AT514998B1 - Zellenradmotor - Google Patents

Abstract

Es wird Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach dem Grundprinzip eines Lamellenverdichters mit einem exzentrisch zur Gehäuseachse gelagerten Rotor (4) mit radial beweglichen Zellenwänden (5) beschrieben, welche in einer Nut in den Seitenwänden (8) über jeweils 2 mit Rollen (7) versehenen Bolzen zwangsgeführt sind und somit von der Gehäusewand (9) beabstandet sind, wobei die sich bei Drehung des Rotors ergebenden erweiternden Zellenvolumen für die Einbringung des heißen und unter Druck stehenden Arbeitsgases über einen abgestimmten Drehwinkel nutzbar sind und das Arbeitsgas unter Nutzleistungsgewinnung auf Umgebungsdruck entspannen. Um vorteilhafte Kühlungsbedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass die Bolzen (6) der Zwangsführung und die Lagerung der Zellenwände (5) durch eine Kühlluftzufuhr bei einer Bohrung (18) und dass die Zellenwände (5) durch einen, von dieser Kühlluftzufuhr getrennten Luftquerstrom kühlbar sind, der über eine erste Bohrung (19) in der Seitenwand (14), welche durch Bleche (31) in dem Spalt zwischen Rotor (4) und Seitenwand (14) geteilt ist und über Nuten (30) im Rotor (4) einströmt und über eine zweite, auf der der ersten Bohrung (19) gegenüberliegenden Seitenwand (14) liegende Bohrung (20) abgeleitet ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Zellenradmotor für den stationären Einsatz nachdem Grundprinzip eines Lamellenverdichters mit einem exzentrisch zur Gehäuseachse gelager¬ten Rotor mit radial beweglichen Zellenwänden, welche in einer Nut in den Seitenwänden überjeweils 2 mit Rollen versehenen Bolzen zwangsgeführt sind und somit von der Gehäusewandbeabstandet sind, wobei die sich bei Drehung des Rotors ergebenden erweiternden Zellenvo¬lumen für die Einbringung des heißen und unter Druck stehenden Arbeitsgases über einenabgestimmten Drehwinkel nutzbar sind und das Arbeitsgas unter Nutzleistungsgewinnung aufUmgebungsdruck entspannen.

[0002] Gegenständlicher Zellenradmotor fußt dem Prinzip nach einem Lamellenkompressor, woein exzentrisch gelagerter und mit Schlitzen versehener Rotor mit beweglichen Lamellen ausStahl oder Kunststoff versehen ist, die durch die Fliehkraft an das Gehäuse angedrückt werdenund so zu dichten Zellen führen. Durch die Drehung entstehen erweiternde und verkleinerndeZellenvolumen, wo das Ansaugen und die Kompression des Gases erfolgen. Die Anpresskräfteder Lamellen durch die Fliehkraft an die Gehäusewand verursachen Reibung, womit die Ein¬satzgrenzen hinsichtlich Drehzahl und Temperatur beschränkt sind. Der Einsatz für den Zweckder Kompression ist hinlänglich bekannt, ein vom Prinzip her möglicher Einsatz als Wärme¬kraftmaschine wäre durch Nutzung des Teiles von sich erweiternden Zellenvolumen für dieExpansion eines Gases zur Nutzleistungsgewinnung ist in der Literatur nicht bekannt, da dasübliche Temperaturniveau von höher 500 bis 600° C für sich berührende Flächen von denZellenwänden mit der Gehäusewand einen Einsatz zu einem solchen Zweck aus mehrerenGründen technisch nicht zulässig wäre.

[0003] Für geringere Temperaturniveaus sind Zellenradmotoren bekannt (WO 2007063357 A1,WO 0052306 A1, WO 9535431 A1), die allerdings den Nachteil aufweisen, dass zwischenRotor und Gehäuse ein hoher Wärmeübergang gegeben ist, wodurch die Beweglichkeit derradial verschiebbaren Zellenwände durch Wärmedehnungen und Schmierprobleme beeinträch¬tigt werden. Dieser Nachteil wird durch eine indirekte Verbindung der einzelnen Zellwände übereine gemeinsame Wälzlagerung (WO 9535431 A1) noch verstärkt. Es wurde daher bereitsvorgeschlagen (WO 2007063357 A1) die Zellwände getrennt zu lagern, wobei die in der WO2007063357 A1 vorgesehene Lagerung eine Gleitreibung mit einem entsprechend nachteiligenReibungskoeffizienten bedingt.

[0004] 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 Temperaturniveau gehalten wird (entspricht technisch gesehenmehreren Zwischenerhitzungen) bzw. unter Leistungsabgabe expandiert mit verbessertemWirkungsgrad.

[0005] Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass die Bolzen der Zwangsführung und dieLagerung der Zellenwände durch eine Kühlluftzufuhr bei einer Bohrung und dass die Zellen¬wände durch einen, von dieser Kühlluftzufuhr getrennten Luftquerstrom kühlbar sind, der übereine erste Bohrung in der Seitenwand, welche durch Bleche in dem Spalt zwischen Rotor undSeitenwand geteilt ist und über Nuten im Rotor einströmt und über eine zweite, auf der derersten Bohrung gegenüberliegenden Seitenwand liegende Bohrung abgeleitet ist.

