Verfahren und Wärmekraftmaschine zur Nutzbarmachung von Abwärme oder geothermischer Wärme

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine modifizierte Heißgas-Wärmekraftmaschine zur Nutzbarmachung von Abwärme oder geothermischer Wärme, oder, generell gesagt, von Wärme auf relativ niedrigem Temperatumiveau, insbesondere in einem etwa bis zum Siedepunkt von Wasser reichenden Temperaturbereich, insbesondere zum Erzeugen von elektrischem Strom. Solche Kategorien von Wärme können bisher nicht zur Erzeugung von elektrischem Strom oder generell zur Erzeugung von Arbeitsleistung ausgenutzt werden, da sich herkömmliche Kraftmaschinen zum Antrieb elektrischer Generatoren damit nicht betreiben lassen.

Eine Heißgas-Wärmekraftmaschine arbeitet, in Gegensatz zu üblichen Kolbenmotoren oder Gas- oder Dampfturbinen, mit innerhalb des Motors verbleibendem und nicht ausgetauschtem Gas.

Ein Heißgasmotor ist in Gestalt des Stirlingmotors bekannt. Beim Stirlingmotor, der stets zwei Kolben benötigt, ist ein permanent erhitzter Zylinderbereich und ein permanent gekühlter Zylinderbereich vorhanden, zwischen denen das Arbeitsgas hin und her bewegt wird. Im erhitzten Zylinderraum dehnt sich das Arbeitsgas aus und leistet Arbeit, und zieht sich im gekühlten Zylinderraum wieder zusammen.

Nachteilig ist bei dem bekannten Stirlingmotor, dass die gesamte, zum Beheizen des heißen Zylinderraums zugeführte Wärme durch die dicke Zylinderwand zugeführt werden muss, was zwar die Benutzung jeder beliebigen Art von zur Zylinderwand zuführbaren Wärme ermöglicht, aber dem Stirlingmotor eine erhebliche Trägheit aufzwingt. Zu dieser Trägheit trägt auch der Umstand bei, dass das Arbeitsgas bei jedem Zyklus zwischen dem heißen Zylinderraum und dem kalten Zylinderraum durch relativ enge Kanäle verschoben werden muss. Außerdem können heißer Bereich und kalter Bereich beim Stirlingmotor nicht vertauscht werden. Größere Energiemengen können daher mit dem Stirlingmotor nicht umgesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine modifizierte Heißgas-Wärmekraftmaschine zu schaffen, mit welcher erhebliche Leistungen umgesetzt werden können, und mit der insbesondere ein wesentlich intensiverer Wärmeeintrag möglich ist, um mechanische Arbeit leisten zu können, die insbesondere zur Stromerzeugung dient.

Insbesondere bezweckt die Erfindung dabei, Abwärme oder Wärme auf relativ niedrigem Temperaturniveau effektiv ausnutzen zu können, die sonst außer zu Heizzwecken kaum mehr nutzbar gemacht werden könnte.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren und die im Anspruch 2 angegebene Wärmekraftmaschine gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Aufgrund der Einspritzung des Wärmeträgermediums, vorzugsweise heißes Wasser, in die Zylinderkammern erfolgt der Wärmeeintrag in die Zylinderkammer der erfindungsgemäßen Heißgas-Wärmekraftmaschine unmittelbar und ohne Verzögerung. Die eingetragene Wärmemenge ist nicht von der Größe der Zylinderkammeroberfläche abhängig, sondern kann durch die Menge des eingespritzten Wärmeträgermediums gesteuert werden. Dadurch kann bei entsprechend großem Zylinderraum wesentlich mehr Wärme pro Zeiteinheit in die Zylinderkammer eingetragen werden, als dies bei bloßem Wärmeleitungsdurchgang durch die Zylinderwand möglich wäre.

