Vorrichtung zur Energieerzeugung unter Ausnutzung der Temperaturdifferenz zweier Medien
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieerzeugung unter Ausnutzung der Temperaturdifferenz zweier Medien, mit einem ersten Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen einem ersten Medium und einem Treibmittel, mit einem durch das Treibmittel angetriebenen Motor, mit einem zweiten Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen einem zweiten Medium und dem Treibmittel und mit einer Treibmittelpumpe zum Umwälzen des Treibmittels, die in dieser Reihenfolge miteinander verbunden sind.
Herkömmliche Vorrichtungen zur Energieerzeugung, die mit konventionellen Brennstoffen, wie Kohle, Öl oder Vergaserkraftstoff arbeiten, bereiten insbesondere wegen der in ihrem Abgas enthaltenen Bestandteile Schwierigkeiten. So nimmt die Luftverschmutzung durch Russ, Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd, schwefelhaltige Gase und andere schädliche Elemente in den letzten Jahren mit steigendem Energiebedarf immer mehr zu, und es sind erhebliche Aufwendungen erforderlich, die Verschmutzung auf ein erträgliches Mass herabzudrücken. Bei mit Kernenergie betriebenen Energieerzeugungsanlagen besteht die Gefahr der Luftverschmutzung zwar nicht, jedoch treten hier andere Probleme auf, insbesondere hinsichtlich des Strahlungsschutzes und der Beseitigung der bei der Kernspaltung erzeugten radioaktiven Abfallprodukte.
In der französischen Patentschrift Nr. 1 144 337 ist eine Vorrichtung zur Energieerzeugung beschrieben, die unter Ausnutzung der Temperaturdifferenzen in höheren und tieferen Schichten des Meerwassers arbeitet.
Diese Vorrichtung enthält einen an der Meeresoberfläche angeordneten Wärmetauscher, einen Motor, einen an einer tieferen Stelle des Meerwassers angeordneten zweiten Wärmetauscher und eine Pumpe, die in dieser Reihenfolge zu einem geschlossenen Kreislauf miteinander verbunden sind. Das in dem geschlossenen Kreislauf enthaltene Treibmittel wird im ersten Wärmetauscher verdampft, treibt den Motor, gelangt vom Motor in den zweiten Wärmetauscher, wo es wieder kondensiert wird, und wird von dort über die Pumpe in den ersten Wärmetauscher zurückgefördert. Bei dieser Vorrichtung ist naturgemäss die erzeugbare Leistung durch das vorhandene Temperaturgefälle begrenzt. Unterschreitet das Temperaturgefälle einen bestimmten, für die Vorrichtung spezifischen Wert, so kann ihr keine Leistung mehr entnommen werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die durch sie erzeugbare Leistung bei gleichem Temperaturgefälle erhöht und das Temperaturgefälle, das wenigstens zur Verfügung stehen muss, weiter abgesenkt wird.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass im Treibmittelkreislauf vor der Treibmittelpumpe eine in einen Treibmittelbehälter mündende, vom Treibmittel durchflossene Kühlschlange angeordnet ist, und dass ein Kühlmittelbehälter die Kühlmittelschlange und den Treibmittelbehälter umgibt, wobei ein Kühlmittel über eine Sprühdüse in den Kühlmittelbehälter zugeführt wird.
Eine vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist gekennzeichnet durch weitere, die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung verbindende Rohrleitungen mit einer ersten und einer zweiten Ventilgruppe, die gegeneinander versetzt so zu öffnen und schliessbar sind, dass das Kühlmittel entweder durch den ersten oder durch den zweiten Wärmetauscher und darauf zurück zum Kühlmittelbehälter strömt und das Treibmittel entweder zuerst durch den ersten Wärmetauscher und darauf durch den Motor oder zunächst durch den zweiten Wärmetauscher und darauf durch den Motor strömt.
Dadurch kann die Strömungsrichtung des Treibmittels im Kreislauf den jeweiligen Temperaturbedingungen der zur Verfügung stehenden Medien angepasst werden, wenn deren Temperaturen, tages- oder jahreszeitlich bedingt, Schwankungen unterliegen, so dass abwechselnd die Temperatur des einen Mediums die des anderen übersteigt.
