Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung von Energie sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens (Thermodynamikkonverter) .

Der erfindungsmäßige Thermodynamikkonverter gehört zur Gattung der Wärmekraftmaschinen. Wärmekraftmaschinen benötigen stets eine Temperaturdifferenz, um Wärme in mechanische Energie umzuwandeln. Daher benötigen sie zu ihrem Betrieb große Mengen an Primärenergieträger, wie zum Beispiel: Mineralölprodukte, Kohle oder Erdgas um zu funktionieren. Die Ressourcen dieser Engergieträger sind begrenzt und ihr Einsatz verursacht große Umweltprobleme. Problematisch ist der i.allg. unbefriedigende Wirkungsgrad bekannter Wärmekraftmaschinen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Umwandlung von Energie sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die Wärmeenergie möglichst unmittelbar und mit möglichst hohem Wirkungsgrad in andere Energieformen umwandeln.

Diese Aufgabe wird in Hinsicht auf das Verfahren durch den Gegenstand des Anspruches 1 und in Hinsicht auf die Vorrichtung durch den Gegenstand des Anspruches 13 zumindest im wesentlichen gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Umwandlung von Energie ist durch folgende Schritte gekennzeichnet: Expansion eines gasförmigen Mediums von einem ersten Bereich in wenigstens einen weiteren Bereich durch einen

Strömungskanal derart, daß eine Gasströmung innerhalb des Strömungskanals entsteht, Unterbrechen der Strömung mittels einer Verschluß einrichtung oder einer anderen dazu geeigneten Einrichtung des Strömungskanals derart, daß eine Kompressionswelle bzw. eine Stoßwelle erzeugt wird, welche sich entgegen der Strömung fortpflanzt, wobei das vor der Verschlußeinrichtung aufgestaute Gas während dieses Vorganges einen Druck hat, der vollständig oder zum Teil über dem Ruhedruck des Gases vor seiner Expansion im ersten Bereich hegt, und Einleiten eines Teiles des aufgestauten Gases durch ein Rückschlagventil oder ein sonstiges geeignetes Ventil in ein separates Rohrleitungs-, Druckbehälter¬ oder sonstiges System, wo dieses Gas zur Energieerzeugung nutzbar ist. Bevorzugt läuft dieses Verfahren periodisch ab.

Vorzugsweise wird ferner durch die periodische Funktion der Verschlußeinrichtung und durch das periodische Überströmen eines Teils des jeweils aufgestauten Gases durch ein Rückschlagventil am Strömungskanal hinter dem Rückschlagventil oder dem sonstigen Ventil anderer Bauart ein größerer Gasdruck erzeugt als zur Herstellung der Strömung wirksam war. Weitere vorteilhafte Verfahrensoptinierungen sind den Unteransprüchen 4 - 12 zu entnehmen.

Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit wenigstens zwei Bereichen verschiedenen Drucks, die durch einen oder mehrere Strömungskanäle miteinander verbunden sind, sowie mit einer zwischen den Behältern angeordneten Schnellschluß einrichtung und mit einem vor der Schnellschlußeinrichtung angeordneten Rückschlagventil. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 - 5 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 6 - 8 verschiedene Darstellungen eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Zunächst sei Fig. 1 beschrieben, in der die Bezugsziffern bedeuten: 1 Druckgaseinspeisung, 2 Kompressor, 3 Turbine, 4 Generator, 5 Wärmeaustauscher, 6 Rückschlagventil, 7 Schnellschlußventil, 8 Strömungskanal vor dem Schnellschlußventil, 9 Strömungskanal hinter dem Schnellschlußventil, 10 Gasmenge, die sich vor dem Schnellschlußventil aufstaut.