Das flüssige Wärmeträgermedium, vorzugsweise Wasser, kann vorzugsweise durch Aufnahme von Abwärme erhitzt werden. Die Abwärme kann beispielsweise aus Kühltürmen von Kraftwerksanlagen stammen, in dem die vom Kühlwasser beim Hindurchrieseln durch den Kühlturm aufgenommene Wärme in der Heißgas-Wärmekraftmaschine als Nutzwärme eingesetzt wird. Dadurch wird zuvor nicht mehr ausnutzbare Abwärme in Nutzwärme umgewandelt und zugleich die Umwelt weniger belastet. Ebenso können andere Arten von Abwärme aus industriellen Prozessen in nutzbare Energie umgewandelt werden.

Die erfindungsgemäße modifizierte Heißgas-Wärmekraftmaschine unterscheidet sich vom Prinzip des bekannten Stirlingmotors ganz wesentlich dadurch, dass der Wärmeeintrag nicht durch Wärmeleitung durch die Zylinderwand hindurch erfolgt, sondern durch unmittelbares Einspritzen eines flüssigen Wärmeträgermediums in einen Zylinderraum. Das Einspritzen erfolgt in Gestalt einer Tröpfchenwolke, so dass das flüssige Wärmeträgermedium möglichst schnell und intensiv mit dem Gas im Zylinderraum in Berührung kommt, und der Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeträgermedium und dem Gas schnell und intensiv stattfindet. Aufgrund der Schwerkraft findet dann eine Abscheidung der Tröpfchen von dem erwärmten Gas statt, und die durch den Wärmeaustausch abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit sammelt sich im Bodenbereich des Zylinderraums und fließt dort durch Öffnungen in eine Flüssigkeitssammelkammer. Das im Zylinder befindliche, unter Druck stehende Gas dehnt sich durch die Wärmeaufnahme von dem eingespritzten flüssigen Wärmeträgermedium weiter aus und treibt den Kolben an, entweder entlang des Zylinders bei einem hin und her gehenden Kolben, oder entlang seiner Kreisbahn bei einem Kreiskolben. Das durch den Wärmeeintrag durch die Wärmeträgerflüssigkeit erhitzte Gas kühlt sich durch die Arbeitsleistung sowie an gekühlten Zylinderwänden wieder ab und kann beim erneuten Wärmeeintrag wieder aufgeheizt werden.

Das Wärmeträgermedium muss flüssig sein, damit es sich von dem im Zylinder befindlichen, unter Druck stehenden Gas durch Schwerkraft abscheidet. Dennoch kann es möglich sein, auch Nassdampf in einem Temperaturbereich zu verwenden, der dazu führt, dass der Nassdampf im Zuge der Wärmeabgabe an das in der Zylinderkammer befindliche Gas kondensiert und als Kondenswasser ausfällt.

Die Auffangwanne für das verbrauchte Wärmeträgermedium ist selbstverständlich geschlossen und steht unter dem Druck des Zylinderraums. Aus der Auffangkammer kann die Flüssigkeit nach Bedarf, entsprechend dem Flüssigkeitspegel in der Auffangkammer, gesteuert durch ein Ventil, abgelassen werden. Die Steuerung kann beispielsweise durch ein Schwimmerventil erfolgen. Bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine mit hin und her gehendem Kolben ist der Zylinder liegend angeordnet, und im Zylinder ist beiderseits des Kolbens jeweils ein Zylinderraum gebildet. Das heiße Wärmeträgermedium wird abwechselnd in den einen und den anderen Zylinderraum eingespritzt und beheizt das im jeweiligen Zylinderraum befindliche Gas, so dass der Kolben jeweils aus der gerade beheizten Zylinderkammer in Richtung zur anderen Zylinderkammer verschoben wird.