[0006] Diese Konstruktion nach dem Prinzip eines Lamellenkompressors hat den wesentlichenUnterschied, dass die Zellenwände berührungsfrei laufen und das Gehäuse vor zu hohen Tem¬peraturen geschützt wird und die Wärmedehnungen durch die Temperatur - und Werkstoffwahlgestaltet werden können. Die Konstruktion besteht aus einer Welle mit mehreren Nuten für

Passfedern (1), welche auf der Seite zum Antrieb eines Generators, am anderen Ende einerArbeitsmaschine (Kompressor) in einem Festlager (2) und der gegenüberliegenden Seite ineinem Loslager (3) gelagert ist. Auf der Welle fixiert wird der Rotor (4), welcher mit einer Anzahlvon Nuten versehen ist, in welcher die Zellenwände (5) die Radialbewegung über den Umfangein - und ausschiebbar sind. Die Zellenwände sind mit gekühlten Bolzen für die Verschiebung [6] ausgestattet, um die zwangsgeführte Radialbewegung über Rollen mit einem Nadellager (7),welche in einer von außen fettgeschmierten Nut (8) geführt werden. Die Wellenachse ist exzent¬risch zur Gehäuseachse angeordnet. Das Gehäuse (9) ist mit 2 Flanschen (10) und dem Kühl¬mantel (11) ausgestattet, in diesem Zwischenraum befindet sich das Kühlmedium (12), Ther¬malöl oder entspanntes Arbeitsgas mit einer Temperatur von etwa 350° C. Das Gehäuse kannim Bereich 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.

[0007] Die Lager für die Welle sind in den beiden Seitenwänden mit Kühlmantel (14) integriert,wo sich 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 einePackung mit einem Fettverteilring (17) vorgesehen oder eine Gleitringdichtung. Über eine Boh¬rung (18) wird die Kühlluft für die Bolzen für die Zellenwände zugeführt. Die Kühlluftzufuhr fürden Rotor erfolgt im Querstrom über die Bohrung (19) und über Bohrung (20) auf der Gegensei¬te wieder abgeführt. Die Zufuhr der Kühlluft erfolgt nur über die obere Hälfte des Gehäuses, dasich hier die zu kühlenden Elemente wie die Zellenwände befinden, wo hingegen im unterenTeil sich die Zellenwände im ausgefahrenen Zustand befindet und der Raum leer ist und dieLuft den geringsten Widerstand gehen würde mit fraglichem Kühleffekt. Die Zellenwände sindradial durch Wälzkörper (21) gelagert, welche sich in einem funktionsmäßig einem Wälzlagergleich zuzuordnenden Käfig (22) befinden. Die Dichtleisten mit Labyrinthdichtungen (23) habendie Aufgabe den Arbeitsgasaustritt aus den Zellen hin zu den Rotorschlitzen zu minimieren.Diese Leisten sind mit Abdeckblechen (24) versehen, welche auch die Isolierung (25) gegenden Rotor abdecken. Der Eintritt des Arbeitsgases erfolgt über die Rohrleitung mit zwei Schäch¬ten (26), um eine möglichst rasche und vollständige Füllung durch kurze Wege zu erreichen.Bei der Nutzung des entspannten Arbeitsgases als Kühlmedium erfolgt der Austritt über denAuslassstutzen (27). Bei Verwendung von Thermalöl als Kühlmedium erfolgt das Ausschiebendes entspannten Arbeitsgases über ebenfalls 2 Schächte über den etwa halben Umfang jenerSeite mit sich verengenden Zellenvolumen. Der Kühlmantel, unabhängig vom Kühlmedium istmit einer Isolierung (28) versehen. Die Seitenwände sind an der Grundplatte (29), an der Losla¬gerseite verschiebbar durch die Gehäusewärmedehnungen, befestigt.

[0008] Es sei auf folgenden Umstand hingewiesen: Durch die exzentrische Lagerung von Ge¬häuse und Rotorwelle und damit der Zellenwände ergibt sich ein unterschiedlicher Spalt derEnden der Zellenwände zum Gehäuse. Bei kleinen Einheiten ist dies durch Vorsehen eineretwas abgeflachten, oder mit dem Radius des Innenkreises versehenen Labyrinthdichtung undderen Breite 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 Zellenwanddicke berechen¬bar und dieser Unterschied durch die Gestaltung der Nut berücksichtigbar und auf diese Weiseein konstanter minimierter Spalt erhältlich. Die Form der Nut ist hier nicht mehr exakt ein Kreis,sondern eine etwas abweichende Kurvenform, die mit CNC Fräsmaschinen exakt nachgefahrenwerden kann.

[0009] Bei der Drehbewegung ergeben sich verengende und erweiternde Querschnitte, wo beider Verwendung 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 Zellen radwände wird dasDrehmoment erzeugt. Die Lage der Eintrittskante ist so zu legen, dass am Beginn ein abge¬schlossenes Volumen vorliegt, welches am Ende der Expansion 1 bar abs. ergibt, im Allgemei¬nen im Verhältnis der spez. Volumina Eintrittsvolumen zu Austrittsvolumen der jeweiligen Zelle.

