GAS COMPRESSOR DIRECTLY DRIVEN BY A HEAT SUPPLY

Abstract: A thermal engine is capable of producing mechanical power by absorbing high temperature heat and releasing low temperature heat. To this aim, a pressure cylinder (1) is divided by a displacement piston (2) into two working chambers (7, 8) which are connected together by a thermal collector (9), the cylinder and the collector being filled with high pressure gas or steam. One of the working chambers (8) is heated at a high temperature by the supply of heat, the other chamber having a low temperature due to a refrigeration effect. At least one of the working chambers (7) is connected by two non-return valves (12, 13), acting in opposite directions, with two pressure tanks (14, 15), and the two tanks under different pressures are connected by an expansion machine (16).

Description: Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter 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 werden1 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. 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-Olgemisch verwendet, das eine ölgeschmierte und druckdichte Expan sionsmaschine anzuwenden erlaubt. Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht des Gasver dichter; 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 Aus führungsform. 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 Tem peratur (400 bis 8000C) befindlichen Teile ist in Fig.1 nur angedeutet; sie ist aber zu einem Teil für den bei der Umsetzung von Heiz- in Druckenergie erzielten Wirkungsgrad verantwortlich. 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 Kurbelge häuse 16 ist der Expansionsmotor 18 geschaltet, dessen Mengenstrom durch das Regelventil 19 einzustellen ist. Da die im Arbeitszylinder 1 und angeschlossenem Teilvolumen 11a des tiedienseparators enthaltene Gasmenge konstant ist, wird sich der darin einstellende Gasdruck periodisch ändern, wenn der Verdrxngerkolben 2 zwischen den Totpunktlagen hin- und hergeschoben wird. 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 lib des Fluidseparators verbundenen Komponenten 15, 16 und 18 sind mit einem Gas-Olgemisch gefüllt; als Druckgas sind ausser Helium oder Wasserstoff auch Stickstoff oder Kohlendioxid geeignet, da ihre kinematische Zähigkeit merklich grösser und der Adiabatenexponent kleiner als bei Helium sind. Letzterer bewirkt eine geringere Temperaturabsenkung des Arbeitsmediums während der Entspannung im Expansionsmotor 18. 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 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 Pn das Ventil geöffnet und das Gas-Olgemisch in die Kammer 11b gesaugt; die Membran 12 liegt im Extremfall an der Innenwand von 11a an. Bei geöffnetem Ventil 19 wird dem Expansionsmotor 18 das Gas-Olgemisch mit dem Druck Ph zugeführt und verlässt diesen mit dem Druck Pn. Bezeichnet man den durchgesetzten Volumenstrom mit V (m /s), so beträgt die im Expander erzeugte mechanische Leistung P (Ph Pn) = wenn dieser das Druckgefälle LSp = Ph p po verarbeitet. Bei grossem Volumendurchsatz wird sich das Druckgefälle im Konverter verringern, wie aus dem gestrichelten Druckverlauf in Fig. 2 der über dem Kurbelwinkel ° aufgetragen ist, hervorgeht. Beim Kurbelwinkel h öffnet sich das Ventil 13 und wird während der Phase Qh < # (2 TT das Kammervolumen 11b des Fluidseparators in den Hochdruckbehälter 15 gepumpt. Während der Aufwärtsbewegung des Verdrängers 2 sinktder Gasdruck und erreicht beim Phasenwinkel b den im Kurbelgehäuse 16 herrschenden n Druck Pn. Zwischen #n < #(TI bleibt das Ventil 14 geöffnet und wird Gas-Olgemisch in die Kammer lib gesaugt. Mit zunehmendem Volumenstrom V , d.h. mit wachsender Drehzahl n des Expanders 18 nimmt die Druckdifferenz (Ph-p ) ab, da sich die Offnungswinkel fn bzw. Xh nach kleineren Kurbelwinkeln verlagern. Aus dem angeführten Zusammenhang resultiert zwischen p und V: Für V=0, d.h. im Stillstand des Expansionsmotors, wirdop und damit das erzeugte Drehmoment seinen Höchstwert erreichen. Nimmt die zu b proportionale Dreh zahl zu, so nimmt zwaro p ab, doch erreicht das Produkt op.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. 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 Kohlenwasserstoffe1 Anwendung, Der Vorteil dieser im Bereich der Sattdampf zustände stark vom idealen Gasverhalten abweichenden Stoffe besteht für den Primärkreis darin, dass für dasselbe Druckverhältnis eine niedrigere Heiztemperatur T2 für den Wärmetauscher 6(Fig. 1) angewandt werden kann und dadurch Wärmeleitungs- und Abstrahlverluste des Zylinders 1 verringert werden. 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. 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 Pn 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. 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. Der Expansionsmotor 18 ist nicht an den Standort des thermomechanischen Konverters gebunden, sondern kann mittels flexiblex 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.. Die Leistungsfähigkeit und Abmessungen dieser neuartigen Wärmekraftmaschine lässt sich aus theoretischen Uberlegun- gen und praktischen Ergebnissen ableiten: Mit einem Hubvolumen von 1 dm, einer Heiztemperatur T2=5000C, einem Maximaldruck ph=100 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. 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 r Primär- und Sekundärkreis verschieden sein sollen, ist in Fig. 5 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in dem druckfestem Ge hause' 23 mit den Rückschlagventilen T3,i4 der Differentialkolben 24, 25 zwischen den endlagen 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 Pc herrscht. Die Extrem drucke Ph und Pn im Sekundärkreis werden im Vergleich zu denen im Primärkreis im Verhältnis der entsprechenden Kolbenquerschnitte übersetzt. Durch Wahl des passenden Kompensationsdruckes Pc lassen sich die in Fig. 2 eingetragenen Drücke nach unten verschieben und kann der Mi- nimaldruck Pmin etwa zu Null kompensiert werden. 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 Ver brennung auftretenden relativ niedrigen Betriebstem peraturen 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 ablaufen de Arbeitsprozess spielt sich in einem kleinen Druck verhältnis von etwa 1:2 ab, wobei die wenigen beweg lichen 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 ange koppelten Sekundärkreis für den Betrieb des oder der Expansionsmotoren passende Gas-Olgemische 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 einzel nen Motoren mit Hilfe herkömmlicher Umschaltventile kann die Bremsenergie als Druckenergie in den Druck behältern gespeichert werden.