Bei der Ausbildung der Wärmekraftmaschine mit Drehkolben bildet der wie beim Wankelmotor ausgebildete, im Querschnitt etwa dreieckige Kolben zwischen sich und der Innenwand des Gehäuses 3 mit dem Drehkolben umlaufende und sich dabei im Volumen verändernde Kammern. Dort wird das heiße Wärmeträgermedium stets in der gleichen Position eingespritzt. Während die betreffende Kammer sich mit der Drehung des Kolbens weiter bewegt, gelangt das durch Schwerkraftabscheidung vom Gas getrennte abgekühlte Wärmeträgermedium zu den in die Sammelkammer führenden Auslassöffnungen, und der in Umfangsrichtung folgende Bereich der Gehäusewand wird gekühlt, damit das Gas sich abkühlen kann, während die betreffende Kammer sich mit der Drehung des Kolbens weiter bis in die Position bewegt, wo erneut heißes Wärmeträgermedium eingespritzt wird.

Das Gas in den Zylinder- bzw. Arbeitskammern ist vorzugsweise Luft, kann aber auch jedes andere Gas sein. Da aufgrund des ständigen Durchsatzes von flüssigem Wärmeträgermedium Gas sich in diesem lösen kann und mit dem verbrauchten Wärmeträgermedium aus der Maschine heraus gelangen kann, ist der Zylinder bzw. das Gehäuse mit einem Gaseinlassventil versehen, durch welches unter dem Arbeitsdruck stehendes Gas aus einer Druckgasquelle in die Zylinderkammern oder Arbeitskammern nachströmen kann, um den Gasdruck darin aufrecht zu erhalten.

Die Kühlung der Zylinder- oder Gehäusewand kann mittels eines Kühlmediums erfolgen, das durch Kühlkanäle in der Zylinder- oder Gehäusewand zirkuliert. Dabei kann als Kühlmedium auch ein Kältemittel Anwendung finden, das die Zylinder- oder Gehäusewand weit unter die Umgebungstemperatur kühlt, um das Abkühlen des Gases zu beschleunigen und ein möglichst großes Temperaturgefälle zwischen dem heißen flüssigen Wärmeträgermedium und dem Gas im Zeitpunkt des Einspritzens des Wärmeträgermediums zu erzeugen. In diesem Fall ist die Zylinder- oder Gehäusewand durch eine Isolation gegen die Außenluft oder Umgebung isoliert, damit nicht Wärme aus der Umgebung in die Zylinder- oder Gehäusewand eintreten kann.

Bei einer Ausführung der Wärmekraftmaschine mit Drehkolben ist eine Umsteuerung natürlich nicht erforderlich, da sich der Drehkolben kontinuierlich drehend bewegt. Bei der Ausführung mit hin und her gehendem Kolben ist eine zyklische Umsteuerung erforderlich, wodurch die Einleitung des heißen Wärmeträgermediums in den einen oder in den anderen Zylinderraum gesteuert wird. Dies kann mittels gesteuerten Ventilen erfolgen, beispielsweise in Gestalt eines Drehschiebers, um die Zufuhr des heißen Wärmeträgermediums in den einen oder in den anderen Zylinderraum zu steuern, und dazwischen gegebenenfalls kurzzeitig zu unterbrechen. Die Ventilsteuerung kann dabei in Abhängigkeit von der Kolbenposition erfolgen, die durch mechanische oder andere Sensoren erfasst werden kann, die entweder den Zylinderkammern zugeordnet sind, um das Erreichen einer jeweils vorgesehenen Endstellung des Kolbens zu erfassen, oder die in einem mittleren Bereich des Zylinders angeordnet sein können, um auf Gegenelemente am Kolbenumfang zu reagieren.