Nach der vollständigen Expansion auf 1 bar a. wird das entspannte Arbeitsgas im offenenQuerschnitt ausgeschoben, wo es zuerst als Kühlluft für das Gehäuse und in Folge als Ver¬brennungsluft verwendet wird, oder über einen Rekuperator die Wärmeabgabe ebenfalls an dieeinströmende unter Druck stehende Verbrennungsluft bei einer Verbrennung unter Druck abge¬geben wird.

[0010] Als Verlust wird im Wesentlichen nur die Reibung der Lager für die Zellenwände in derNut in den Seitenwänden und der Wälzkörper in den Nuten des Rotors, verursacht durch dieFliehkraftwirkung bzw. der Tangential - und Biegekraftkomponente der beweglichen Zellenwän¬de, sowie der Rotorlagerung, wirksam. Ich möchte erwähnen, dass hier eine Kraft (Leistung)zum Verschieben der Zellenwände gegen die Fliehkraft nach innen erforderlich ist. Uber eineHälfte ergibt sich eine Tangentialkomponente in Drehrichtung, in der anderen der gleiche Be¬trag entgegengesetzt und sich dadurch aufheben. In Verbindung der Nutzung der Austrittsluft¬kühlung vom Gehäuse ergibt dies eine gute thermodynamische Expansionsmaschine, da sichdurch das Vorsehen nur von Rollenreibung dies in einem Bereich von etwa 2 bis 3 % betragenwürde (abgesehen von den thermodynamischen Verlusten durch Kühlung des Rotors und derZellenwände, dies vom Temperaturniveau für eine mögliche Wiedereinbindung abhängt) mitdem Vorteil einer rotierenden Bewegung. Als Wirkungsgrad bei einer Arbeitsgastemperatur vonetwa 850° C und einem Systemdruck von 7 bar a können etwa 40 bis 50 % erreicht werden, beieiner Arbeitsgastemperatur von ca. 1200° C durch eine interne Verbrennung etwa 50 bis 60 %angegeben werden, in etwa gleich hoch wie ein isothermenähnlicher Prozess bei etwa 800° C,wo aber die Leistungsausbeute gegenüber einer polytropen Expansion von 1200°C bei gleicherBaugröße geringer ausfällt.

[0011] Ein gewisser Nachteil besteht darin, dass hier unterschiedliche Wärmedehnungen imGehäuse und dem Rotor bzw. der Zellenwände vorhanden sind, sodass bei einer Minimierungder Spaltverluste das Gehäuse auf etwa 300 bis 400° C gekühlt (expandiertes Arbeitsgas oderThermalöl) werden sollte und dadurch ein gewisser Wärmeverlust entsteht, welcher zwar beimThermalöl für eine Dampferzeugung verwendet und dem Arbeitsgas wieder zugeführt werdenkönnte. Bei der Verwendung von Arbeitsgas steht jedoch im Wesentlichen der gesamte Wär¬mebetrag in Form von erhöhter Temperatur für die Verbrennungsluft bzw. beim Rekuperator zurVerfügung und dadurch die thermischen Verluste minimiert. Eine Möglichkeit die Wärmeverlustenoch zu verringern und doch hohe Arbeitsgastemperaturen zu erreichen, besteht darin, dassdas Gehäuse in Schichten aufgebaut wird. Innen ein Mantel aus hitzebeständigem Stahl, danneine Isolierschicht aus Feuerfestmaterial und außen der Mantel aus Normalstahl, welcher dieKräfte aus Druck und der Wärmedehnungen aufnimmt. Es sind in der Regel auch unterschiedli¬che Werkstoffe von Rotor (Normalstahl) und für die Zellenwände (hitzebeständiger Stahl) vor¬gesehen, wo die Wärmedehnungskoeffizienten (1,2 für Normalstahl, 1,8 mm / 100° C.m fürhitzebeständigen Stahl) und auch die Temperaturen stark unterschiedlich sind, sodass einAufheizen des Motors bzw. der Zellenwände und des Gehäuses ohne Last erforderlich ist,damit sich die temperaturbedingten berücksichtigten Spalte vor allem bei den Zellenwändenzum Gehäuse radial und axial schließen und der Leistungsbetrieb erfolgen kann. Da die sicheinstellenden Temperaturen und damit die Wärmedehnungen der Zellenwände im Betriebzumindest bei der Erstausführung nur ungenügend festgestellt werden können, kann ein gewis¬ser Spalt vorab vorgesehen werden, die endgültige Ablängung aber im Betrieb durch eineSchnittkante aus Hartmetall im Bereich der Seitenwand der ausgefahrenen Zellenwände ange¬bracht werden, welche noch eine vorhandene Überlänge durch Wärmedehnung wegschabt undso ein genau definierter geringer Spalt in axialer Richtung vorliegt.

