AT514998A1 - Zellenradmotor - Google Patents

Abstract

Zellenradmotor nach dem Grundprinzip eines Lamellenverdichters mit einem exzentrisch zum Gehäuse (9) gelagerten Rotor ( 4) mit beweglichen Zellenwänden ( 5), welche durch Rollen und einer in beiden Seitenwänden (14) eingefrästen Nut (8) der Fliehkraft entgegenwirkend zwangsgeführt werden, dadurch ergibt sich ein berührungsfreier Lauf zum Gehäuse (9), die Spaltverluste durch eine Labyrinthdichtung am Ende der Zellenwand ( 5) minimiert werden und das Arbeitsgas in einem abgestimmten Winkel zugeführt wird, sodass sich bei vollständiger Expansion in den sich erweiternden Zellen Umgebungsdruck einstellt, wobei sich die Konstruktion prinzipiell auch für eine isothermenähnliche Expansion durch Zufuhr von Brennstoff im Bereich des Expansionsabschnittes eignet und damit sehr günstige Wirkungsgrade erreicht werden, dies auch für die mögliche Verwendung als Kompressor zutrifft.

Description

Patentbeschreibung Zellenradmotor

Gegenständlicher Zellenradmotor fußt dem Prinzip nach einem Lamellenkompressor, wo einexzentrisch gelagerter und mit Schlitzen versehener Rotor mit beweglichen Lamellen ausStahl oder Kunststoff versehen ist, die durch die Fliehkraft an das Gehäuse angedrücktwerden und so zu dichten Zellen führen. Durch die Drehung entstehen erweiternde undverkleinernde Zellenvolumen, wo das Ansaugen und die Kompression des Gases erfolgen.Die Anpresskräfte der Lamellen durch die Fliehkraft an die Gehäusewand verursachenReibung, womit die Einsatzgrenzen hinsichtlich Drehzahl und Temperatur beschränkt sind.Der Einsatz für den Zweck der Kompression ist hinlänglich bekannt, ein vom Prinzip hermöglicher Einsatz als Wärmekraftmaschine wäre durch Nutzung des Teiles von sicherweiternden Zellenvolumen für die Expansion eines Gases zur Nutzleistungsgewinnung ist inder Literatur nicht bekannt, da das übliche Temperatumiveau von höher 500 bis 600° C fürsich berührende Flächen von den Zellenwänden mit der Gehäusewand einen Einsatz zu einemsolchen Zweck aus mehreren Gründen technisch nicht zulässig wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde eine Konstruktion zu beschreiben, beiwelcher der Nachteil von sich berührenden Flächen von Zellenwand und Gehäuse hier einberührungsfreier Lauf ermöglicht wird und Arbeitsgastemperaturen auch über 1000° C für dasErreichen eines hohen thermodynamischen Wirkungsgrades zulässig wird. Ein Aspekt sollteerwähnt werden, dass hier mit relativ einfachen Mitteln eine isothermenähnliche Expansionmöglich wird, indem über den Gehäusebereich an mehreren Stellen der Expansion mittelsBohrungen durch die Gehäusewand ein Brennstoff zugeführt wird und auf diese Weise dasArbeitsgas (Luft) auf hohem Temperatumiveau gehalten wird (entspricht technisch gesehenmehreren Zwischenerhitzungen) bzw. unter Leistungsabgabe expandiert mit verbessertemWirkungsgrad.

Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass hier eine Konstruktion dem Prinzip nach einesLamellenkompressor verwendet wird mit dem wesentlichen Unterschied, das die Zellenwändeberührungsfrei laufen und das Gehäuse vor zu hohen Temperaturen geschützt wird und dieWärmedehnungen durch die Temperatur - und Werkstoffwahl gestaltet werden können. DieKonstruktion besteht aus einer Welle mit mehreren Nuten für Passfedern (1), welche auf derSeite zum Antrieb eines Generators, am anderen Ende einer Arbeitsmaschine (Kompressor) ineinem Festlager (2) und der gegenüberliegenden Seite in einem Loslager (3) gelagert ist. Aufder Welle fixiert wird der Rotor (4), welcher mit einer Anzahl von Nuten versehen ist, inwelcher die Zellenwände (5) die Radialbewegung über den Umfang ein - und ausschiebbarsind. Die Zellenwände sind mit gekühlten Bolzen für die Verschiebung (6) ausgestattet, umdie zwangsgeführte Radialbewegung über Rollen mit einem Nadellager (7), welche in einervon außen fettgeschmierten Nut (8) geführt werden. Die Wellenachse ist exzentrisch zurGehäuseachse angeordnet. Das Gehäuse (9) ist mit 2 Flanschen (10) und dem Kühlmantel(11) ausgestattet, in diesem Zwischenraum befindet sich das Kühlmedium (12), Thermalöloder entspanntes Arbeitsgas mit einer Temperatur von etwa 350° C. Das Gehäuse kann imBereich der Expansion mit einer Vielzahl von aufgeschweißten Rippen oder eingedrehtenRillen (13) für einen guten Wärmeübergang auf das entspannte Arbeitsgas und zur Erhöhungder Formbeständigkeit versehen werden.

