DE19617361C1 - Strömungsmaschine zur Erzeugung mechanischer Arbeit aus Wärmeenergie und ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Arbeit aus Wärmeenergie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine zur Erzeugung von mechanischer Arbeit aus Wärmeenergie und ein Verfahren zur Erzeugung von mechanischer Arbeit aus Wärmeener­ gie. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer solchen Strömungsmaschine in einem Kraftfahrzeug.

Aus der deutschen Patentanmeldung 195 33 249.0 ist eine Strö­ mungsmaschine bekannt. Diese Strömungsmaschine weist einen er­ sten Arbeitskreislauf auf, der der Erzeugung von mechanischer Arbeit aus Wärmeenergie dient. Parallel zu diesem ersten Ar­ beitskreislauf ist ein zweiter Kreislauf vorgesehen, der zur Rückführung der im ersten Arbeitskreislauf anfallenden Konden­ sationswärme dient. Durch diesen Wärmerückführungskreislauf wird eine gute Ausnutzung der insgesamt vorhandenen Wärmeener­ gie ermöglicht, so daß die oben genannte Strömungsmaschine auch bei sehr kleinen Temperaturdifferenzen effizient einge­ setzt werden kann.

Die oben genannte Strömungsmaschine weist jedoch den Nachteil auf, daß für ihre Realisierung ein relativ hoher baulicher Aufwand erforderlich ist. Darüber hinaus treten an der ein­ gangs genannten Strömungsmaschine an den Wärmeübergängen und Wärmetauschern Wärmeverluste auf.

Aus der DE-PS 8 93 652 ist ein Verfahren zur Verdichtung gas- oder dampfförmiger Stoffe durch Wärmezufuhr und eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens bekannt. Ein im Arbeitsbereich nicht kondensierbares kaltes Gas, zum Beispiel Luft, wird durch Zusammenführen mit einem Gas höheren Druckes und höherer Temperatur in Kammern verdichtet und nachfolgend ein Teil arbeitsleistend entspannt. Bei dem bekannten Verfahren und der Vorrichtung ist jedoch der im Kreislauf eingesetzte Arbeitsstoff unter Arbeitsbedingungen nicht verflüssigbar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strömungs­ maschine zur Erzeugung mechanischer Arbeit aus Wärmeenergie zu schaffen, die von einfacher Bauart ist, einen vereinfachten Arbeitskreislauf aufweist und bei der die anfallende Kondensa­ tionswärme mit geringen Wärmeverlusten durch eine reduzierte Anzahl von Wärmeübergängen effizient genutzt werden kann. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Erzeu­ gung mechanischer Arbeit aus Wärmeenergie mit einer solchen Strömungsmaschine und die Verwendung einer solchen Strömungs­ maschine in Zusammenhang mit einem Verbrennungsmotor, insbe­ sondere mit einem Kraftfahrzeugmotor anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 11 und 12 und eine Verwendung nach den Ansprüchen 16, 17 und 19 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich daraus, daß die Rückführung der Kondensationswärme mit der Verdichtung des dampfförmigen Arbeitsstoffes und die Entspannung des Arbeits­ stoffes im arbeitsleistenden Entspannungsorgan in einem ge­ meinsamen Kreislauf verbunden werden. In beiden Wirkungsbe­ reichen, d. h. sowohl in einen arbeitsleistenden Bereich als auch in einem wärmerückführenden Bereich kommt ein einheit­ liches Medium zum Einsatz, so daß im Kreislauf nur ein Ar­ beitsmittel zirkuliert. Hierdurch wird das Auftreten von Wär­ meübergangswiderständen vermieden. Darüber hinaus verringert sich die Anzahl der im Kreislauf auftretenden Elemente, so daß die bauliche Ausgestaltung vereinfacht werden kann.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung wird der verdampfte Ar­ beitsstoff vor dem Eintreten in den Arbeitsraum durch eine Pumpe verdichtet. Dies ermöglicht den Betrieb der erfindungs­ gemäßen Einrichtung auch bei sehr geringen Temperaturdifferen­ zen.

Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird der konden­ sierte Arbeitsstoff in der flüssigen Phase durch eine Pumpe mit einem Druck beaufschlagt. Hierdurch erfolgt die anschlie­ ßenden Verdampfung des Arbeitsstoffes bei einem hohen Druck in der Nähe des Sättigungsdruckes des Arbeitsstoffes und ermög­ licht so einen besonders vorteilhaften Betrieb der Strömungs­ maschine bei hohen Temperaturdifferenzen.