Besteht beispielsweise das eine der beiden Medien aus Luft und das andere aus Wasser, so besteht der er ste Wärmetauscher zweckmässigerweise im wesentlichen aus einer vom Treibmittel durchströmten Rohrschlange, einer vom Kühlmittel durchströmten Rohrschlange und einem Gebläse zum Anblasen der Rohrschlangen, und der zweite Wärmetauscher im wesentlichen aus einer vom Treibmittel durchströmten Rohrschlange und einer vom Kühlmittel durchströmten Rohrschlange, die beide in einem Behälter angeordnet sind, durch den das zweite Medium geführt wird. Hierbei kann zur Verbesserung des Wärmeaustausches im ersten Wärmetauscher vor dem Gebläse ein saugfähiges Kissen angeordnet sein, das an den Behälter des zweiten Wärmetauschers angeschlossen ist.
Für den Fall, dass die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Medien unter Umständen nicht zur Energieerzeugung ausreichen sollte, kann in die Vorrichtung eine Hilfsheizeinrichtung eingeführt werden, die vorzugsweise aus einer vom Treibmittel durchströmten Schlange und einem Brenner besteht und durch die Ventile der Ventilgruppen jeweils zwischen den vom Treibmittel zuerst durchflossenen Wärmetauscher und den Motor schaltbar ist.
Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Energieerzeugung werden Verbrennungsrückstände jeglicher Art im allgemeinen von vornherein vermieden und sie arbeitet sowohl bei geringen Leistungen, die zum Betrieb von Fahrzeugen oder auch Modellfahrzeugen ausreichen, als auch bei grössten Leistungen, wie beispielsweise in Kraftwerkanlagen, wirtschaftlich und ohne Störungen.
Die Erfindung sowie zweckmässige und wirtschaftliche Ausgestaltungen derselben werden im folgenden anhand der in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Energieerzeugung, die unter bestimmten Bedingungen arbeitet;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung ähnlich der der Fig. 1, wobei die Arbeitsbedingungen der Vorrichtung geändert sind;
Fig. 3 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer in der Vorrichtung zur Energieerzeugung verwendeten Treibmittelpumpe;
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht eines in der Vorrichtung venvendeten umlaufenden Motors; und
Fig. 5 schematisch einen Querschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4 und
Fig. 6 ein T-S-Diagramm zur Erläuterung des Progressverlaufs der Vorrichtung.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Energieerzeugung arbeitet unter verschiedenen Bedingungen. Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist die Temperatur der zur Verfügung stehenden Luft höher als die des zur Verfügung stehenden Wassers, dagegen ist bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung die Temperatur des zur Verfügung stehenden Wassers höher als die Temperatur der zur Verfügung stehenden Luft. In jedem Fall kann die Vorrichtung so betrieben werden, dass sie bei einem Temperaturunterschied zwischen Luft und Wasser von mehr als etwa 5,50 C (10 F) nutzbare Energie erzeugt.
Ist die Differenz geringer oder die erforderliche Ausgangsleistung höher, so wird zur Ergänzung der natürlichen Temperaturdifferenzen zwischen Luft und Wasser eine sekundäre Wärmeübertragungsvorrichtung verwendet. Ferner kann erforderlichenfalls dem Treibmittel in der Primärvorrichtung Wärme zugeführt werden. In jedem Fall wird dem Treibmittel Wärme zugeführt, bevor dieses zum Antrieb eines Motors verwendet wird, um einen Teil der Energie des Treibmittels in mechanische Energie umzuwandeln. Das abgeführte Treibmittel wird anschliessend gekühlt, bevor es wieder zurückgeleitet wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sei angenommen, dass zwischen Luft und Wasser eine Temperaturdifferenz von etwa 5,6 C besteht. Die Lufttemperatur beträgt etwa 28,9 C (84 F), die Wassertemperatur etwa 23,3 C (740 F). Unter diesen Bedingungen sind sämtliche gradzahlig bzw. mit V2 bezeichneten Ventile offen und sämtliche ungradzahlig bzw. mit V1 bezeichneten Ventile geschlossen. Das Treibmittel besteht zweckmässigerweise aus einem Fluid, das bei geringer Temperaturdifferenz eine möglichst hohe Wärmekapazität aufweist. Es kann also beispielsweise aus Freon 22 bestehen. Das Treibmittel befindet sich in einem Treibmittelbehälter 10, und zwar bei einer Temperatur von etwa 4,4 C (400 F) und einem Druck von etwa 4,8 kg/cm2 (68 psig).