In seiner einfachsten Ausführung besteht der erfindungsgemäße Thermodynamikkonverter aus zwei Druckbehältern I, II, die durch einen oder mehrere Strömungskanäle 8, 9 miteinander verbunden sind. Ungefähr in der Mitte des Strömungskanals befindet sich ein Schnellschlußventil 7. Vor dem Schnellschlußventil ist seitlich, am Strömungskanal, ein Rückschlagventil 6 angebracht. Vom Ausgang des Rückschlagventils führt eine Rohrleitung zu einer Gasturbine 3. Der Gasaustritt der Turbine besteht aus einer Rohrleitung, die zu einem Wärmeaustauscher 5 führt. Der Ausgang des Wärmeaustauschers 5 ist mit dem Druckbehälter I verbunden. Vom Druckbehälter II führt eine Rohrleitung zu einem konventionellen Kompressor 2, der Gas über eine Rohrleitung in den Druckbehälter I fördert.

Die Funktion dieser Vorrichtung ist wie folgt: Beim Start des Thermodynamikkonverters, sowie bei seiner kontinuierlichen Funktion, muß im Druckbehälter I in der Regel ein größerer Gasdruck als im Druckbehälter II herrschen.

Diese Bedingung kann einerseits durch eine Druckgaseinspeisung von außen in den Druckbehälter I, oder durch den Betrieb des Kompressors zwischen Druckbehälter II und I erfüllt werden. Besteht eine solche Druckdifferenz zwischen Druckbehälter I und II, dann bewirkt die Öffnung des Schnellschlußventils, daß im Strömungskanal eine Gasströmung in Richtung Druckbehälter II anläuft.

Durch den schlagartigen Verschluß des Schnellschlußventils entsteht vor diesem eine Kompressionswelle, die in ihrem Verlauf zu einer Stoßwelle entarten kann. Die Öffnung und der Verschluß des Schnellschlußventils erfolgt periodisch mit einer bestimmten Frequenz. Der Druck in der so aufgestauten Gasmenge ist erheblich größer als der Druck im Druckbehälter I . Daher strömt jeweils ein Teil der aufgestauten Gasmenge durch das Rückschlagventil am Strömungskanal der Turbine zu. Durch die periodische Funktion des Schnellschlußventils und des Rückschlagventils entsteht vor der Turbine ein größerer Druck als im Druckbehälter I herrscht. Durch diese Druckdifferenz wird die Turbine angetrieben, die ihrerseits einen elektrischen Generator antreibt. Da sich das Gas bei seiner Ausdehnung unter Arbeitsverrichtung in der Turbine entsprechend stark abkühlt, strömt es nach dem Verlassen der Turbine über eine Rohrleitung einem Wärmeaustauscher zu, in dem es sich wieder erwärmt. Von dort strömt es wieder in den Druckbehälter I zurück.

Da während jeder Öffnung des Schnellschlußventils eine gewisse Gasmenge in den Druckbehälter II einströmt, befindet sich zwischen dem Druckbehälter II und Druckbehälter I ein konventioneller Kompressor, der diese Gasmenge

wieder zurück in den Druckbehälter I fördert. Indem die Druckdifferenz zwischen Druckbehälter I und Druckbehälter II möglichst klein gehalten wird und die Öffnungszeit des Schnellschlußventils möglichst kurz ist, muß für den Betrieb des Kompressors und des Schnellschlußventils weniger Energie aufgewendet werden, als an der Turbine bzw. am Generator zur Verfügung steht, Dadurch kann der erfindungsmäßige Thermodynamikkonverter Wärmeenergie auf weitgehend direktem Wege in mechanische oder elektrische Energie umwandeln, was in dieser Form mit konventionellen Wärmekraftmaschinen nicht möglich war. Durch den Einsatz des Thermodynamikkonverters lassen sich die Umgebungswärmeträger Luft, Wasser und Erde als Energiequelle weitgehend unmittelbar nutzen.