Bevorzugterweise ist der Arbeitsraum als Wärmerohr ausgebil­ det. Dies ermöglicht die Ausnutzung der besonders vorteilhaf­ ten Eigenschaften von Wärmerohren, wie z. B. deren hohe Wärme­ leitfähigkeit, Strömungsgeschwindigkeit etc.

Bevorzugterweise ist die Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln der kinetischen Energie des von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende des Arbeitsraumes strömenden dampfförmigen Ar­ beitsstoffes in mechanische Arbeit aus einer Axialturbine ge­ bildet. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Ausnutzung des Strömungsprofiles des strömenden Arbeitsstoffes.

Bevorzugterweise wird die durch die Umwandlungseinrichtung ge­ wonnene mechanische Energie über eine Magnetkupplung an einen Verbraucher oder Nutzer übertragen. Dies ermöglicht eine be­ sonders reibungsfreie Übertragung mit hermetischer Abdichtung des Arbeitsstoffes nach außen und ermöglicht eine einfache bauliche Gestaltung.

Die Strömungsmaschine erlaubt die Erzeugung mechanischer Ar­ beit aus Wärmeenergie beliebigen Ursprungs.

Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Mit Bezug auf Fig. 1 wird nun eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die Strömungsmaschine weist einen Arbeitsraum 1 in Form eines an beiden Enden durch eine erste 1a und eine zweite Seitenwand 1b begrenzten Hohlzylinders mit quadratischem, rechteckigem oder kreisförmigem Querschnitt auf.

In diesem Arbeitsraum 1 ist ein erster Abschnitt 2 angrenzend an die erste Seitenwand 1a an dem einen Ende des Hohlzylinders vorgesehen. Diesem ersten Abschnitt 2 gegenüberliegend ist ein zweiter Abschnitt 4 angrenzend an die zweite Seitenwand 1b an dem anderen Ende des Hohlzylinders vorgesehen. Zwischen dem ersten Abschnitt 2 und dem zweiten Abschnitt 4 ist ein Transportabschnitt 3 für den Arbeitsstoff definiert.

In diesem Merkmalen gleicht die Vorrichtung einem Wärmerohr und weist damit auch dessen Eigenschaften auf.

In dem Transportabschnitt 3 ist eine Turbine 5 in Form einer Axial- oder Schraubenturbine vorgesehen, deren Rotationsachse koaxial zur Zylinderachse verläuft.

Die Turbine 5, die eine Umwandlungseinrichtung zur Umwandlung kinetischer Energie in mechanische Arbeit darstellt, ist auf einer Achse 6, die entlang der Rotationsachse der Turbine 5 verläuft, befestigt. Diese Achse 6 ist im Inneren des Arbeitsraumes 1 drehbar gelagert und über eine Magnetkupplung 7 mit einem außerhalb des Arbeitsraumes 1 angeordneten Elektrogenerator 8 verbunden. Dabei stellt die Magnetkupplung 7 eine Übertragungsvorrichtung zur Übertragung der durch die Umwandlung von Wärmeenergie erzeugten mechanischen Arbeit dar, während der Generator 8 einen Nutzer der mechanischen Arbeit darstellt.

In dem Bereich des zweiten Abschnittes 4 sind auf der äußeren Mantelfläche des Hohlzylinders ein Wärmetauscher 10 und ein Kondensator 9 angeordnet. Der Kondensator 9 zum Kondensieren des dampfförmigen Arbeitsstoffes weist einen Eingang und einen Ausgang auf und ist mit seinem Eingang mit dem Inneren des Arbeitsraumes 1 im Bereich des zweiten Abschnittes verbunden. Der Kondensator 9 ist mit seinem Ausgang mit einem Eingang eines Verdampfers 11 verbunden. Ein Ausgang des Verdampfers 11 ist mit einem Eingang eines Verdichters 12 verbunden. Ein Ausgang des Verdichters 12 ist seinerseits mit dem Inneren des Arbeitsraumes 1 im Bereich des ersten Abschnittes 2 verbunden.

Der Wärmetauscher 10 ist mit dem zweiten Abschnitt 4 des Arbeitsraumes 1 und dem Kondensator 9 thermisch gekoppelt.

Der Arbeitsraum 1, der Kondensator 9, der Verdampfer 11 und der Verdichter 12 bilden einen geschlossenen Kreislauf, in dem der Arbeitsstoff zirkuliert.