Claims: Patentansprüche 1. Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter, bei dem des gasförmlge Arbeitsmedium in einem Arbeits zylinder mit parallel geschaltetem thermischen Re generator eingeschlossen ist und abwechselnd durch Wärme zufuhr im Heissteil des Arbeitszylinders auf hohe Temperatur, in seinem Kaltteil mittels eines Kühlers auf tiefere Temperatur gebracht wird, da durch gekennzeichnet, dass der Kaltteil (8) des Ar beitszylinders (1) mit einer Kammer (11a) eines durch eine verschiebbare, jedoch gasdichte Wand (12) abgeteilten, zwei Kammern enthaltenden Fluidsepara- tors kommuniziert, während die zweite Kammer (leib) Über zwei Rückschlagventile (13, 14) mit unterschied licher 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, druckfe sten Gehäuse besteht, dessen Hälften (lla, lib) in nen die Form von Kugelkalotten besitzen und durch ei ne Membran (12) aus metallischem oder gummielasti schem 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 ei nem oder mehreren parallel arbeitenden Expansionsmo toren (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) be stehenden Sekundärkreis ein Gas-Olgemisch verwendet wird. 5. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (5) für den An trieb des Verdrängerkolbens (2), von einem elektri schen 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 Druckbe hälter dient. 7. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidseparator aus einem Dif ferentialkolben (24, 25) in einem druckfesten Gehäuse (23) besteht und drei veränderliche, voneinander ab hängige Volumina abschliesst, die mit dem Kaltteil (8) des Arbeitszylinders (1), mit den Druckbehältern (15, 16) über zwei Rückschlagventile (13, 14) und mit ei nem 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 Arbeitszylin dern (1) besteht, deren Achsenrichtung und gegensei tige Phasenlage der Verdrängerkolben (2) derart ge wählt sind, dass die freien Massenkräfte weitgehend aufgehoben werden. 9. Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltvolumina (8) der Zylin der (1) mit gleichphasig arbeitenden Verdrängerkolben (2) mit der Gasseite (11a) eines gemeinsamen Fluid separators verbunden sind und zur Beheizung aller Zylinder getrennte Hochtemperaturaustauscher in ei ner 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 konden sierbaren Substanz, wie z.B. Propylen oder fluorier te Kohlenwasserstoffe, angewandt wird.

Inventors: EDER, FRANZ X., PROF. DR.
Applicants: EDER, FRANZ X., PROF. DR.
Application year: 1984
Main classification: F02G1
IPC codes: F04B35, F02G1