Das Treibmittel wird aus dem Treibmittelbehälter 10 über eine Leitung 12 abgeführt und durch eine Treibmittelpumpe 14 komprimiert, die im folgenden noch genauer beschrieben werden soll. Das Treibmittel wird darauf durch Leitungen 16 und 18 und eine Schlange 20 gepumpt, über die mittels eines Gebläses 22 Umgebungsluft geblasen wird. Das Treibmittel wird darauf durch die Leitungen 24, 26 und 28 zu einer Schlange 30 geführt, in der gewünschtenfalls mittels einer Energiequelle, beispielsweise eines Brenners 32 zusätzliche Wärme zugeführt werden kann. Das Treibmittel wird darauf bei einer Temperatur von etwa 37,80 C (1000 F) und einem Druck von etwa 13,8 kg/cm2 (196 psig) durch eine Leitung 34 zu einem Motor 36 geleitet.
Hier gibt das Treibmittel einen Teil seiner gespeicherten Energie in Form von mechanischer Energie ab, die auf die Flächen von Rotorflügeln in demselben wirken. Der Motor soll weiter unten noch genauer beschrieben werden. Das expandierte Treibmittel mit einer Temperatur von etwa 26,70 C (80 F) und einem Druck von etwa 10 kg/cm2 (143 psig) wird über eine Leitung 38 aus dem Motor abgeleitet, von wo es über eine Leitung 40 zu einer wassergekühlten Schlange 42 in einem geeigneten Behälter 44 geführt wird.
Nach dem Durchlauf durch die Schlange 42 liegt die Temperatur des Treibmittels bei etwa 24,40 C (76 F) und der Druck bei etwa 9,4kg/cm2 (134 psig), wenn die Temperatur des im Behälter 44 verwendeten Wassers etwa 23,3 C (74 F) beträgt. Das Treibmittel wird darauf durch Leitungen 46 und 48 und eine Schlange 50 in einen Kühlmittelbehälter 52 geführt. Danach wird es wieder in den Treibmittelbehälter 10 eingeleitet (siehe hiezu Fig. 6).
Wird Wasser als Wärmequelle und Luft als Kühlmittel verwendet, so sind die mit V2 bezeichneten Ventile im Primärsystem geschlossen und die mit V1 bezeichneten Ventile geöffnet, (Fig. 2). Die Wassertemperatur soll dabei etwa 23,3 C (740 F) und die Lufttemperatur etwa 17,8 C (64 F), die Temperatur des flüssigen Treibmittels etwa 4,4 C (40 F) und sein Druck etwa 4,8 kg/cm2 (68 psig) betragen. Das Treibmittel wird wiederum mittels der Treibmittelpumpe 14 aus dem Treibmittelbehälter 10 abgeführt, in diesem Fall jedoch durch eine Leitung 54 zur Schlange 42 im Behälter 44 geleitet, der Wasser mit einer Temperatur von etwa 23,3 C (740 F) enthält.
Das Treibmittel wird durch eine Leitung 56 zur Schlange 30 und nach zusätzlicher Erwärmung durch den Brenner 32 darauf zum Motor 36 geleitet. In den Motor tritt es mit einer Temperatur von etwa 34,4 C ((94 F) und einem Druck von etwa 12,6 kg/cm2 (179 psig) ein. Das abgeführte Treibmittel, Temperatur etwa 23,30 C (74 F), Druck etwa 9,1 kg/cms (130 psig) wird darauf durch die Auslassleitung 38 und eine Leitung 58 zur Primärschlange 20 geleitet, über die Luft mit einer Temperatur von etwa 17,80 C geführt wird. Das Treibmittel wird darauf durch eine Leitung 60 und die Leitung 48, sowie durch die Schlange 50 geführt und danach wieder in den Behälter 10 geleitet.
Die Kühlwirkung der Luft kann durch ein saugfähiges Kissen 62 weiter verstärkt werden, das vor der Schlange 20 liegt und aus dem Behälter 44 über eine Leitung 64 mit Wasser versorgt wird, das über eine Leitung 66 abgeleitet wird. Die Luft strömt durch das feuchte Kissen und wird weiter gekühlt, so dass die Kühlwirkung der Schlange 20 erhöht wird. Dadurch werden eine wirkungsvolle Heizung und Kühlung zwischen Wasser und Luft erreicht, obwohl die Temperaturdifferenz gering ist.