Die Lager für die Welle sind in den beiden Seitenwänden mit Kühlmantel (14) integriert, wosich auch zwei Nuten für Labyrinthdichtungen (15) und vor allem die Nut (8) für die Führungder Zellenwände vorgesehen sind. Im Gehäusedeckel für die Abdichtung (16) ist entweder eine Packung mit einem Fettverteilring (17) vorgesehen oder eine Gleitringdichtung. Übereine Bohrung (18) wird die Kühlluft für die Bolzen für die Zellenwände zugeführt. DieKühlluftzufuhr für den Rotor erfolgt im Querstrom über die Bohrung (19) und über Bohrung(20) auf der Gegenseite wieder abgeführt. Die Zufuhr der Kühlluft erfolgt nur über die obereHälfte des Gehäuses, da sich hier die zu kühlenden Elemente wie die Zellenwände befinden,wo hingegen im unteren Teil sich die Zellenwände im ausgefahrenen Zustand befindet undder Raum leer ist und die Luft den geringsten Widerstand gehen würde mit fraglichemKühleffekt. Die Zellenwände sind radial durch Wälzkörper (21) gelagert, welche sich ineinem funktionsmäßig einem Wälzlager gleich zuzuordnenden Käfig (22) befinden. DieDichtleisten mit Labyrinthdichtungen (23) haben die Aufgabe den Arbeitsgasaustritt aus denZellen hin zu den Rotorschlitzen zu minimieren. Diese Leisten sind mit Abdeckblechen (24)versehen, welche auch die Isolierung (25) gegen den Rotor abdecken. Der Eintritt desArbeitsgases erfolgt über die Rohrleitung mit zwei Schächten (26), um eine möglichst rascheund vollständige Füllung durch kurze Wege zu erreichen. Bei der Nutzung des entspanntenArbeitsgases als Kühlmedium erfolgt der Austritt über den Auslassstutzen (27). BeiVerwendung von Thermalöl als Kühlmedium erfolgt das Ausschieben des entspanntenArbeitsgases über ebenfalls 2 Schächte über den etwa halben Umfang jener Seite mit sichverengenden Zellenvolumen. Der Kühlmantel, unabhängig vom Kühlmedium ist mit einerIsolierung (28) versehen. Die Seitenwände sind an der Grundplatte (29), an der Loslagerseiteverschiebbar durch die Gehäusewärmedehnungen, befestigt.

Es sei auf folgenden Umstand hingewiesen: Durch die exzentrische Lagerung von Gehäuseund Rotorwelle und damit der Zellenwände ergibt sich ein unterschiedlicher Spalt der Endender Zellenwände zum Gehäuse. Bei kleinen Einheiten ist dies durch Vorsehen einer etwasabgeflachten, oder mit dem Radius des Innenkreises versehenen Labyrinthdichtung und derenBreite der Zellenwand gut zu beheben. Bei größeren Einheiten ist die Minimierung desSpaltes, verursacht durch eine komplexe Kombination von Winkelfunktionen variierend überden Umfang in Verbindung mit der Größe der Exzentrizität und der Zellen wanddickeberechenbar und dieser Unterschied durch die Gestaltung der Nut berücksichtigbar und aufdiese Weise ein konstanter minimierter Spalt erhältlich. Die Form der Nut ist hier nicht mehrexakt ein Kreis, sondern eine etwas abweichende Kurvenform, die mit CNC Fräsmaschinenexakt nachgefahren werden kann.

Bei der Drehbewegung ergeben sich verengende und erweiternde Querschnitte, wo bei derVerwendung als Motor über einen abgestimmten Drehwinkel im Bereich der erweiterndenZellenvolumen das Arbeitsgas zugeführt wird, bei weiterer Drehung erfolgt die Expansion inerweiternden Querschnitten und durch die Differenzdrücke auf die Zellenradwände wird dasDrehmoment erzeugt. Die Lage der Eintrittskante ist so zu legen, dass am Beginn einabgeschlossenes Volumen vorliegt, welches am Ende der Expansion 1 bar abs. ergibt, imAllgemeinen im Verhältnis der spez. Volumina Eintrittsvolumen zu Austrittsvolumen derjeweiligen Zelle. Nach der vollständigen Expansion auf 1 bar a. wird das entspannteArbeitsgas im offenen Querschnitt ausgeschoben, wo es zuerst als Kühlluft für das Gehäuseund in Folge als Verbrennungsluft verwendet wird, oder über einen Rekuperator dieWärmeabgabe ebenfalls an die einströmende unter Druck stehende Verbrennungsluft bei einerVerbrennung unter Druck abgegeben wird.

Als Verlust wird im Wesentlichen nur die Reibung der Lager für die Zellenwände in der Nutin den Seitenwänden und der Wälzkörper in den Nuten des Rotors, verursacht durch dieFliehkraftwirkung bzw. der Tangential - und Biegekraftkomponente der beweglichenZellenwände, sowie der Rotorlagerung, wirksam. Ich möchte erwähnen, dass hier eine Kraft(Leistung) zum Verschieben der Zellenwände gegen die Fliehkraft nach innen erforderlich ist.