In einer weiteren Ausgestaltung des Erfϊndungsgedankens wird durch den periodischen Betrieb des Schnellschlußventils im Strömungskanal eine Resonanzschwingung der Gassäule angeregt. Dies geschieht in der Weise, daß die Gassäule im Strömungskanal durch den entsprechend langen Verschluß des Schnellschlußventils zurück in Richtung Druckbehälter 1 und dann wieder in Richtung Druckbehälter II schwingt. Geht die kinetische Energie der Gassäule in dieser Richtung ihrem Maximum entgegen, dann öffnet das Schnellschlußventil für einen kurzen Zeitraum und verschließt dann wieder schlagartig den Strömungskanal. Der Vorteil dieses Funktionsablaufes besteht darin, daß das Anlaufen der Strömung so in kürzerer Zeit erfolgt, dadurch läßt sich die Gasmenge, die pro Periode in den Druckbehälter II strömt, verringern. Hierdurch läßt sich die Kompressorleistung reduzieren, die zur Aufrechterhaltung des Druckunterschiedes zwischen Druckbehälter I und Druckbehälter II nötig ist. Eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedankens sieht vor, daß hinter dem Schnellschlußventil in dem Strömungskanal eine Schwingung entsteht, deren maximale kinetische Energie in Richtung Druckbehälter II zeitlich mit der Schwingung vor dem Schnellschlußventil

zusammenfällt. Auch diese Maßnahme kann dazu genutzt werden, die effektive Offenzeit des Schnellschlußventils zu verringern.

In einer weiteren Ausführung des Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, hinter dem Schnellschlußventil einen Diffusor oder eine diffusorartige Vorrichtung anzuordnen. Diese kann dazu dienen, die Strömungsverluste möglichst klein zu halten, damit die Effizienz der Funktion des Thermodynamikkonverters wächst.

Ebenso können an den Enden oder auch einer anderen Stelle des Strömungskanals diffusorartige Erweiterungen angebracht werden, um das Strömungs- und Schwingungsverhalten der hierin befindlichen Gassäule zu verbessern.

Hierzu zeigen Fig. 2 - 5 fogende Verfahrensschritte:

Fig. 2 Die Verschlußeinrichtung des Strömungskanals ist geöffnet, so daß infolge des Druckunterschiedes zwischen Druckbehälter I und II eine Gasströmung anläuft.

Fig. 3 Durch den schlagartigen Verschluß des Schnellschlußventils (7) staut sich das Gas vor der Verschlußeinrichtung. Gleichzeitig entsteht eine Kompressions-, bzw. eine Stoßwelle, die sich in Richtung Druckbehälter I fortpflanzt. Da der Druck in der aufgestauten Gasmenge zum Teil oder ganz über dem Ruhedruck des Gases vor seiner Expansion liegt, strömt ein Teil des aufgestauten Gases durch das Rückschlagventil (6) der nachgeschalteten Turbine zu, Gleichzeitig entsteht hinter dem Schnellschlußventil durch den schlagartigen Verschluß des Schnellschlußventils (7) eine Drucksenkung.

Fig. 4 Da nur ein Teil der aufgestauten, druckerhöhten Gasmenge durch das Rückschlagventil abströmt, strömt der übrige Rest zurück in den Druckbehälter I. Ebenso strömt die hinter dem Schnellschlußventil (7) befindliche Gassäule wieder in Richtung Druckbehälter I.

Fig. 5 Da die Gassäulen, vor und nach dem Schnellschlußventil (7), aufgrund ihrer Masseträgheit über ihren Gleichgewichtszustand hinausschwingen, entsteht vor dem Schnellschlußventil (7) und hinter ihm ein relativer Unter-, bzw. Überdruck. Dieser bewirkt, daß beide Gassäulen wieder in die Richtung des Druckbehälters II beschleunigen.

Zu diesem Zeitpunkt öffnet das Schnellschlußventil wieder für eine kurze Zeit den Strömungskanal (Fig. 2) und der gesamte Vorgang wiederholt sich periodisch.

In einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens erfolgt die Energiewandlung durch elektromagnetische oder piezoelektrische Systeme. Diese sind über Kolben oder Membrane in der Weise mit dem Strömungskanal verbunden, daß sie durch die Druckschwankungen in diesem ausgelenkt werden und so als elektrische Generatoren funktionieren. Ferner kann der Kompressor des Thermodynamikkonverters durch eine Diffusorpumpe ersetzt werden, die durch jenes Druckgas gespeist wird, welches sich hinter dem Rückschlagventil ansammelt.

In einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens sind das oder die Rückschlagventile durch ein oder mehrere fremdgesteuerte Ventile ersetzt. Damit läßt sich der Vorteil eines reduzierten Übergangswiderstandes zwischen dem Strömungskanal und dem Überdruckbereich vor der Turbine realisieren.

Zur praktischen Ausführung: Der Druckbehälter I ist beim Start mit Stickstoff oder einem anderen Gas oder Gasgemisch gefüllt. Der Druck beträgt zum Beispiel 50 bar. Der Einspeisevorgang erfolgt durch das Ventil 1 von außen. Am Anfang des Strδmungskanals befindet sich eine in Strömungsrichtung konvergente Düse. Daran schließt sich der Strömungskanal an. Der Strömungskanal besitzt ein Schnellschlußventil und ein Rückschlagventil. Hinter dem Schnellschlußventil befindet sich ein weiterer Strömungskanal mit einer diffusorartigen Erweiterung an seiner Mündung in den Druckbehälter II. An den Druckbehälter II ist über eine Rohrleitung ein Kompressor 2 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Druckbehälter I verbunden ist. Hinter dem Rückschlagventil 6 führt eine Rohrleitung zu einer Gasturbine 4 und von dort strömt das Gas einem Wärmeaustauscher zu, um von dort wieder zurück in den Druckbehälter I zu strömen.

Zur Durchführung des Verfahrens ist - wie bereits erläutert - eine Verschlußeinrichtung 7 (am Ende des Strömungskanals) notwendig.

Konventionelle Ventile eignen sich wegen den erforderlichen kurzen Verschlußzeiten nur begrenzt dazu, das Verfahren mit hoher Effizienz durchzuführen. Außerdem besteht der Nachteil, daß sich hinter der Verschlußeinrichtung eine ruhende Gasmenge befindet, die bei jeder Öffnung des Ventils beschleunigt werden müßte.

Ideal zur Durchführung des Verfahrens wäre es, wenn sich hinter der Verschlußeinrichtung eine permanente Gasströmung befinden würde. Dieses Problem wird mit Hilfe der hier beschriebenen Verschluß einrichtung zumindest im Wesentlichen gelöst.

Die Verschlußeinrichtung zum schlagartigen Verschluß des Strömungskanals ist dabei als Gehäuse mit einer darin rotierenden, innen hohlen Trommel (Fig. 6:

101) ausgeführt. Auf ihrem Umfang oder an ihren Stirnflächen befinden sich Bohrungen oder Ausfräsungen (Fig. 6: 101a), die den Strömungskanal (Fig 6: 103) oder die Strömungskanäle periodisch öffnen und verschließen.

Diese Ausführung hat den Vorteil, daß sich die im Verfahren stattfindenden Druckstöße auf den trornmelförmigen Ventilkörper, der aufgrund seiner geometrischen Form eine hohe Steifheit besitzt, auswirken. Dadurch ändert sich der Abstand zwischen Strömungskanal und Ventilkörper während der Kompressionswelle nur sehr wenig.

Außerdem kann durch die jeweils paarweise (um 180 Grad versetzte) Einmündung der Strömungskanäle erreicht werden, daß sich die auf die Trommel wirkenden Druckkräfte gegenseitig so kompensieren, daß nahezu keine resultierende Lagerbelastung mehr stattfindet. Dieses führt zur Verringerung der Lagerreibung und zur Verlängerung der Lagerlebensdauer.

Die Einleitung des Gases erfolgt bezüglich des im Inneren der Trommel rotierenden Gases tangential (Fig. 6: 101). Dies hat den Vorteil, daß, wenn die Bohrung oder Ausfräsung der Trommel mit dem Strömungskanal übereinstimmt, das Gas im Strömungskanal keine ruhende Gasmenge beschleunigen muß, sondern daß durch die Rotation der im Inneren der Trommel befindlichen Gasmenge sogar eine Drucksenkung hinter der Strömungskanalöffnung entsteht.