[0012] Die Zellenwände sind kühlbar gestaltet in Form eines Luftquerstromes in den Rotornu¬ten, 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 Luft abgeleitetwird, getrennt davon die Kühlluft für die Bolzen der Zellenwände, welche über Nuten im Rotorund 2 Bohrungen in der Zellenwand zu den Bolzen zugeführt wird um die Kühlung und einenSchmierfilm bei den Nadellagern zu gewährleisten. Der Wärmeverlust über das Gehäuse ist wiebei fast jeder thermodynamischen Kraftmaschine zum Einen durch die Differenztemperatur von

Wand und Arbeitsgas und durch das Verhältnis von Oberfläche der einzelnen Zellen zum Zel¬lenvolumen abhängig, wo größere Einheiten einen deutlichen Vorteil aufweisen. Bei einemSchichtaufbau der Gehäusewand ist gut möglich, dass auch das Innengehäuse mit einer Tem¬peratur von etwa 600° C oder höher (Beständigkeit von hitzebest. Stahl ohne Festigkeitserfor¬dernis bis etwa 1100° C) in etwa den genannten Bereich gehalten wird, es kommt dann daraufan, welche Temperatur der Außenmantel aufweist und damit die Dehnungsspalte im Inneren,da die Innenschicht aus hitzebeständigem Stahl in gewisser Weise durch den tragenden Au¬ßenmantel eingeengt wird und nicht mit dem höheren Wärmedehnkoeffizienten gegenüberNormalstahl sich dehnen kann. Der Motor ist bei entgegengesetzter Drehrichtung oder Anord¬nung von Ein- und Austritt spiegelbildlich auch als Kompressor verwendbar, wo hinsichtlichLänge das Verhältnis der spez. Volumina von Ansaugluft und Austrittsgas nach dem Motorheranzuziehen ist. Es könnte auch ansonsten ein Generator mit 2 Wellenstummel verwendetwerden, wo jeweils am einen der Motor und am anderen der Kompressor hängt.

[0013] Hinsichtlich Verfahrensführung kann sowohl jener im Patent AT 501 504 B 1 2009-05-15angeführten mit dem Arbeitsgas Luft mit der Wärmeeinbringung indirekt über einen Hochtempe¬raturwärmetauscher verwendet werden und hier zur Wiederholung kurz angeführt werden:Isothermenähnliche Kompression durch Wassereindüsung in Ansaugluft, Vorerwärmung desArbeitsgases in einem Niedertemperaturwärmetauscher, Wärmezufuhr in einem Hochtempera¬turwärmetauscher, Expansion im Motor, Verwendung des expandierten Gases als Gehäuse¬kühlluft und anschließend als Verbrennungsluft für das Hackgut, wo nach dem Austritt aus demMotor bzw. des zu kühlenden Gehäuses diese als Verbrennungsluft verwendet wird, aber auchin der Richtung, dass hier ein Gasturbinenprozess mit Rekuperator zum Einsatz kommt. VomPrinzip des Motors möchte ich darauf hinweisen, dass dieser für eine isothermenähnliche Ex¬pansion, mit den höchsten Wirkungsgraden geeignet erscheint, wenn hier am Gehäuseumfangwährend der Expansion an mehreren Stellen ein gasförmiger Brennstoff zugeführt würde, aberauch Holzstaub, welcher eine Korngröße aufweist, dass dieser im Zeitintervall über den Bereichder Expansion verbrennt oder aber auch wie der gasförmige Brennstoff an mehreren Stellenzugeführt wird. Da an das Gas keine besonderen Ansprüche gestellt sind, kann auch grob vonAsche gereinigtes Gas aus einer autothermen Holzvergasung unter Druck (z. B. Flugstromver¬gasung) verwendet werden, mit dem Vorteil, dass nicht wie üblich bei Hubkolbenmotoren dasGas gekühlt werden muss (Kaltgaswirkungsgrad bei ca. 80%), sondern ungekühlt dem Motorzugeführt werden kann, dies zumindest gegenüber dem Hubkolbenmotor eine um ca. 10 bis 15% bessere thermische Ausbeute aus dem Holz bzw. der Gesamtanlage bringt. Es ist zumindesteine Wärmezufuhr mit mehreren Zwischenerhitzungen des Arbeitsgases Luft oder Rauchgasmit hohem Luftüberschuss ohne größeren Aufwand möglich. Die Festlegung des Druckes fürdie Kompression und Expansion ist durch Verschieben der Einlass - bzw. Austrittskante mög¬lich. BEZEICHNUNGEN IN ZEICHNUNGEN FIG. 1 UND FIG. 2 1 Rotorwelle mit Passfedern 2 Festlager 3 Loslager 4 Rotor 5 Bewegliche Zellenwände 6 Gekühlter Bolzen 7 Rolle mit Nadellager 8 Nut zur Zwangsführung 9 Gehäuse 10 Flansch 11 Kühlmantel 12 Kühlmedium 13 Rippen zur Oberflächenvergrößerung 14 Seitenwand mit Kühlmantel 15 Nuten für Labyrinthdichtungen 16 Gehäusedeckel für Abdichtung 17 Fettverteilring 18 Bohrung Kühlluft Bolzen 19 Bohrung Kühlluft Querstrom 20 Bohrung Abfuhr Kühlluft 21 Wälzkörper für Zellenwände 22 Rollenkäfig 23 Dichtleisten mit Labyrinthdichtung 24 Abdeckblech für Isolierung 25 Isolierung 26 Schächte Arbeitsgaseintritt 27 Auslassstutzen entspanntes Arbeitsgas 28 Isolierung für Kühlmantel 29 Grundplatte 30 Nuten 31 Bleche NÄHERUNGSWEISE BERECHNUNG DES WIRKUNGSGRADES: [0014] Ausgangsdaten: Stationäre Anlage betrieben mit Holzhackgut, Rotordurchmesser 540mm, Rotorlänger 500 mm, Gehäusedurchmesser 600 mm, Exzentrizität 30 mm, Vorerhitzungdurch NT - Wärmetauscher auf ca. 400° C, in Hochtemperatunwärmetauscher bis ca. 850° C,Drehzahl 750 bis 1000 U / min, Leistung Grundstufe ca. 80 KW (750 U / min), Ausbaustufe bisca. 110 KW (ca. 1000 U / min), Verdichtungsdruck 7 bar abs., Hackgutzufuhr ca. 3,5 % vonGesamtluftmassestrom, Wasserzufuhr für isothermenähnliche Kompression ca. 5 %, [0015] Ich ersuche hier zu bedenken, dass die hier gewählten Parameter beispielsweise her¬ausgegriffen sind, wo es hinsichtlich der Wahl von Druck und Temperatur eine Vielzahl ver¬schiedener Kombinationen gibt, die naturgemäß zu einem anderen Ergebnis führen. Zudem istbei dem gewählten Druck von 7 bar bei der Kompression die Gasaustrittstemperatur in einemBereich von ca. 400° C mit einer Eintrittstemperatur von ca. 850° C wo für den Niedertempera¬tur WT überwiegend Normalstahl verwendet werden kann, dies sich günstig auf die Kostenauswirkt. Die angegebenen Werte für die Wärmezufuhr über die spezifische Wärmekapazitätbei konstantem Druck (cpm12) können grundsätzlich der Volumsänderungsarbeit und demGleichdruckanteil bzw. der technischen Arbeit bei der Expansion gleichgesetzt werden (qzu12 =w12), wo durch die Berücksichtigung der Kompressionsarbeit der theoretische Wirkungsgradermittelt werden kann. Üblicherweise Ansauglufttemperatur mit 0° C gerechnet, hier 20° C umden Gegebenheit besser zu entsprechen. Für die isothermenähnliche Kompression mit einerWassereindüsung ist ein Temperaturanstieg erforderlich, um die Sättigungsgrenze nicht zuunterschreiten und liegt bei 7 bar abs. bei ca. 85° C. Die wesentlichsten Faktoren für den Wir¬kungsgrad sind der gewählte Systemdruck und die Arbeitsgastemperatur zum Motoreintritt undnatürlich die Prozessführung.