Zwischen dem Verdichter 12 und dem ersten Abschnitt 2 des Arbeitsraumes 1 kann ein (nicht gezeigter) Puffer zum Ausgleich von Schwankungen der Wärmezuführung angeordnet sein.

Im Betrieb wird der Arbeitsstoff in dem Verdampfer 11 durch das Zuführen externer Wärmeenergie Q verdampft. Der dampfförmige Arbeitsstoff wird dem Verdichter 12 zugeführt. Der verdampfte Arbeitsstoff wird in dem Verdichter 12 komprimiert und strömt gegebenenfalls über den (nicht gezeigten) Wärme- oder Dampfpuffer in den ersten Abschnitt 2 des Arbeitsraumes 1. Der verdampfte Arbeitsstoff überströmt die in dem Transportabschnitt 3 angeordnete Turbine 5 und kondensiert anschließend in dem zweiten Abschnitt 4 des Arbeitsraumes 1 und dem Kondensator 9. Der kondensierte Arbeitsstoff wird dann wieder dem Verdampfer 11 zugeführt, wo er erneut verdampft wird. Dabei wird der Verdampfer 11 soweit das möglich ist durch Zuführung der Kondensationswärme des Kondensators bzw. Verflüssigers 9 beaufschlagt. Dies ist in Fig. 1 durch den Pfeil 13 angedeutet. Zusätzlich kann Kondensationswärme über den Wärmetauscher 10 bedarfsweise in die Umgebung abgegeben oder ebenfalls dem Verdampfer 11 zugeführt werden.

Durch das Überströmen der Turbine 5 durch den dampfförmigen Arbeitsstoff wird die in Form von Volumenausdehnarbeit erhaltene kinetische Energie des strömenden Arbeitsstoffes in mechanische Arbeit umgewandelt, indem die Turbine 5 in Rotation versetzt wird. Die durch Rotation der Turbine 5 gewonnene mechanische Arbeit wird über die an der Achse 6 befestigte Magnetkupplung 7 an den Generator 8 abgeführt.

Diese Arbeit kann teilweise zum Betreiben des Verdichters 12 verwendet werden, wie dies in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie von dem Generator 8 zu dem Verdichter 12 angedeutet ist. Der Verdichter 12 kann jedoch auch durch extern zugeführte mechanische Arbeit A betrieben werden.

Das Verfahren zum Betreiben der so gebildeten Strömungsmaschine weist eine Kombination von Clausius-Rankine- ähnlichen Prozeßabschnitten im Turbinen- oder Transportbereich 3 mit Prozeßabschnitten eines linksläufigen Carnot-Prozesses (Wärmerückgewinnung mit begrenzter Verdichtung und hoher Leistungszahl E) in einem Kreislauf zusammengefaßt auf. Die Rückführung des Arbeitsstoffes, nachdem die mechanische Arbeit geleistet wurde, erfolgt über Abschnitte des Carnot- Kreislaufes, während die Arbeitsleistung selbst über Abschnitte des Clausius-Rankine-Kreislaufes vonstatten geht. Die Verzahnung dieser beiden Kreisläufe ist ein wesentliches Merkmal dieser Ausführung.

Durch die Elimination von Wärmetauscherflächen und Wärmeübergängen in den Abschnitten, die für die Energieumwandlung von Bedeutung sind, d. h. insbesondere in dem ersten Abschnitt 2 und dem zweiten Abschnitt 4 des Ar­ beitsraumes 1, wird eine erhebliche Verbesserung des Lei­ stungsvermögens der Strömungsmaschine erzielt.

Darüber hinaus wird bei der oben dargestellten Strömungs­ maschine auf die Verwendung sonst üblicher Kapillarstrukturen an den Mantelinnenflächen des Arbeitsraumes 1 verzichtet. Hierdurch ist die Druckdifferenz zwischen dem ersten Abschnitt 2 und dem zweiten Abschnitt 4 des Arbeitsraumes 1 nicht auf die von den Kapillarkräften erzielbaren Druckwerte (z. B. 1.000 Pa) beschränkt, so daß die Turbine 5 auch für höhere Arbeits­ drücke ausgelegt und bei diesen betrieben werden kann. Die Kondensation des Arbeitsstoffes erfolgt unmittelbar nach dem Überströmen der Turbine 5. Dabei befindet sich der Ar­ beitsstoff so nahe an der Sättigungsgrenze, daß die Konden­ sation sicher erfolgen kann. Der Arbeitsstoff kann sich jedoch auch in einem leicht unterkühlten Zustand befinden, insbeson­ dere dann, wenn über den Wärmetauscher 10 Wärmeenergie nach außen abgegeben wird. Diese Unterkühlung weist jedoch nur einen kleinen Energiegehalt auf und beeinträchtigt den Kreis­ lauf kaum.