Der Kolben ist vorzugsweise als Plungerkolben ausgebildet, der mit seinem Kolbenmantel eine relativ große axiale Ausdehnung hat, in seinem zentralen Bereich aber jeweils mit großen, die Volumen der Zylinderkammern vergrößernden Vertiefungen versehen ist. Bei großer axialer Länge des Kolbenmantels kann der Spalt zwischen Kolbenmantel und Zylinderwand so bemessen sein, dass der Kolben gewissermaßen auf einem Gasfilm gleitet, und eine sehr gute Abdichtung wird aufgrund der Länge des dünnen Spalts gewährleistet ist. Da der Zylinder liegend angeordnet ist, kann der Kolben in seinem unteren Bereich außerdem auch Rollen haben, um Reibungsverluste zu vermeiden.

Der Abtrieb der Wärmekraftmaschine kann bei der Ausführungsform mit hin und her gehendem Kolben in üblicher Weise mittels einer Kolbenstange erfolgen, die durch die Endwand einer der Zylinderkammern hindurch geführt ist, oder der Kolben kann als Freikolben ausgebildet sein, und der Kolbenmantel kann im Mittenbereich des Zylinders mit Piezogeneratoren zusammenwirken, wie sie aus dem europäischen Patent EP 2 013 965 B1 bekannt sind, deren Schrittpiezopakete mit dem Kolbenmantel zusammenwirken und dessen lineare Bewegung direkt in elektrischen Strom umwandeln.

Jedoch können auch herkömmliche Lineargeneratoren zum Einsatz kommen. Dazu kann der Kolben mit einem oder mehreren Ringmagneten versehen sein, der oder die sich mit der Kolbenverschiebung innerhalb eines sich axial über eine entsprechende Länge erstreckenden Stators bewegen, wobei diese Ringmagnete und der Stator den elektrischen Lineargenerator bilden.

Bei der Ausführungsform mit Drehkolben erfolgt der Abtrieb natürlich über die Kolbenwelle. Aber auch hier können Piezogeneratoren, wie in dem genannten europäischen Patent EP 2 013 965 B1 beschrieben sind, unmittelbar mit einer von der Drehkolbenwelle angetriebenen Scheibe oder Trommel zusammenwirken und Strom erzeugen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen anhand der anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1

eine Wärmekraftmaschine nach der Erfindung mit hin und her gehendem Kolben im Axialschnitt,

Fig. 2

in vergrößerter Darstellung einen Teil der Wärmekraftmaschine nach Fig. 1, und

Fig. 3

in schematischer Darstellung eine Wärmekraftmaschine nach der Erfindung mit Drehkolben in senkrechtem Querschnitt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils im Axialschnitt eine Wärmekraftmaschine nach der Erfindung mit hin und her gehendem Kolben und liegend angeordnetem Zylinder.

Der Zylinder 1 hat beiderseits des darin hin und her verschiebbaren Kolbens 2 zwei Zylinderkammern 11 und 12, die mit einem unter Druck stehenden Gas, vorzugsweise Luft gefüllt sind.

Der als Freikolben ausgebildete und im Zylinder 1 verschiebbare Kolben 2 hat einen Kolbenmantel 21 mit erheblicher axialer Ausdehnung und weist an beiden Seiten große, das Volumen der jeweiligen Zylinderkammer vergrößernde Vertiefungen 22 auf. Zwischen dem Kolben 2 und der Zylinderwand 13 ist ein dünner Dichtspalt gebildet, der wie eine Labyrinthdichtung wirkt, aber den Kolben 2 praktisch auf einem Gaspolster gleiten lässt. Zusätzlich hat der Kolben in seinem unten liegenden Bereich Rollen 23, um eine reibungsarme Kolbenverschiebung im Zylinder 1 zu ermöglichen.

In der Zylinderwand 13 sind Leitungen 3 und 4 zur Zuführung von heißem Wärmeträgermedium, insbesondere von heißem Wasser in die eine oder andere Zylinderkammer 11, 13 vorgesehen, die jeweils über Sprühdüsen 31 bzw. 41 im oberen Bereich und vorzugsweise auch im Endwandbereich der jeweiligen Zylinderkammer 11, 12 ausmünden. Ein Steuerventil 5, das in Fig. 1 als Drehschieberventil beispielsweise dargestellt ist, steuert die Zufuhr von heißem Wärmeträgermedium aus einer Wärmeträgermediumquelle zu der einen oder anderen Zylinderkammer 11, 12, sowie gegebenenfalls dazwischenliegende kurze Unterbrechungen.