[0016] 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 % Massezu¬fuhr errechnet und auch am Zellenradmotor zur Arbeitsgewinnung zur Verfügung stehen. DieZufuhr des Wasserdampfes aus der Kompression erfolgt mit etwas Energieaufwand, da hierdas Wasser über den Kolbenweg verdunstet und diese Masse unter Leistungsaufwand verdich¬tet werden muss (über den Weg betrachtet ca. 0,5 der eingedüsten Masse). Die in der Rech¬nung verwendeten Werte für die mittlere spez. Wärmekapazität stammen aus Tabellen ein¬schlägiger Fachliteratur.

[0017] Feuchtigkeitseintrag: ca. 5 % Wasserzufuhr durch Wassereindüsung in Ansaugluft.Zusätzlich könnten etwa ca. 1,5 % Wasserzufuhr durch Wasserverdunstung durch Temperatur¬differenz am Rekuperator, sowie der zusätzlichen Massezufuhr für die Verbrennung, dieseWerte jedoch noch nicht als vollständig abgesichert zu betrachten sind, möglicherweise auchnur insgesamt 6,5 % Feuchtigkeitseintrag gerechnet 5 %.

[0018] Isothermenähnliche Kompression bis 7 bar abs: [0019] W = R x T x In p1/p2 = [0020] 0,2872 kJ / kg.K x 293 K x In 1 / 7 = -163,7 kJ / kg (t = 20<€) [0021] 0,2872 kJ / kg.K x 353 K x In 1 / 7 = -197,2 kJ / kg (t = 85°C) [0022] Arithmetisches Mittel: -180,5 kJ / kg (- = zuzuführende Energie) [0023] Kompression Wasserdampf: [0024] im Verhältnis der Gaskonstanten Wasser 0,4615 kJ / kg.K, w = - 290 kJ / kg (100 %) [0025] Annahme Wasseranteil gesamt ca. 5 % (fällt mit zunehmenden Weg als Gas an, daheretwa Hälfte der Gasmenge über Gesamtverdichtung) - 290 kJ / kg x 0,025 = 7,2 kJ / kg [0026] Verdichtung gesamt: 180,5 kJ / kg + 7,2 kJ / kg = 187,7 kJ / kg [0027] Verdichtung Luft für Kühlluftbedarf ca. 5 % und Massezufuhr Holz ca. 3,5 % = 187,7 kJ / kg x 1,085 = ca. 205 kJ / kg [0028] Heißluftmotor: (5 % Wasserdampf aus Kompression + ca. 1,5 % Wasserdampf ausWärmeüberhang durch zusätzliche Restwärme Gasmasse aus Verbrennung und Temperatur¬differenz am Rekuperatoraustritt + etwa 3,5 % zusätzliche wirksame Masse durch Holzmasseaus der Verbrennung, wo eine zusätzliche Luftmasse erwärmt werden kann, jedoch auch dieentsprechende Luft komprimiert werden muss) [0029] Verwendung Polytropenexponent (n = 1,34... Rauchgas praktisch vorhanden) statt Isen-tropenexponent (Kappa 1,4 Luft) [0030] Arbeitsgastemperatur 850 °C, Systemdruck 7 bar abs. Zellenradmotor [0031] Isobare Wärmezufuhr: qzu12 = cpm12 x (T1 - T2) [0032] Temperatur Ende Expansion der Polytrope: [0033] T2 = T1 x (p2/p1) hoch n -1 / n (0,2537)