Da die Druck- und Temperaturabstände zwischen dem Niedrig­ druck- und dem Hochdruckbereich vor allem in Folge der Elimi­ nation von Wärmeübergängen noch geringere Werte zulassen, als dies bei in der Beschreibungseinleitung genannten Strömungs­ maschine der Fall ist, ist der Betrieb mit noch geringeren Temperaturdifferenzen zwischen dem Temperaturniveau einer Wärmequelle Q (z. B. am Verdampfer 11) und einer Wärmesenke (z. B. am Kondensator 9) möglich. Trotz des Verzichtes auf Kapillarkräfte verbessert sich der Wirkungsgrad, da nur ein einziger Arbeitsstoff zirkuliert und bedeutend weniger Energie bei Wärmeübergängen verloren geht.

Insbesondere ist der Betrieb nahezu bis auf die im Turbinen- oder Transportbereich 3 ausführbaren, vergleichsweise sehr niedrigen Temperaturdifferenzen möglich.

Besonders vorteilhaft wirkt sich diese Anordnung bei kleineren Aggregaten und Wärmeenergie liefernden Medien mit geringen und geringsten Temperaturdifferenzen, wie beispielsweise in der Natur vorkommende geringfügige Temperaturdifferenzen, sowie Wasserkraft, Umgebungswärme und besonders auch im Hinblick auf die Wärmerückführung im Kreislauf, deren Wärmepotential infol­ ge der durch die Verdichtung des Arbeitsstoffes erzeugten Temperatur- und Druckerhöhung wiederverwertbar ist, aus.

Als Arbeitsstoffe können je nach Temperatur- und Druckniveau beispielsweise R 134a (1,1,1,2 Tetrafluorethan) oder aber auch Arbeitsstoffe, wie sie aus der Kältetechnik oder bei Wärmeroh­ ren bekannt sind, verwendet werden, wie z. B. Ammoniak, Pro­ pane, Butane, FCKW, HFCKW, FKW, HFKW, CO₂, SO₂, u. a., aber auch Wasser und Alkohole, sowie azeotrope Gemische, z. B. R 404 A oder R 407 C. Darüber hinaus können im Hochtemperaturbereich auch niedrig schmelzende Metalle wie z. B. K, Na, Li, Hg oder Pb verwendet werden.

Mit Bezug auf Fig. 2 wird nun eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dabei werden gleiche oder identische Bauteile mit den selben Bezugszeichen bezeichnet.

Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die Anordnung der Elemente im Rückführabschnitt. So ist der Ausgang des Kondensators 9 mit einem Eingang einer Flüssigkeitspumpe 14 verbunden. Ein Ausgang der Flüssigkeitspumpe 14 ist mit einem Eingang des Verdampfers 11 verbunden. Ein Ausgang des Verdampfers 11 ist mit dem ersten Abschnitt 2 des Arbeitsraumes 1 verbunden. Ein Hilfswärmetauscher 15 ist mit dem Kondensator 9 und dem Verdampfer 11 verbunden. Die übrige Anordnung entspricht der der ersten Ausführungsform.

Bei dieser zweiten Ausführungsform erfolgt die bei der Wärmerückführung bzw. Rückführung des Arbeitsstoffes stattfindende Kompression des Arbeitsstoffes vom Niedrigdruckbereich in den Hochdruckbereich nicht durch die mechanische Verdichtung des dampfförmigen Arbeitsstoffes in einem Verdichter 12, sondern in zwei getrennten Schritten, einem mechanischen und einem thermischen.

In einem ersten Schritt erfolgt eine Kompression des den Kondensator 9 verlassenden flüssigen Arbeitsstoffes vom Niedrigdruck- in den Hochdruckbereich mittels der Flüssigkeitspumpe 14. In einem zweiten Schritt wird der flüssige Arbeitsstoff im nachgeordneten Verdampfer 11 in der Hochdruckzone bei angenähert isothermen Bedingungen verdampft. Die Zufuhr der dafür notwendigen Wärmeenergie Q erfolgt dabei durch eine externe Wärmequelle.