Die Rotation des Gases in der Trommel resultiert aus der Trommelrotation und kann durch die Anordnung von mitrotierenden Flügeln oder angetriebener Flügel beliebiger Ausführung unterstützt werden. Insgesamt besteht durch diese Vorrichtung der Vorteil, daß die notwendige Hilfsenergie zur Herstellung einer Druckdifferenz zwischen Strömungskanalanfang und Strömungskanalende verringert werden kann.

Die Abströmkanäle (Fig. 6: 104) können ebenfalls tangential zur rotierenden Trommel angebracht werden, jedoch so, daß sich die Abströmkanalöffnung entgegen der Rotation der Trommel befindet. Dadurch besteht der Vorteil einer zusätzlichen Förderwirkung auf das Arbeitsgas durch die Rotation des trommeiförmigen Ventilkörpers.

Abweichend von der zuvor beschriebenen Anordnung der Strömungskanäle können diese auch an den Stirnflächen der rotierenden Trommel in der Weise angebracht sein, daß das Zuströmen bzw. Abströmen des Gases durch die Trornmelrotation begünstigt wird (Fig. 7). Die Strömungskanäle können vor ihrer Einmündung aus Platz ersparnisgrün den auch schraubenfönnig gewunden sein. Ebenfalls kann bei der stirnseitigen oder auch radial-/tangentialen Einleitung des Gases die Trommel teilweise als Laufrad einer Radialturbine (Fig. 7, 110) ausgeführt sein. Hierdurch kann die notwendige Druckdifferenz zur Durchführung des Verfahrens unmittelbar erzeugt werden.

Vor der Verschlußeinrichtung kann der Strömungskanal mit einem geschlossenen Resonanzraum (Fig. 6, 7, 8) in der Weise gekoppelt werden, daß sich im Strömungskanal und im entsprechenden Resonanzsraum eine Resonanzschwingung der darin befindlichen Gassäule ergibt.

Es entsteht also in diesem System eine stehende Schallwelle, der ein periodischer Strömungsvorgang überlagert ist. Dies hat den Vorteil, daß das Verfahren mit höherer Effizienz stattfindet.

Ausführungsbeispiele der Vorrichtungen: Es zeigt

Fig. 6 100) rotierende Trommel

102) Verschlußeinrichtungsgehäuse

103) Strömungskanal

104) Abströmkanal

105) Rückschlagventil

106) Überdruckraum

107) Zuleitung zur Turbine

108) Einspeiseleitung

109) Resonanzraum

Fig. 7 7 101) rotierende Trommel

101a) Ausfräsung in der Trommelstimseite

102) Verschlußeinrichtungsgehäuse

103) Strömungskanal

104) Abströmkanal

105) Rückschlagventil

106) Überdruckraum

108) Einspeiseleitung

109) Resonanzraum

110) Radialturbinenlaufrad

111) Antriebsmotor

Der Ventilkörper dieser Vorrichtung wurde auch als Radialturbinenlaufrad ausgeführt. Bei der radial-/tangentialen Anordnung der Strömungskanäle könnte der Ventilkörper ähnlich ausgeführt werden und nur die Ausfräsungen (Fig. 6, la) befänden sich radial neben dem Radialturbinenlaufrad.

Fig. 8 101) Trommel

101a) Trommelbohrung 102) druckbeaufschlagtes Gehäuse

111) Synchromnotor

112) Getriebe

Die Figur 8 zeigt den Querschnitt einer technischen Realisierungsmöglichkeit dieser Verschluß Vorrichtung. Der als Trommel ausgeführte Ventilkörper (108) wurde aus Aluminium gefertigt. Er rotiert mit einer Drehzahl von ca. 15.000 bis 20.000 Umdrehungen pro Minute. Der Antrieb der Trommel erfolgt durch einen Synchromnotor (Fig. 8: 111). Durch das angeflanschte Getriebe (Fig. 8: 112) wird die erforderliche hohe Drehzahl erreicht. Alle Gehäuseinnenräume sind miteinander verbunden, so daß ein Druckausgleich zwischen ihnen stattfindet. Die Abdichtung der Gehäuseteile erfolgt durch Rundschnurringe.