Reicht die Temperaturdifferenz zwischen Luft und Wasser nicht aus oder soll mit der Vorrichtung beispielsweise ein Fahrzeug angetrieben werden, so wird zur Ergänzung der Temperaturdifferenz der Primärvorrichtung zweckmässig eine Sekundärvorrichtung verwendet. In Fig. 1, wo die Luft wärmer ist als das Wasser, sind sämtliche Ventile V2 in der Sekundärvorrichtung geöffnet. In dieser Vorrichtung wird vorzugsweise ein Treibmittel verwendet, das einen geringeren Drucksprung im benötigten Temperaturbereich aufweist als das in der Primärvorrichtung, also beispielsweise Freon 11. Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, wird ein Treibmittel im Kühlmittelbehälter 52 durch eine Leitung 68 zu einem Kompressor 70 geleitet.
Das Kühlmittel, dessen Temperatur bei etwa 4,4 C (40 F) und einem Druck von etwa 0,5 kg/cm2 (7 psig) liegt, wird auf etwa 65" C (1500 F) bei etwa 3,7 kg/cm2 (53 psig) komprimiert. Es wird dann durch die Leitungen 72 und 74 zu einer Sekundärschlange 76 vor der Schlange 20 geleitet. Das Kühlmittel heizt die Luft auf, bevor diese die Schlange 20 berührt, so dass die Heizwirkung des Treibmittels in der Primärvorrichtung wesentlich erhöht wird.
Das Kühlmittel verlässt die Sekundärschlange 76 mit einer Temperatur von etwa 37,8 C (1000 F) und einem Druck von etwa 1,7 kg/cm2 (24 psig) und wird über die Leitungen 78 und 80 zu einer Sprühdose 82 geleitet, durch die es auf den niedrigen Druck im Kühlmittelbehälter 52 expandiert, von wo es wieder in den Kreislauf eingeführt werden kann.
Die Sekundärvorrichtung kann ebenso bei dem in Fig. 2 gezeigten Fall eingesetzt werden, wo das Wasser als Wärmequelle und die Luft als Kühlungsquelle dient.
Das Kühlmittel wird wiederum mit Hilfe des Kompressors 70 über die Leitung 68 aus dem Kühlmittelbehälter 52 abgeführt. In diesem Fall fliesst das Kühlmittel durch die Leitung 72 und eine Leitung 84 zu einer Sekundärschlange 86 im Wasserbehälter 44, wo es das Wasser und das Treibmittel in der Schlange 42 der Primärvorrichtung weiter aufheizt. Das Kühlmittel fliesst darauf durch eine Leitung 88 und die Leitung 80 zur Sprühdü se 82, wo es über die Schlange 50 im Behälter 52 ge sprüht wird und darauf wieder in den Kreislauf eingeführt werden kann.
Durch die besondere Ausbildung der Treibmittelpumpe 14 wird der Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung wesentlich erhöht. Die Pumpe wird durch das Treibmittel auf der Hochdruckseite des Motors 36 angetrieben, wobei es zur Niederdruckseite des Motors abgeführt wird. Wie in Fig. 3 gezeigt, besteht die Pumpe 14 aus zwei Einheiten 90 und 92, die Zylinder 94 und 96 sowie Kolben 98 und 100 aufweisen, die durch eine gemeinsame Schubstange 102 miteinander verbunden sind. Durch die Kolben 98 und 100 werden die Zylinder 94 und 96 in Kammern unterteilt, die mit A, B, C und D bezeichnet sind. Der Treibmittelstrom zu den vier Kammern wird durch ein Vierwegeventil 104 reguliert, dessen Ventilkörper durch eine elektromagnetische Spule 106 gesteuert werden kann. Diese wird durch einen geeigneten Zeitgeber periodisch gespeist.
Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, wird das unter hohem Druck stehende Treibmittel durch eine Leitung 108, die in Strömungsrichtung oberhalb des Motors mit der Leitung 34 in Verbindung steht, zum Vierwegeventil 104 zugeführt. Das unter hohem Druck stehende Treibmittel wird über Leitungen 110 und 112 zu den Einheiten 90 und 92 geleitet, wobei die Leitung 110 mit den beiden Kammern B und D und die Leitung 112 mit der Kammer A in Verbindung steht. Die Kammer C steht über Regulier- bzw. Rückschlagventile 114 und 116 mit den Leitungen 12 und 16 in Verbindung, so dass, wenn sich die Kolben in Fig. 3 nach rechts bewegen, Treibmittel in die Kammer C aus der Leitung 12 eingesaugt wird und das Treibmittel komprimiert und durch die Leitung 16 ausgestossen wird, wenn sich die Kolben nach links bewegen.
Der Druck in der Kammer A dient zur Bewegung der Kolben nach rechts und zum Ansaugen des Treibmittels in die Kammer C, während durch den Druck in den Kammern B und D die Kolben nach links gedrückt und das Treibmittel komprimiert wird. Das Vierwegeventil 104 führt das Treibmittel aus den Kammern A, B und D über eine Leitung 117 und zur Leitung 58 auf der Niederdruckseite des Motors 36 ab.
Die Pumpe arbeitet sowohl bei niedrigem als auch bei hohem Druck mit gutem Wirkungsgrad. Zur Erläuterung sei angenommen, dass der Zylinderdurchmesser etwa 20 cm (8 inch) und der Durchmesser der Verbindungsstange etwa 5 cm (2 inch) beträgt. Das Treibmittel aus der Leitung 112 stehe unter einem Druck von etwa 1,75 kg/cm2 (25 psig) und die Leitung 110 unter einem Druck von etwa 0,7 kg/cm2 (10 psig). Damit beträgt die in den Kammern B und D auf die Kolben ausgeübte Kraft zum Komprimieren der Flüssigkeit in der Kammer C etwa 1100 kg (2434 pounds), die durch eine Kraft von etwa 228 kg (503 pounds) in der Kammer A vermindert wird, die notwendig ist, um das Fluid in der Kammer A auf die Niederdruckseite abzuführen. Hinzu kommt ein Reibungsverlust von etwa 45 kg (100 pounds).
Dies ergibt eine Nutzkraft, die bei weitem ausreicht, das Treibmittel in der Kammer C auf etwa 1,75 kg/cm2 (25 psig) zu komprimieren. Bei höheren Drücken kann eine noch grössere Differenz erreicht werden, so dass die Treibmittelpumpe 14 unter allen Bedingungen mit gutem Wirkungsgrad arbeitet.
Im folgenden soll nunmehr der umlaufende Motor 36 anhand der Fig. 4 und 5 näher erläutert werden. Der Motor 36 ist so aufgebaut, dass er nach dem Prinzip der zwangsweisen Verschiebung in einem geschlossenen System arbeitet, und zwar sowohl bei hohem als auch bei niedrigen Drehzahlen und mit niedrigem Druckunterschied des Treibmittels zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen. Der Motor weist ein Gehäuse 118 auf, das aus einem Mittelteil 120 und Endkappen 122 und 124 besteht. Im Mittelteil 120 des Gehäuses 118 sind zwei Hohlräume 126 und 128 ausgebildet, die durch kurze gewölbte Wände 130 und 132 voneinander getrennt sind. Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, bilden die Hohlräume 126 und 128 Kreissegmente, deren Mittelpunkte in einem Abstand von einander liegen und vertikal etwas gegeneinander versetzt sind.
Zwischen den Hohlräumen ist mittig ein Rotor 134 angeordnet, der unmittelbar an den gewölbten Wänden 130 und 132 liegt, so dass die Hohlräume 126 und 128 voneinander getrennt sind. Am Umfang des Rotors 134 liegen Druckdichtungen 136 und 138 an, die durch Federn 140 und 142 gegen diesen gedrückt werden. Einlassöffnungen 144 und 146 stehen mit der Einlass-Sammelleitung in Verbindung, so dass das Treibmittel unter Druck in die Hohlräume 126 und 128 eingeleitet wird.
Auf ähnliche Weise stehen Auslassöffnungen 148 und 150 mit der Auslass-Sammelleitung in Verbindung, durch die das Treibmittel aus den Hohlräumen abgeleitet wird. In diesem Fall trägt der Rotor 134 drei Flügel 152, die durch Federn 154 nach aussen gedrückt werden. Diese liegen auf Stiften 156, die axial in Hohlräume 158 zur Halterung der Flügel ragen.
Das Treibmittel tritt in die Hohlräume 126 und 128 ein und übt eine Kraft auf die Flügel 152 aus, so dass sich der Rotor 134 in Fig. 5 im Uhrzeigersinn dreht.
Der Rotor ist in Lagern 160 in den Endkappen drehbar gelagert und mit einer Ausgangs- oder Abtriebswelle 162 verkeilt, von der die Ausgangsleistung der Vorrichtung abgenommen werden kann.