Die Zylinderwand 13 ist außerdem mit einer Wärmeisolierung 14 ausgebildet, die dazu dient, das Einströmen von Wärme von außerhalb des Zylinders zu vermeiden. Innerhalb der Wärmeisolation 14 ist die Zylinderwand mit Kühlkanälen 15 versehen, die von einem Kühlmittel durchströmt werden, um die Zylinderwand zu kühlen, damit das Gas in den Zylinderkammern gekühlt werden. Das Kühlmittel wird beim Ausführungsbeispiel durch eine Kühlmittelpumpe 6 durch die Kühlkanäle 15 zirkuliert. Die Zylinderwand wird dadurch permanent gekühlt.

In den Figuren 1 und 2 befindet sich der Kolben 2 in der rechten Endposition im Zylinder 1. Das Gas im linken Zylinderraum 12 ist relativ entspannt und relativ abgekühlt, und das Gas im rechten Zylinderraum 11 ist komprimiert.

In dieser Kolbenposition wird nun heißes Wärmeträgermedium, insbesondere heißes Wasser, in den rechten Zylinderraum 11 eingespritzt, wie in der Zeichnung dargestellt ist. Dadurch wird das Gas in der Zylinderkammer 12 stark erwärmt und dehnt sich aus und treibt den Kolben 2 nach links. Das eingespritzte flüssige heiße Wärmeträgermedium rieselt aufgrund der Schwerkraft durch den Zylinderraum 11 hindurch und sammelt sich im Bodenbereich des Zylinderraums, wo es durch Öffnungen in eine Sammelkammer 6 abfließt. Aus der Sammelkammer 6 wird in Abhängigkeit vom Pegelstand des gesammelten flüssigen und abgekühlten Wärmeträgermediums dieses durch ein gesteuertes Ventil abgelassen. Das gesteuerte Ventil kann ein Schwimmerventil sein.

Nach Erreichen der linken Endstellung des Kolbens 2 im Zylinder 1 kehrt sich der Vorgang um. Dazu steuert das Steuerventil 5 die Zufuhr des flüssigen Wärmeträgermediums in den anderen, also nunmehr den linken Zylinderraum 12 um. Das Gas im rechten Zylinderraum 11 hat sich bereits durch die Arbeitsleistung etwas abgekühlt und wird weiter durch die gekühlte Zylinderwand abgekühlt.

Die Zylinderwand kann permanent gekühlt werden, da der starke und schnelle Wärmeeintrag durch das eingespritzte heiße Wärmeträgermedium einen unmittelbaren Wärmeübergang auf das Gas bewirkt, das dann Arbeit leistet und sich erst anschließend an der Zylinderwand wieder abkühlt.

Zur Umsteuerung des Kolbens 2 können mechanische oder andere, zum Beispiel elektronische Sensoren 7 vorgesehen sein, welche das Erreichen der jeweiligen Endstellung durch den Kolben 2 erfassen und die Umsteuerung über das Steuerventil 5 veranlassen.

Der Abtrieb erfolgt beim Ausführungsbeispiel durch Piezogeneratoren 8, die im Mittenbereich des Zylinders 1 kranzartig um den gesamten Zylinderumfang herum angeordnet sein können und, wie eingangs schon gesagt, der im europäischen Patent EP 2013 965 B1 beschriebenen Konzeption entsprechen können. Die Schrittpiezopakete dieser Piezogeneratoren 8 wirken unmittelbar mit dem Kolbenmantel 21 zusammen, der sich in axialer Richtung bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens relativ zu den feststehenden Piezogeneratoren 8 bewegt.