Uber eine Hälfte ergibt sich eine Tangentialkomponente m Drehnchtung, in der anderen dergleiche Betrag entgegengesetzt und sich dadurch aufheben. In Verbindung der Nutzung derAustrittsluftkühlung vom Gehäuse ergibt dies eine gute thermodynamischeExpansionsmaschine, da sich durch das Vorsehen nur von Rollenreibung dies in einemBereich von etwa 2 bis 3 % betragen würde (abgesehen von den thermodynamischenVerlusten durch Kühlung des Rotors und der Zellenwände, dies vom Temperatumiveau füreine mögliche Wiedereinbindung abhängt) mit dem Vorteil einer rotierenden Bewegung. AlsWirkungsgrad bei einer Arbeitsgastemperatur von etwa 850° C und einem Systemdruck von 7bar a können etwa 40 bis 50 % erreicht werden, bei einer Arbeitsgastemperatur von ca. 1200°C durch eine interne Verbrennung etwa 50 bis 60 % angegeben werden, in etwa gleich hochwie ein isothermenähnlicher Prozess bei etwa 800° C, wo aber die Leistungsausbeutegegenüber einer polytropen Expansion von 1200° C bei gleicher Baugröße geringer ausfällt.

Ein gewisser Nachteil besteht darin, dass hier unterschiedliche Wärmedehnungen im Gehäuseund dem Rotor bzw. der Zellenwände vorhanden sind, sodass bei einer Minimierung derSpaltverluste das Gehäuse auf etwa 300 bis 400° C gekühlt (expandiertes Arbeitsgas oderThermalöl) werden sollte und dadurch ein gewisser Wärmeverlust entsteht, welcher zwarbeim Thermalöl für eine Dampferzeugung verwendet und dem Arbeitsgas wieder zugeführtwerden könnte. Bei der Verwendung von Arbeitsgas steht jedoch im Wesentlichen dergesamte Wärmebetrag in Form von erhöhter Temperatur für die Verbrennungsluft bzw. beimRekuperator zur Verfügung und dadurch die thermischen Verluste minimiert. EineMöglichkeit die Wärmeverluste noch zu verringern und doch hohe Arbeitsgastemperaturen zuerreichen, besteht darin, dass das Gehäuse in Schichten aufgebaut wird. Innen ein Mantel aushitzebeständigem Stahl, dann eine Isolierschicht aus Feuerfestmaterial und außen der Mantelaus Normalstahl, welcher die Kräfte aus Druck und der Wärmedehnungen aufnimmt. Es sindin der Regel auch unterschiedliche Werkstoffe von Rotor (Normalstahl) und für dieZellenwände (hitzebeständiger Stahl) vorgesehen, wo die Wärmedehnungskoeffizienten (1,2für Normalstahl, 1,8 mm / 100° C.m für hitzebeständigen Stahl) und auch die Temperaturenstark unterschiedlich sind, sodass ein Aufheizen des Motors bzw. der Zellenwände und desGehäuses ohne Last erforderlich ist, damit sich die temperaturbedingten berücksichtigtenSpalte vor allem bei den Zellenwänden zum Gehäuse radial und axial schließen und derLeistungsbetrieb erfolgen kann. Da die sich einstellenden Temperaturen und damit dieWärmedehnungen der Zellenwände im Betrieb zumindest bei der Erstausführung nurungenügend festgestellt werden können, kann ein gewisser Spalt vorab vorgesehen werden,die endgültige Ablängung aber im Betrieb durch eine Schnittkante aus Hartmetall im Bereichder Seitenwand der ausgefahrenen Zellenwände angebracht werden, welche noch einevorhandene Überlänge durch Wärmedehnung wegschabt und so ein genau definierter geringerSpalt in axialer Richtung vorliegt.

Die Zellenwände sind kühlbar gestaltet in Form eines Luftquerstromes in den Rotomuten,eingeleitet über eine Bohrung in der oberen Hälfte, welche durch Bleche in dem Spaltzwischen Rotor und Seitenwand geteilt ist und auf der Gegenseite die erwärmte Luftabgeleitet wird, getrennt davon die Kühlluft für die Bolzen der Zellenwände, welche überNuten im Rotor und 2 Bohrungen in der Zellenwand zu den Bolzen zugeführt wird um dieKühlung und einen Schmierfilm bei den Nadellagern zu gewährleisten. Der Wärmeverlustüber das Gehäuse ist wie bei fast jeder thermodynamischen Kraftmaschine zum Einen durchdie Differenztemperatur von Wand und Arbeitsgas und durch das Verhältnis von Oberflächeder einzelnen Zellen zum Zellenvolumen abhängig, wo größere Einheiten einen deutlichenVorteil aufweisen. Bei einem Schichtaufbau der Gehäusewand ist gut möglich, dass auch dasInnengehäuse mit einer Temperatur von etwa 600° C oder höher (Beständigkeit von hitzebest.Stahl ohne Festigkeitserfordemis bis etwa 1100° C) in etwa den genannten Bereich gehalten wird, es kommt dann darauf an, welche Temperatur der Außenmantel aufweist und damit dieDehnungsspalte im Inneren, da die Innenschicht aus hitzebeständigem Stähl in gewisserWeise durch den tragenden Außenmantel eingeengt wird und nicht mit dem höherenWärmedehnkoeffizienten gegenüber Normalstahl sich dehnen kann. Der Motor ist beientgegengesetzter Drehrichtung oder Anordnung von Ein - und Austritt spiegelbildlich auchals Kompressor verwendbar, wo hinsichtlich Länge das Verhältnis der spez. Volumina vonAnsaugluft und Austrittsgas nach dem Motor heranzuziehen ist. Es könnte auch ansonsten einGenerator mit 2 Wellenstummel verwendet werden, wo jeweils am einen der Motor und amanderen der Kompressor hängt.