[0034] 1123 x 1/7 hoch 0,2537 = 685 K = 412° C

[0035] cpm12 = (cpm1 x t1) - (cpm2 x t2) / (t1 -12) = 1,077 kJ / kg.K x 850° C -1,030 kJ/kg.Kx412oC/(850°C-412°C) = 491 /438= 1,121 kJ/kg.Kqzu12 = cpm12 x (T1 -T2) = 1,121 kJ / kg.K x 438 K = 491 kJ/kg = w12 [0036] Erwärmung und Expansion mit 5 % Wasserdampfanteil im Verhältnis der spez. Wärme¬kapazität = x 2 qzu12 Wasserdampf = 491 kJ / kg x 0,05 x 2 = 49,1 kJ / kg [0037] Anteil von 3,5 % Massezufuhr durch Brennstoff = 491 kJ / kg x 1,035 = 508 kJ / kg [0038] Gesamt: 508 kJ / kg + 49 kJ / kg = 557 kJ / kg, Kompression 205 kJ / kg [0039] Wirkungsgrad = Nutzarbeit zugeführte Wärmemenge =

Expansionsarbeit - Kompressionsarbeitzugeführte Wärme [0040] Wirkungsgrad: (557 kJ / kg - 205 kJ / kg / (558 kJ / kg) = 352 kJ / kg / 557 kJ / kg = 0,632 [0041] Ungefähre Berücksichtigung des Isentropenwirkungsgrades und Wärmeüberganges andie Zylinderwand mit Labyrinthdichtungen ca. 0,92 [0042] 557 kJ / kg x 0,92 = 512 kJ / kg, Differenz 44,5 kJ / kg [0043] Theoretischer Wirkungsgrad mit vorhandener Abminderung: [0044] 512 kJ / kg - 205 kJ / kg / 512 kJ / kg = 307 kJ / kg / 512 kJ / kg = 0,599 [0045] Gasstromerwärmung: ist im Normalfall identisch mit Expansionsarbeit der Isentrope bzw.Polytrope und des Gleichdruckanteiles beim Gaseintritt und isobarer Gasstromerwärmung. Hierist noch zu berücksichtigen, dass der zugeführte Brennstoff (ca. 3,5 % Masseanteil) auch einenErwärmungsbedarf von 30° C auf ca. 412° C mit ca. 10 kJ / kg (darüber in Berechnung im Er¬wärmungsbedarf Brennstoffanteil berücksichtigt) aufweist hier durch die Vergrößerung derWärmezufuhr um 3,5 % wie die Expansionsarbeit berücksichtigt ist. Beim Rekuperator ist nocheine Temperaturdifferenz (ca. 35° C) mit ca. 35 kJ / kg zu berücksichtigen, daher der Gesamt¬wärmebedarf bei [0046] Zellenradmotor isobare Wärmezufuhr bis 850° C, (Polytropenexponent n = 1,34 sowieFeuchtigkeit verbleibt in Luftstrom) [0047] 512 kJ / kg - 205 kJ / kg / (512 + 35 kJ / kg + 10 kJ / kg) = 307 kJ / kg / 557 kJ / kg =0,551 [0048] Heißluftmotor isobar 850° C, (Polytropenexponent n = 1,34; gerechnet keine Feuchtig¬keit im Luftstrom bei Expansion) [0049] 508 kJ / kg x 0,92 = 467 kJ / kg [0050] 467 kJ / kg - 205 kJ / kg / 467 kJ / kg = 262 kJ / kg / 467 kJ / kg = 0,562 [0051] 262 kJ / kg / (467 kJ / kg + 35 kJ / kg + 10 kJ / kg) = 262 kJ / kg / 512 kJ / kg = 0,512 [0052] Zellenradmotor Arbeitsgastemperatur angenommen 1200° C, (Polytropenexponent n =1,34 sowie Feuchtigkeit verbleibt in Luftstrom) [0053] Isobare Wärmezufuhr: qzu12 = cpm12 x (T1 - T2) [0054] Temperatur Ende Expansion der Polytrope: [0055] T2 = T1 x (p2/p1) hoch n - 1 / n (0,2537)