Alternativ dazu kann, wie ebenfalls eingangs beschrieben, ein anderer herkömmlicher elektrischer Lineargenerator eingesetzt werden, um die Kolbenbewegung unmittelbar in elektrische Energie umzuwandeln.

Figur 2 zeigt den rechten Teil der Figur 1 in vergrößerter Darstellung, um die Einzelheiten besser erkennbar zu machen.

Der linke Teil der Fig. 1 zeigt außerdem schematisch eine Anordnung zur Ausnutzung von Abwärme zum Erhitzen des in der Wärmekraftmaschine ausgenutzten flüssigen Wärmeträgermediums, insbesondere Wasser. Eine Kammer 16 wird durch einen Einlaß 17 und einen Auslaß 18 von heißem Abgas aus einem Prozeß, beispielsweise einer Verbrennung, durchströmt und gibt dabei seine Wärme an Wasser ab, das durch Sprühdüsen 19 als Kaltwasser in die Kammer 16 eingesprüht wird, diese durchrieselt und dabei Wärme von dem heißen Prozeßabgas aufnimmt, und sich schließlich im unteren Bereich der Kammer 16 als Heißwasser sammelt, von wo aus es entnommen und als Wärmeträgermedium der Wärmekraftmaschine zugeführt werden kann.

Außerdem ist im rechten Endbereich des Zylinders 1 ein Druckgas-Nachfüllventil 51 vorgesehen, durch welches Druckgas in die entsprechende Zylinderkammer 11 nachgefüllt werden kann, wenn der Gasdruck in den Zylinderkammern 11 und 12 durch Gasverluste absinken sollte, weil im flüssigen verbrauchten Wärmeträgermedium gelöstes Gas mit dem verbrauchten Wärmeträgermedium abgeleitet wird.

Figur 3 zeigt im achssenkrechten Querschnitt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine mit Drehkolben. Der Zylinder 10 und der Drehkolben 20 haben die vom Wankelmotor her bekannte Form. Der Drehkolben ist im Querschnitt etwa dreieckförmig mit gerundeten Seiten und drei Dichtkanten 201, die jeweils entlang der Innenwand des Zylinders 10 gleiten. Die drei Dichtkanten des Drehkolbens 20 bilden zusammen mit der Innenwand des Zylinders 10 drei Kammern 101, 102 und 103, die mit dem Drehkolben in Pfeilrichtung umlaufen und dabei ihr Volumen verändern.

Über ein hier nicht dargestelltes Steuerventil wird durch einen Einlaß 110 in die jeweils im Bereich dieses Einlasses befindliche Zylinderkammer heißes Wärmeträgermedium eingeleitet. An der Einleitungsstelle ist das Volumen der betreffenden Zylinderkammer, das während des Umlaufs im Zylinder variiert, klein und das Gas deshalb verdichtet. Durch das eingespritzte Wärmeträgermedium wird das Gas erhitzt, dehnt sich aus und treibt den Drehkolben 20 an. Während die betreffende Kammer weiter umläuft, gelangt sie in den Bereich von Ablauföffnungen 120, die in eine Sammelkammer 130 für verbrauchtes Wärmeträgermedium führen. Aus der Sammelkammer 130 kann das verbrauchte Wärmeträgermedium, wie zuvor schon beschrieben, in Abhängigkeit vom Pegelstand beispielsweise über ein als Schwimmerventil ausgebildetes gesteuertes Ventil abgelassen werden. Im weiteren Umlauf vergrößert sich das Kammervolumen, wie durch die Kammer 103 dargestellt ist, wodurch das Gas sich entspannt und beschleunigt abkühlt. Eine Kühlung der Zylinderwand außerhalb des Zylinderwandbereichs, in welchem die Einspritzung des heißen Wärmeträgermediums erfolgt, ist vorteilhaft und kann ähnlich wie bei der mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 beschriebene Ausführungsform erfolgen.