Hinsichtlich Verfahrensführung kann sowohl jener im Patent AT 501 504 B 1 2009-05-15angeführten mit dem Arbeitsgas Luft mit der Wärmeeinbringung indirekt über einenHochtemperaturwärmetauscher verwendet werden und hier zur Wiederholung kurz angeführtwerden: Isothermenähnliche Kompression durch Wassereindüsung in Ansaugluft,

Vorerwärmung des Arbeitsgases in einem Niedertemperaturwärmetauscher, Wärmezufuhr ineinem Hochtemperaturwärmetauscher, Expansion im Motor, Verwendung des expandiertenGases als Gehäusekühluft und anschließend als Verbrennungsluft für das Hackgut, wo nachdem Austritt aus dem Motor bzw. des zu kühlenden Gehäuses diese als Verbrennungsluftverwendet wird, aber auch in der Richtung, dass hier ein Gasturbinenprozess mit Rekuperatorzum Einsatz kommt. Vom Prinzip des Motors möchte ich darauf hinweisen, dass dieser füreine isothermenähnliche Expansion, mit den höchsten Wirkungsgraden geeignet erscheint,wenn hier am Gehäuseumfang während der Expansion an mehreren Stellen ein gasförmigerBrennstoff zugeführt würde, aber auch Holzstaub, welcher eine Korngröße aufweist, dassdieser im Zeitintervall über den Bereich der Expansion verbrennt oder aber auch wie dergasförmige Brennstoff an mehreren Stellen zugeführt wird. Da an das Gas keine besonderenAnsprüche gestellt sind, kann auch grob von Asche gereinigtes Gas aus einer autothermenHolzvergasung unter Druck (z. B. Flugstromvergasung) verwendet werden, mit dem Vorteil,dass nicht wie üblich bei Hubkolbenmotoren das Gas gekühlt werden muss(Kaltgaswirkungsgrad bei ca. 80 %), sondern ungekühlt dem Motor zugeführt werden kann,dies zumindest gegenüber dem Hubkolbenmotor eine um ca. 10 bis 15 % bessere thermischeAusbeute aus dem Holz bzw. der Gesamtanlage bringt. Es ist zumindest eine Wärmezufuhrmit mehreren Zwischenerhitzungen des Arbeitsgases Luft oder Rauchgas mit hohemLuftüberschuss ohne größeren Aufwand möglich. Die Festlegung des Druckes für dieKompression und Expansion ist durch Verschieben der Einlass - bzw. Austrittskante möglich.

Bezeichnungen in Zeichnungen FIG. 1 und FIG. 2 1 Rotorwelle mit Passfedern 16 Gehäusedeckel für Abdichtung 2 Festlager 17 Fettverteilring 3 Loslager 18 Bohrung Kühlluft Bolzen 4 Rotor 19 Bohrung Kühlluft Querstrom 5 Bewegliche Zellenwände 20 Bohrung Abfuhr Kühlluft 6 Gekühlter Bolzen 21 Wälzkörper für Zellenwände 7 Rolle mit Nadellager 22 Rollenkäfig 8 Nut zur Zwangsführung 23 Dichtleisten mit Labyrinthdichtung 9 Gehäuse 24 Abdeckblech für Isolierung 10 Flansch 25 Isolierung 11 Kühlmantel 26 Schächte Arbeitsgaseintritt 12 Kühlmedium 27 Auslassstutzen entspanntes Arbeitsgas 13 Rippen zur Oberflächenvergrößerung 28 Isolierung für Kühlmantel 14 Seitenwand mit Kühlmantel 29 Grundplatte 15 Nuten für Labyrinthdichtungen Näherungs weise Berechnung des Wirkungsgrades:

Ausgangsdaten: Stationäre Anlage betrieben mit Holzhackgut, Rotordurchmesser 540 mm,Rotorlänger 500 mm, Gehäusedurchmesser 600 mm, Exzentrizität 30 mm, Vorerhitzungdurch NT - Wärmetauscher auf ca. 400° C, in Hochtemperaturwärmetauscher bis ca. 850° C,Drehzahl 750 bis 1000 U / min, Leistung Grundstufe ca. 80 KW (750 U / min), Ausbaustufebis ca. 110 KW (ca. 1000 U / min), Verdichtungsdruck 7 bar abs., Hackgutzufuhr ca. 3,5 %von Gesamtluftmassestrom, Wasserzufuhr für isothermenähnliche Kompression ca. 5 %,