[0056] 1473 x 1/7 hoch 0,2537 = 899 K = 626 °C

[0057] cpm12 = (cpm1 x t1) - (cpm2 x t2) / (t1 -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.Kqzu12 = cpm12 x (T1 - T2) = 1,17 kJ / kg.K x 574 K = 672 kJ / kg = w12 [0058] Erwärmung und Expansion mit 5 % Wasserdampfanteil im Verhältnis der spez. Wärme¬kapazität = x 2 qzu12 Wasserdampf = 672 kJ / kg x 0,05 x 2 = 67,2 kJ / kg [0059] Anteil von 3,5 % Massezufuhr durch Brennstoff = 672 kJ / kg x 1,035 = 695 kJ / kg Ge¬samt: 695 kJ / kg + 67,2 kJ / kg = 762,2 kJ / kg, Kompression 205 kJ / kg [0060] Wirkungsgrad = Nutzarbeit zugeführte Wärmemenge =

Expansionsarbeit - Kompressionsarbeitzugeführte Wärme [0061] Wirkungsgrad: (762 kJ / kg - 205 kJ / kg / (762 kJ / kg) = 557 kJ / kg / 762 kJ / kg = 0,731 [0062] Ungefähre Berücksichtigung des Isentropenwirkungsgrades und Wärmeüberganges andie Zylinderwand mit Labyrinthdichtungen ca. 0,92 [0063] 762 kJ / kg x 0,92 = 701 kJ / kg, Differenz 61 kJ / kg [0064] Theoretischer Wirkungsgrad mit vorhandener Abminderung und Erwärmungsbedarf /Temperaturdifferenz Rekuperator: [0065] 701 kJ / kg - 205 kJ / kg / (701 kJ / kg + 45 kJ / kg) = 496 kJ / kg / 746 kJ / kg = 0,665 [0066] Angenommen isotherme Expansion bei 800 °C und 7 bar abs.

[0067] W = R x T x In p1/p2 = [0068] 0,2872 kJ / kg.K x 1073 K x In 7 /1 = 599,6 kJ / kg (t = 20<G) [0069] Wasserdampfanteil 5 % [0070] 0,4615 x 1073 x In 7 = 963,5 kJ / kg x 0,05 = 48 kJ / kg Gesamt: 647,7 kJ / kg [0071] Angenommen 5 % Verlust durch Reibung und Wärmeverluste: 615,4 kJ / kg [0072] Wirkungsgrad mit Feuchtigkeit [0073] 615,4 kJ / kg - 205 kJ / kg = 410,4 kJ / kg / 615,4 kJ / kg = 0,667 [0074] Wirkungsgrad ohne Feuchtigkeit: [0075] (599,6 - 5 %) 569,6 kJ / kg - 205 kJ / kg = 364,6 kJ / kg / 599,6 kJ / kg = 0,608 [0076] Wirkungsgrad bei 0,5 bar Druckverlust bei 850° C und Feuchtigkeit vorhanden: [0077] 512 kJ / kg - 212 kJ / kg = 300 kJ / kg / 557 kJ / kg = 0,539 x 0,95 (Strom) = 0,512 [0078] Wirkungsgrad bei 0,5 bar Druckverlust bei 850° C und keine Feuchtigkeit vorhanden: [0079] 467 kJ / kg - 212 kJ / kg = 255 kJ / kg / 512 kJ / kg = 0,498 x 0,95 (Strom) = 0,473 [0080] Wirkungsgrad bei 0,5 bar Druckverlust bei 1200°C und Feuchtigkeit vorhanden: [0081] 701 kJ / kg - 212 kJ / kg = 489 kJ / kg / 746 kJ / kg = 0,655 x 0,95 (Strom) = 0,622 [0082] Wirkungsgrad bei 0,5 bar Druckverlust bei 1200°C und keine Feuchtigkeit vorhanden: [0083] 639 kJ / kg - 212 kJ / kg = 427 kJ / kg / 684 kJ / kg = 0,624 x 0,95 (Strom) = 0,593 [0084] Wirkungsgrad bei 0,5 bar Druckverlust bei isothermen Expansion bei 800° C und Feuch¬tigkeit vorhanden: [0085] 615,4 kJ / kg - 212 kJ / kg = 403,4 kJ / kg / 615, 4 kJ / kg = 0,655 x 0,95 (Strom) = 0,622 [0086] Wirkungsgrad bei 0,5 bar Druckverlust bei isothermen Expansion bei 800° C und keineFeuchtigkeit vorhanden: [0087] 569,6 kJ / kg - 212 kJ / kg = 357,6 kJ / kg / 569,6 kJ / kg = 0,628 x 0,95 (Strom) = 0,593 [0088] Masseströme bei jeweiligen Austrittstemperaturen 1 bar abs. / 7 bar ohne Feuchtigkeit [0089] 412° C: v = 1,94 m3 / kg, Massefluss: 0,346 kg / sec bei 750 U / min, Strom: 83,8 KW(850 °C) [0090] 626° C: v = 2,55 m3 / kg, Massefluss: 0,263 kg / sec bei 750 U / min, Strom: 107 KW(1200° C) [0091] 800° C: v = 3,05 m3 / kg, Massefluss: 0,22 kg / sec bei 750 U / min, Strom: 78,8 KW(800 °C)