Da die Beaufschlagung mit Hochdruck des Arbeitsstoffes in der flüssigen Phase des Arbeitsstoffes erfolgt, wird hierfür wesentlich weniger mechanische Arbeit benötigt, als dies mit Bezug auf die bei der ersten Ausführungsform geschilderte Situation der Fall ist, in der die Druckerhöhung bzw. Verdichtung im dampfförmigen Zustand des Arbeitsstoffes erfolgt. Allerdings ist es hierfür erforderlich, daß die in der zweiten Ausführungsform dem Verdampfer 11 von außen zugeführte Wärmeenergie Q für den Verdampfungsvorgang mindestens ein Temperaturniveau aufweist, das dem des Hochdruckbereiches zuzüglich der für den Wärmeübergang in dem Verdampfer 11 erforderlichen Temperaturdifferenz entspricht.

Damit eignet sich die Strömungsmaschine nach der zweiten Ausführungsform besonders für die Umsetzung von Wärmeenergie, deren Temperaturniveau sich deutlich über dem der Umgebungstemperatur befindet, wie dies beispielsweise bei Verbrennungsmaschinen oder industriellen Wärmeprozessen als sogenannte Abfallwärme der Fall ist.

Für den gesamten Kreisprozeß ist nur so viel an mechanischer Arbeit erforderlich, wie für die Flüssigkeitspumpe 14 zur Flüssigkeitsverdichtung benötigt wird. Gegenüber der ersten Ausführungsform mit Arbeitsdampfkomprimierung durch den Verdichter 12 im Rückführabschnitt beträgt die benötigte mechanische Energie nur einen Bruchteil, der angenähert dem Volumenverhältnis zwischen dem flüssigen und dem dampfförmigen Aggregatzustand des Arbeitsstoffes entspricht. So beträgt z. B. das Volumen von flüssigem Ammoniak (bei 20°C) nur 1/91 des Dampfvolumens, daher muß gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 1 nur der 1/91 Teil des Volumens verdichtet werden. Die sich im Wärmerückführabschnitt ergebende Gesamtleistungszahl ε, als Verhältnis der gewonnenen Wärmeenergie bezogen auf die bei der Medienverdichtung zugeführten mechanischen Arbeit, ist somit bedeutend höher. Die zum Antrieb der Flüssigkeitspumpe 14 be­ nötigte mechanische Energie ist wesentlich kleiner als die bei der im Verdampfer an Volumenausdehnarbeit gewonnene Arbeit.

Die oben beschriebene Turbine 5 stellt eine Vorrichtung zum Umwandeln der kinetischen Energie des dampfförmigen Arbeits­ stoffes in mechanische Energie dar. Hierfür können jedoch auch Umwandlungsvorrichtungen verwendet werden, die nach dem Ver­ drängungsprinzip arbeiten. Dies wären beispielsweise Hub-, Kreis-, Drehkolben- , Zahnrad- und Flügelzellenaggregate. Dabei können insbesondere auch solche Aggregate verwendet werden, die kein inneres Arbeitsvolumen aufweisen, wie z. B. Aggregate in Zahnrad- oder Rootsbauart.

Im folgenden wird nun die Verwendung der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine in einem Kraftfahrzeug beschrieben. Kraft­ fahrzeuge und insbesondere Kraftfahrzeuge mit Verbrennungs­ motoren, weisen eine Vielzahl von Abwärmequellen auf, deren Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt werden kann, um so den Gesamtwirkungsgrad der Maschine zu erhöhen. Die Erfindung kann auch in Verbrennungsmotoren verwendet werden, die keine Kraftfahrzeugmotoren sind.

Für den Betrieb der Wärmeenergierückgewinnung nach der zweiten Ausführungsform und deren Umwandlung in nutzbare Arbeit wird dem Motor zur Verdichtung des flüssigen Arbeitsmediums in re­ lativ geringem Umfang mechanische Energie entnommen. Mit der anfallenden Motorabwärme wird ein Arbeitsstoff verdampft, ent­ sprechend dem Wirkungsgrad in einer Turbine in mechanische Energie umgewandelt und diese in der Regel dem Motor unmittel­ bar wieder zugeführt. Die zunächst nicht in Arbeit umgesetzte Wärmeenergie wird größtenteils wieder in den Arbeitskreislauf zurückgeführt und trägt damit infolge der durch den Verdichtungsvorgang im Rückführkreislauf ermöglichten Wiederverwendung zur Energieumwandlung des Arbeitsmediums zusätzlich bei.