Ich ersuche hier zu bedenken, dass die hier gewählten Parameter beispielsweiseherausgegriffen sind, wo es hinsichtlich der Wahl von Druck und Temperatur eine Vielzahlverschiedener Kombinationen gibt, die naturgemäß zu einem anderen Ergebnis fuhren.Zudem ist bei dem gewählten Druck von 7 bar bei der Kompression dieGasaustrittstemperatur in einem Bereich von ca. 400° C mit einer Eintrittstemperatur von ca.850° C wo für den Niedertemperatur WT überwiegend Normalstahl verwendet werden kann,dies sich günstig auf die Kosten auswirkt. Die angegebenen Werte für die Wärmezufuhr überdie spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck (cpml2) können grundsätzlich derVolumsänderungsarbeit und dem Gleichdruckanteil bzw. der technischen Arbeit bei derExpansion gleichgesetzt werden (qzul2 = wl2), wo durch die Berücksichtigung derKompressionsarbeit der theoretische Wirkungsgrad ermittelt werden kann. ÜblicherweiseAnsauglufttemperatur mit 0° C gerechnet, hier 20° C um den Gegebenheit besser zuentsprechen. Für die isothermenähnliche Kompression mit einer Wassereindüsung ist einTemperaturanstieg erforderlich, um die Sättigungsgrenze nicht zu unterschreiten und liegt bei7 bar abs. bei ca. 85° C. Die wesentlichsten Faktoren für den Wirkungsgrad sind dergewählte Systemdruck und die Arbeitsgastemperatur zum Motoreintritt und natürlich dieProzessführung.

Der Isentropenwirkungsgrad für die Expansion, sowie die Wärmeverluste während derExpansion und ansatzweise Verluste über die Labyrinthdichtungen wurde mit 0,92 unterstellt.Es wurde aus dem Erwärmungsbedarf des Gases der Bedarf an Holz mit ca. 3,5 %Massezufuhr errechnet und auch am Zellenradmotor zur Arbeitsgewinnung zur Verfügungstehen. Die Zufuhr des Wasserdampfes aus der Kompression erfolgt mit etwasEnergieaufwand, da hier das Wasser über den Kolbenweg verdunstet und diese Masse unterLeistungsaufwand verdichtet werden muss (über den Weg betrachtet ca. 0,5 der eingedüstenMasse). Die in der Rechnung verwendeten Werte für die mittlere spez. Wärmekapazitätstammen aus Tabellen einschlägiger Fachliteratur.

Feuchtigkeitseintrag: ca. 5 % Wasserzufuhr durch Wassereindüsung in Ansaugluft. Zusätzlichkönnten etwa ca. 1,5 % Wasserzufuhr durch Wasserverdunstung durch Temperaturdifferenzam Rekuperator, sowie der zusätzlichen Massezufuhr für die Verbrennung, diese Wertejedoch noch nicht als vollständig abgesichert zu betrachten sind, möglicherweise auch nurinsgesamt 6,5 % Feuchtigkeitseintrag gerechnet 5 %.

Isothermenähnliche Kompression bis 7 bar abs: W = R x T x ln pl/p2 = 0,2872 kJ / kg.K x 293 K x ln 1 / 7 = -163,7 kJ / kg (t = 20°C) 0,2872 kJ / kg.K x 353 K x ln 1 / 7 = - 197,2 kJ / kg (t = 85°C)

Arithmetisches Mittel: -180,5 kJ / kg (- = zuzuführende Energie)

Kompression Wasserdampf: im Verhältnis der Gaskonstanten Wasser 0,4615 kJ / kg.K, w = - 290 kJ / kg (100 %)Annahme Wasseranteil gesamt ca. 5 % (fällt mit zunehmenden Weg als Gas an, daher etwaHälfte der Gasmenge über Gesamtverdichtung) - 290 kJ / kg x 0,025 = 7,2 kJ / kg

Verdichtung gesamt: 180,5 kJ / kg + 7,2 kJ / kg = 187,7 kJ / kg

Verdichtung Luft für Kühlluftbedarf ca. 5 % und Massezufuhr Holz ca. 3,5 % = 187,7 kJ / kg x 1,085 = ca. 205 kJ / kg

Heißluftmotor: (5 % Wasserdampf aus Kompression + ca. 1,5 % Wasserdampf ausWärmeüberhang durch zusätzliche Restwärme Gasmasse aus Verbrennung undTemperaturdifferenz am Rekuperatoraustritt + etwa 3,5 % zusätzliche wirksame Masse durchHolzmasse aus der Verbrennung, wo eine zusätzliche Luftmasse erwärmt werden kann,jedoch auch die entsprechende Luft komprimiert werden muss)

Verwendung Polytropenexponent (n = 1,34... Rauchgas praktisch vorhanden)statt Isentropenexponent (Kappa 1,4 Luft)

Arbeitsgastemperatur 850° C, Systemdruck 7 bar abs. Zellenradmotor

Isobare Wärmezufuhr: qzul2 = cpml2 x (TI - T2)

Temperatur Ende Expansion der Polytrope: T2 = TI x (p2/pl) hoch n - 1 / n (0,2537)

1123 x 1/7 hoch 0,2537 = 685 K = 412° C cpml2 = (cpml x tl) - (cpm2 x t2) / (tl -12) = 1,077 kJ / kg.K x 850° C -1,030 kJ / kg.K x 412° C / (850° C - 412° C) = 491 / 438 = 1,121 kJ / kg.Kqzul2 = cpml2 x (Tl - T2) = 1,121 kJ / kg.K x 438 K = 491 kJ / kg = wl2