[0092] Isotherme Expansion mit Feuchtigkeit: 88,7 KW; bei 1000 U / min = 118,3 KW

[0093] Isotherme Expansion ohne Feuchtigkeit: 78,8 KW; bei 1000 U / min = 105,1 KW

[0094] Drehzahl 750 U / min: 103,8 KW (850°C) 128,6 KW (1200°C) Feuchtigkeit

[0095] Heizleistung m. Feuchte: 194,4 KW 196,2 KW

[0096] Ohne Feuchtigkeit: 83,3 KW (850°C) 107 KW (1200°C)

[0097] Heizleistung o. Feuchte: 177 KW 179,8 KW

[0098] Drehzahl 1000 U / min: 138,4 KW (850° C) 171,4 KW (1200°C) Feuchtigkeit

[0099] Heizleistung m. Feuchte: 259,6 KW 261,6 KW

[00100] Ohne Feuchtigkeit: 111 KW (850 °C) 142,6 KW (1200°C)

[00101] Heizleistung o. Feuchte: 236 KW 239,7 KW

[00102] (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), EineBaugröße mit doppelten Abmessungen wie eingangs angeführt, würde sich die Nutzleistung imBereich von etwa 700 bis 800 KW bewegen.

[00103] Der erzielbare Wirkungsgrad mit dem Feuchtigkeitsgehalt im Arbeitsgas ist bei denjeweiligen Temperaturen um etwa 4 % abs. höher im Vergleich zu Arbeitsgas ohne Feuchtig¬keitsgehalt. Der Wirkungsgrad steigt auch mit der Arbeitsgastemperatur um etwa 5 % je 100° Chöherer Arbeitsgastemperatur. Gewählt auf Grund der technischen Voraussetzungen System¬druck 7 bar, Arbeitsgastemperatur ca. 800 bis 850° C mit Einbringung der Wärme über Hoch¬temperaturwärmetauscher, darüber hinausgehende Temperaturen sind nur durch direkte Ein¬bringung des Brennstoffes in das Arbeitsgas möglich.

[00104] 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 [00105] 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 des Genera¬torwirkungsgrades wurden 0,95 in Ansatz gebracht. Der Gesamtnutzungsgrad bei vollständigerWärmenutzung beträgt etwa 85 %. Bei Verwendung eines Systemdruckes mit 8 bar abs. mit derArbeitsgastemperatur von 850° C liegt die Austrittstemperatur je nach Polytropenexponentenbei ca. 350° C, dies für die Kühlung des Gehäuses verwendet werden könnte.

Claims (5)

1. Patentansprüche 1. Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach dem Grundprinzip eines Lamellenverdich¬ters mit einem exzentrisch zur Gehäuseachse gelagerten Rotor (4) mit radial beweglichenZellenwänden (5), welche in einer Nut in den Seitenwänden (8) über jeweils 2 mit Rollen(7) versehenen Bolzen zwangsgeführt sind und somit von der Gehäusewand (9) beab-standet sind, wobei die sich bei Drehung des Rotors ergebenden erweiternden Zellenvolu¬men für die Einbringung des heißen und unter Druck stehenden Arbeitsgases über einenabgestimmten Drehwinkel nutzbar sind und das Arbeitsgas unter Nutzleistungsgewinnungauf Umgebungsdruck entspannen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzen (6) derZwangsführung und die Lagerung der Zellenwände (5) durch eine Kühlluftzufuhr bei einerBohrung (18) und dass die Zellenwände (5) durch einen, von dieser Kühlluftzufuhr getrenn¬ten Luftquerstrom kühlbar sind, der über eine erste Bohrung (19) in der Seitenwand (14),welche durch Bleche (31) in dem Spalt zwischen Rotor (4) und Seitenwand (14) geteilt istund über Nuten (30) im Rotor (4) einströmt und über eine zweite, auf der der ersten Boh¬rung (19) gegenüberliegenden Seitenwand (14) liegende Bohrung (20) abgeleitet ist.
2. 2. Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die zwangsgeführten Zellenwände (5) in den Nuten des Rotors (4) für die Minimierungder Reibung auch in Radialrichtung mittels Wälzkörpern (21) gelagert sind, welche in ei¬nem funktionsmäßig bei Wälzlager ähnlichen Käfig (22) geführt sind.
3. 3. Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬zeichnet, dass die Zellenwände (5) zum Gehäuse (9) hin mit einer Labyrinthdichtung (15)ausgestattet sind, um die Spaltverluste möglichst gering zu halten.
4. 4. Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurchgekennzeichnet, dass je zwei Leisten je Zellenwand (5) mit einer Labyrinthdichtung amRotorumfang (15) vorgesehen sind, welche gegenüber dem Arbeitsgas in der Zelle die Ab¬dichtung hin zu den Rotorspalten übernimmt.
5. 5. Zellenradmotor für den stationären Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurchgekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen Rotor (4) und Innenradius der Zellen¬führung mittels einer Isolierung (25) versehen ist, um den Wärmeabfluss vom Arbeitsgas inden Zellen zum Rotor (4) möglichst klein zu halten. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen