15) ein Gegen drehmoment, welches entweder vom Verstellhebel (24) mit Rastung (25) aufgenommen wird oder die Verstellung der Phasenverschiebung erfolgt über einen druckabhängigen Stellzylinder (26), der bei zu hohem Druck selbsttätig reguliert.

Der Wirkungsgrad einer solchen Maschine hängt in hohem Maße vom Wirkungsgrad des Gegenstrom-Wärmetauschers (5) ab. Je höher der Wirkungsgrad, desto weniger Wärme muß über den Kühler (12) als Abwärme abgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mecha nische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß zwei durch die Kolben (1; 2) eines kalten (3) und eines warmen doppeltwirkenden Zylinders (4) getrennte Massen eines flüssigen Arbeitsmittels von eben diesen Arbeitskolben (1; 2) abwechselnd gegenläufig vom kalten (3) in den warmen Zylinder (4) und umgekehrt befördert werden. Da der kalte Kolben (1) dem warmen Kolben (2) phasenverschoben vorausläuft, wird zwischen dem kalten (1) und dem warmen Kolben (2) der Arbeitsdruck aufge baut und der Druck auf der Rückseite der Kolben abge baut. Die Füllvolumen des kalten (3) und des warmen Zylinders (4) sind auf gleichen Massen aber durch die Erwärmung des Arbeitsmittels auf verschiedene Volumen ausgelegt, deshalb sind bei gleichem Kolbenhub die Zylinderdurchmesser verschieden, die bei jedem Arbeits takt erzeugte mechanische Energie resultiert aus der unterschiedlichen Projektionsfläche der Kolben bei gleichem Druck.

2. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmittel Flüssigkeiten, vorzugsweise niedersiedende Flüssigkeiten verwendet werden.

3. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 7 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem kalten (3) und dem warmen Zy linder (4) ein Gegenstrom - Wärmetauscher (5) befindet, der dem vom warmen (4) in den kalten Zylinder (3) fließenden Arbeitsmittel Wärme entzieht und dem kal ten (3) in den warmen Zylinder (4) fließenden Arbeits mittel in Richtung des Pfeiles (6) zuführt.

4. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 7 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß, gesteuert durch zwei 4/2 Wegeventile (7; 8) das vom kalten (3) in den warmen Zylinder (4) und umge kehrt fließenden Arbeitsmittel zur Vermeidung von Wärmeverlusten im Gegenstrom - Wärmetauscher, immer auf der gleichen Seite des Wärmetauschers in die gleiche Richtung fließt.

5. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 7-4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden 4/2 Wegeventile (7, 8) zum Umsteuern der Arbeitsmittelströme jeweils im oberen und unteren Totpunkt der Arbeitskolben (1; 2) durch Steuernocken/ Steuerkurven (9; 10) von den zugehörigen Seiten der Kurbelwellen umgesteuert werden.

6. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß sich am Ausgang des Gegenstrom-Wärmetauschers zum warmen Zylinder (4) vor dem 4/2 Wegeventil (8) ein Wärmetauscher (11) zum Erhitzen des in den war men Zylinder (4) geförderten Arbeitsmittels befindet.

7. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich am Ausgang des Gegenstrom - Wärmetauschers (5) zum kalten Zylinder (3) vor dem 4/2 Wegeventil (7) ein Wärmetauscher (12) zum Abführen der anfallenden Abwärme befindet.

8. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hälften der Kurbelwelle (13; 14) in einem Kegelradgehäuse (15) durch Kegelräder (16; 17; 18) kraftschlüssig verbunden sind und daß durch Ver drehen des Kegelradgehäuses (15) mit dem darin gela gerten Kegelrad (17) in Richtung des Pfeiles (19) die beiden Kurbeln (20; 21) zum Erreichen einer pha senverschiebung der beiden, durch die Pleuel (22; 23) mit den Kurbeln (20; 21) verbundenen Kolben (1; 2), gegeneinander verstellt werden können.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kegelradgehäuse (15) zum Verstellen der pha senverschiebung über einen Hebel (24) verstellbar ist und daß dieser Hebel durch eine Rastung (25) oder eine andere Vorrichtung feststellbar ist.

10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kegelradgehäuse (15) zum Verstellen der pha senverschiebung von einem druckabhängigen Stellzy linder (26) verstellt wird.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen eines gleichförmigen Laufes der Maschine ein Schwungrad (27) vorgesehen ist.

12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auffangen von eventuellen Druckspitzen im Arbeitsmittel, zwischen dem Erhitzer (11) und dem 4/2 Wegeventil (8), ein Druckspeicher (28) ange ordnet ist, der mit dem maximal zulässigen Druck vorgefüllt ist und im Bedarfsfalle das überschüs sige Arbeitsmittelvolumen aufnimmt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der warme Bereich (29) gegen Wärmeverluste iso liert ist.