Erwärmung und Expansion mit 5 % Wasserdampfanteil im Verhältnis der spez.Wärmekapazität = x 2 qzul2 Wasserdampf = 491 kJ / kg x 0,05 x 2 = 49,1 kJ / kg

Anteil von 3,5 % Massezufuhr durch Brennstoff= 491 kJ / kg x 1,035 = 508 kJ / kgGesamt: 508 kJ / kg + 49 kJ / kg = 557 kJ / kg, Kompression 205 kJ / kg

Wirkungsgrad = Nutzarbeit zugeführte Wärmemenge =

Expansionsarbeit - Kompressionsarbeitzugeführte Wärme

Wirkungsgrad: (557 kJ / kg - 205 kJ / kg / (558 kJ / kg) = 352 kJ / kg / 557 kJ / kg = 0,632

Ungefähre Berücksichtigung des Isentropenwirkungsgrades und Wärmeüberganges an dieZylinderwand mit Labyrinthdichtungen ca. 0,92 557 kJ / kg x 0,92 = 512 kJ / kg, Differenz 44,5 kJ / kg

Theoretischer Wirkungsgrad mit vorhandener Abminderung: 512 kJ / kg-205 kJ/kg / 512 kJ / kg = 307 kJ / kg / 512 kJ / kg = 0,599

Gasstromerwärmung: ist im Normalfall identisch mit Expansionsarbeit der Isentrope bzw.Polytrope und des Gleichdruckanteiles beim Gaseintritt und isobarer Gasstromerwärmung.Hier ist noch zu berücksichtigen, dass der zugeführte Brennstoff (ca. 3,5 % Masseanteil) aucheinen Erwärmungsbedarf von 30° C auf ca. 412° C mit ca. 10 kJ / kg (darüber in Berechnungim Erwärmungsbedarf Brennstoffanteil berücksichtigt) aufweist hier durch die Vergrößerungder Wärmezufuhr um 3,5 % wie die Expansionsarbeit berücksichtigt ist. Beim Rekuperator istnoch eine Temperaturdifferenz (ca. 35° C) mit ca. 35 kJ / kg zu berücksichtigen, daher derGesamtwärmebedarf bei

Zellenradmotor isobare Wärmezufuhr bis 850° C, (Polytropenexponent n = 1,34 sowieFeuchtigkeit verbleibt in Luftstrom) 512 kJ/kg-205 kJ/kg/ (512 + 35 kJ/kg + 10 kJ / kg) - 307 kJ/kg/557 kJ/kg = 0,551

Heißluftmotor isobar 850° C, (Polytropenexponent n = 1,34; gerechnet keine Feuchtigkeit imLuftstrom bei Expansion) 508 kJ / kg x 0,92 = 467 kJ / kg 467 kJ / kg - 205 kJ / kg / 467 kJ / kg = 262 kJ / kg / 467 kJ / kg = 0,562 262 kJ / kg / (467 kJ / kg + 35 kJ / kg + 10 kJ/kg) = 262 kJ/kg/512 kJ/kg = 0,512

Zellenradmotor Arbeitsgastemperatur angenommen 1200° C, (Polytropenexponent n =1,34 sowie Feuchtigkeit verbleibt in Luftstrom)

Isobare Wärmezufuhr: qzul2 = cpml2 x (TI - T2)

Temperatur Ende Expansion der Polytrope: T2 = TI x (p2/pl) hoch n - 1 / n (0,2537)

1473 x 1/7 hoch 0,2537 = 899 K = 626° C cpml2 = (cpml x tl) - (cpm2 x t2) / (tl -12) = 1,11 kJ / kg.K x 1200° C -1,055 kJ / kg.K x 626° C / (1200° C - 626° C) = 672 / 574 = 1,17 kJ / kg.Kqzul2 = cpml2 x (Tl - T2) = 1,17 kJ / kg.K x 574 K = 672 kJ / kg = wl2

Erwärmung und Expansion mit 5 % Wasserdampfanteil im Verhältnis der spez.Wärmekapazität = x 2 qzul2 Wasserdampf = 672 kJ / kg x 0,05 x 2 = 67,2 kJ / kg

Anteil von 3,5 % Massezufuhr durch Brennstoff = 672 kJ / kg x 1,035 = 695 kJ / kgGesamt: 695 kJ / kg + 67,2 kJ / kg = 762,2 kJ / kg, Kompression 205 kJ / kg

Wirkungsgrad = Nutzarbeit zugeführte Wärmemenge =

Expansionsarbeit - Kompressionsarbeitzugeführte Wärme

Wirkungsgrad: (762 kJ / kg - 205 kJ / kg / (762 kJ / kg) = 557 kJ / kg / 762 kJ / kg = 0,731

Ungefähre Berücksichtigung des Isentropenwirkungsgrades und Wärmeüberganges an dieZylinderwand mit Labyrinthdichtungen ca. 0,92 762 kJ / kg x 0,92 = 701 kJ/ kg, Differenz 61 kJ / kg

Theoretischer Wirkungsgrad mit vorhandener Abminderung und Erwärmungsbedarf /Temperaturdifferenz Rekuperator: 701 kJ / kg - 205 kJ / kg / (701 kJ / kg + 45 kJ / kg) = 496 kJ / kg / 746 kJ / kg = 0,665Angenommen isotherme Expansion bei 800° C und 7 bar abs. W = R x T x ln pl/p2 = 0,2872 kJ / kg.K x 1073 K x ln 7 / 1 = 599,6 kJ / kg (t = 20°C)

Wasserdampfanteil 5 % 0,4615 x 1073 x ln 7 = 963,5 kJ / kg x 0,05 = 48 kJ / kgGesamt: 647,7 kJ / kg

Angenommen 5 % Verlust durch Reibung und Wärmeverluste: 615,4 kJ / kgWirkungsgrad mit Feuchtigkeit 615.4 kJ / kg - 205 kJ / kg = 410,4 kJ / kg / 615,4 kJ / kg = 0,667Wirkungsgrad ohne Feuchtigkeit: (599,6 - 5 %) 569,6 kJ / kg - 205 kJ / kg = 364,6 kJ / kg / 599,6 kJ / kg = 0,608

Wirkungsgrad bei 0,5 bar Druckverlust bei 850° C und Feuchtigkeit vorhanden: 512 kJ / kg - 212 kJ / kg = 300 kJ / kg / 557 kJ / kg = 0,539 x 0,95 (Strom) = 0,512

Wirkungsgrad bei 0,5 bar Druckverlust bei 850° C und keine Feuchtigkeit vorhanden:467 kJ / kg - 212 kJ / kg = 255 kJ / kg / 512 kJ / kg = 0,498 x 0,95 (Strom) = 0,473

Wirkungsgrad bei 0,5 bar Druckverlust bei 1200° C und Feuchtigkeit vorhanden: 701 kJ / kg - 212 kJ / kg = 489 kJ / kg / 746 kJ / kg = 0,655 x 0,95 (Strom) = 0,622

Wirkungsgrad bei 0,5 bar Druckverlust bei 1200° C und keine Feuchtigkeit vorhanden: 639 kJ / kg - 212 kJ / kg = 427 kJ / kg / 684 kJ / kg = 0,624 x 0,95 (Strom) = 0,593

Wirkungsgrad bei 0,5 bar Druckverlust bei isothermen Expansion bei 800° C undFeuchtigkeit vorhanden: 615.4 kJ / kg - 212 kJ / kg = 403,4 kJ / kg / 615,4 kJ / kg = 0,655 x 0,95 (Strom) = 0,622

Wirkungsgrad bei 0,5 bar Druckverlust bei isothermen Expansion bei 800° C und keineFeuchtigkeit vorhanden: 569,6 kJ / kg - 212 kJ / kg = 357,6 kJ / kg / 569,6 kJ / kg = 0,628 x 0,95 (Strom) = 0,593

Masseströme bei jeweiligen Austrittstemperaturen 1 bar abs. / 7 bar ohne Feuchtigkeit 412° C: v = 1,94 m3 / kg, Massefluss: 0,346 kg / sec bei 750 U / min, Strom: 83,8 KW (850° C) 626° C: v = 2,55 m3 / kg, Massefluss: 0,263 kg / sec bei 750 U / min, Strom: 107 KW (1200°C)

800° C: v = 3,05 m3 / kg, Massefluss: 0,22 kg / sec bei 750 U / min, Strom: 78,8 KW (800° C)Isotherme Expansion mit Feuchtigkeit: 88,7 KW; bei 1000 U / min = 118,3 KW

Isotherme Expansion ohne Feuchtigkeit: 78,8 KW; bei 1000 U / min =105,1 KW

Drehzahl 750 U/min: 103,8KW(850° C) 128,6KW(1200° C)Feuchtigkeit

Heizleistung m. Feuchte 194,4 KW 196,2 KW

Ohne Feuchtigkeit: 83,3 KW (850° C), 107 KW (1200° C)

Heizleistung o. Feuchte 177 KW 179,8 KW

Drehzahl 1000 U / min: 138,4 KW (850° C), 171,4 KW (1200° C) Feuchtigkeit

Heizleistung m. Feuchte 259,6 KW 261,6 KW

Ohne Feuchtigkeit: 111 KW (850° C), 142,6 KW (1200° C)

Heizleistung o. Feuchte 236 KW 239,7 KW (Anmerkung: Die zulässige Drehzahl des Zellenradmotors hängt von der Baugröße ab,kleinere Einheiten bis etwa 1500 U / min, mittlere und größere etwa 750 bis 1000 U / min),Eine Baugröße mit doppelten Abmessungen wie eingangs angeführt, würde sich dieNutzleistung im Bereich von etwa 700 bis 800 KW bewegen.

Der erzielbare Wirkungsgrad mit dem Feuchtigkeitsgehalt im Arbeitsgas ist bei denjeweiligen Temperaturen um etwa 4 % abs. höher im Vergleich zu Arbeitsgas ohneFeuchtigkeitsgehalt, Der Wirkungsgrad steigt auch mit der Arbeitsgastemperatur um etwa 5% je 100° C höherer Arbeitsgastemperatur. Gewählt auf Grund der technischenVoraussetzungen Systemdruck 7 bar, Arbeitsgastemperatur ca. 800 bis 850° C mitEinbringung der Wärme über Hochtemperaturwärmetauscher, darüber hinausgehendeTemperaturen sind nur durch direkte Einbringung des Brennstoffes in das Arbeitsgas möglich.

Kondensationswärme für Fernwärme: (von ca. 85° C bis ca. 30° C) 0,05 x 2653 kJ / kg + 358 kJ / kg = 491 kJ / kg0,01 x 2556 kJ / kg + 313 kJ / kg = 338 kJ / kgEnthalpiedifferenz: 152 kJ / kg

Diese Kondensationswärme nach der Kompression ist für die Raumwärmegewinnungeinsetzbar. Der erreichbare Gesamtwirkungsgrad mit Zellenradmotor liegt bei ca. 40 bis 50 %bei einer Arbeitsgastemperatur von ca. 850° C und ca. 50 bis 60 % bei Arbeitsgastemperaturvon etwa 1200° C oder isothermenähnliche Expansion. Für die Berücksichtigung desGeneratorwirkungsgrades wurden 0,95 in Ansatz gebracht. Der Gesamtnutzungsgrad beivollständiger Wärmenutzung beträgt etwa 85 %. Bei Verwendung eines Systemdruckes mit 8bar abs. mit der Arbeitsgastemperatur von 850° C liegt die Austrittstemperatur je nachPolytropenexponenten bei ca. 350° C, dies für die Kühlung des Gehäuses verwendet werdenkönnte.

Claims (9)

1. Patentansprüche: 1. Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach dem Grundprinzip einesLamellenverdichters mit einem exzentrisch zur Gehäuseachse gelagerten Rotor (4) mitradial beweglichen Zellen wänden (6), welche in einer Nut in den Seitenwänden (8)über jeweils 2 mit Rollen (7) versehenen Bolzen zwangsgeführt werden und somitkeine Berührung mit der Gehäusewand (9) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass diesich bei Drehung ergebenden erweiternden Zellenvolumen für die Einbringung desheißen und unter Druck stehenden Arbeitsgases über einen abgestimmten Drehwinkelgenutzt wird und unter Nutzleistungsgewinnung auf Umgebungsdruck entspannt wird.
2. 2. Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet,dass die zwangsgeführten Zellenwände (6) in den Nuten des Rotors (4) für dieMinimierung der Reibung auch in Radialrichtung mittels Wälzkörpem (21) gelagertwerden, welche in einem funktionsmäßig bei Wälzlager ähnlichen Käfig (22) geführtwerden.
3. 3. Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach Anspruch 1. bis 2. dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenwände (6) zum Gehäuse (9) hin mit einerLabyrinthdichtung (15) ausgestattet werden, um die Spaltverluste möglichst gering zuhalten.
4. 4. Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach Anspruch 1. bis 3. dadurch gekennzeichnet, dass je zwei Leisten je Zellenwand (6) mit einer Labyrinthdichtungam Rotorumfang (15) vorgesehen werden, welche gegenüber dem Arbeitsgas in derZelle die Abdichtung hin zu den Rotorspalten übernimmt.
5. 5. Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach Anspruch 1. bis 4. dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen Rotor (4) und Innenradius derZellenführung mittels einer Isolierung (25) versehen ist, um den Wärmeabfluss vomArbeitsgas in den Zellen zum Rotor (4) möglichst klein zu halten.
6. 6. Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach Anspruch 1. bis 5. dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskante für das Arbeitsgas am Gehäuse verstellbargestaltet wird, um bei unterschiedlichen Drücken jenes Gasvolumen einzubringen,welches bei vollständiger Entspannung dem Umgebungsdruck entspricht.
7. 7. Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach Anspruch 1. bis 6. dadurch gekennzeichnet, dass über eine Seitenwand (14) mittels einer Bohrung und dem Spaltzwischen Rotor (4) und Wand, durch Bleche eingegrenzten oberen Hälfte jeneKühlluftmenge eingebracht wird, welche für die Kühlung der Zellenwände (6) und desRotors (4) erforderlich ist, getrennt davon die Kühlluftzufuhr für die Bolzen derZwangsführung mit Lagerung der Zellenwände.
8. 8. Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach Anspruch 1. bis 7. dadurch gekennzeichnet, dass jene Nut in den Seitenwänden (8), welche die Zwangsführungder Zellenwände (6) zur Minimierung des Spaltes zur Gehäusewand (9) übernimmt,welcher von der Exzentrizität und Breite der Labyrinthdichtung über komplexeZusammenhänge der Winkelfunktionen und mit sich änderndem Drehwinkel abhängt, derart gestaltet wird, dass dadurch der Spalt minimiert wird, indem die einzelnenPunkte der Kurve mit einer CNC Fräsmaschine nachgefahren werden.
9. 9. Zellenradmotor für den stationären Einsatz, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorals Kompressor oder Vakuumpumpe genutzt wird, wo bei gleicher Drehrichtung dieEin - (26) und Austrittsstutzen (27) spiegelbildlich angeordnet werden, oder beiUmkehr der Drehrichtung die ÖfFnungswinkel berücksichtigend auf der gleichenSeiten bleiben, bei gleichem Durchmesser sich die Länge entsprechend der spez.Volumina von entspanntem Arbeitsgas und Ansaugluft für den Kompressor festgelegtwird