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf die Verwendung von R 134a als Arbeitsstoff. Es können aber je nach Anwendung auch die anderen oben beschriebenen oder ähnliche Arbeitsstof­ fe verwendet werden.

Der Arbeitsstoff des Kreislaufes verläßt den Kondensator 9 mit einer Temperatur von ca. 40°C und einem Druck von ca. 10,2 bar. In der nachgeordneten Flüssigkeitspumpe 14, z. B. einer Zahnradpumpe, wird die Arbeitsflüssigkeit vom Niedrigdruck (10,2 bar = Sättigungsdruck bei 40°C) auf das Hochdruckniveau von ca. 26,3 bar (Sättigungsdruck bei 80°C) verdichtet bzw. mit Druck beaufschlagt.

Die benötigte mechanische Energie zum Antrieb der Flüssig­ keitspumpe 14 für die Verdichtung bzw. Druckerhöhung des flüssigen Arbeitsstoffes kann aus verschiedenen Quellen zu­ geführt werden, beispielsweise direkt vom Verbrennungsmotor (Kurbelwelle), von der Batterie, der Lichtmaschine, der Abgas­ turbine, der Turbine der Wärmerückgewinnung oder einer äußeren Zuführung (Stromnetz) bei einem stationären Verbrennungsmotor.

Im Verdampfer 11 wird der Arbeitsstoff im Hochdruckbereich bei ca. 80°C isotherm verdampft. Die Wärmeenergie für die Ver­ dampfung des Arbeitsstoffes kann aus mehreren Quellen mit un­ terschiedlichen Temperaturen stammen, wie z. B. der Abgaswärme, der Motorkühlung, gegebenenfalls der Ölkühlung, der Konden­ sationswärme des Kondensators 9 oder dem Fahrtwind.

In dem Hilfswärmetauscher 15 werden die unterschiedlichen Wär­ mequellen auf ein einheitliches Arbeitstemperaturniveau von ca. 80°C bis 90°C gemittelt. Dies entspricht etwa dem Temperaturniveau der quantitativ am meisten Wärme liefernden Motorkühlung, weshalb diese Wärmequelle gegebenenfalls auch direkt dem Verdampfer 11 zugeführt werden kann. Die Motorab­ gaswärme mit einer Temperatur von ca. 500°C bis 850°C oder etwas niedriger bei Mitwirkung eines Abgasturboladers, ist sehr schnell verfügbar und wird durch Abkühlen mit der o.g. Kondensationswärme (ca. 40°C) und dem Fahrtwind (Umgebungs­ temperatur) auf die Arbeitstemperatur von ca. 80°C bis 90°C eingestellt. Durch Einwirkung der heißen Motorabgase wird selbst bei einem Kaltstart die Arbeitstemperatur für die Ener­ gieumwandlung sehr schnell erreicht.

Der Arbeitsstoff (in diesem Beispiel R 134a) verläßt den Ver­ dampfer 11 und überströmt die nachgeordnete Turbine 5 im ge­ sättigten bzw. nahezu gesättigten Zustand mit einem Eintritts­ druck von ca. 26 bar und der Temperatur von ca. 80°C. Die von der Turbine 5 in Rotationsenergie umgesetzte Energie wird dem Motor gegebenenfalls über die Magnetkupplungen 7 und durch das Zwischenschalten eines Getriebes unmittelbar der Kurbelwelle oder dergleichen zugeführt.

Im Kondensator 9 erfolgt die Verflüssigung des entspannten Arbeitsstoffes bei einer Temperatur von ca. 40°C und einem Druck von ca. 10 bis 11 bar. Die entstehende Kondensations­ wärme wird dem Hilfswärmetauscher 15 zugeführt und dient unter Mitwirkung weiterer Wärmequellen der Erzeugung einer Misch­ temperatur von ca. 80°C bis 90°C. Soweit erforderlich, kann Wärmeenergie auch über den Wärmetauscher 10 nach außen abge­ führt werden. Der flüssige Arbeitsstoff gelangt anschließend wieder zur Flüssigkeitspumpe 14 und wird dort auf das Hoch­ druckniveau des Kreislaufes verdichtet.

Für die vorliegende Erfindung sind besondere, aufwendige Rege­ lungsvorrichtungen nicht erforderlich, da sich die Energie­ umsatzrate des Kreislaufes selbsttätig an die von dem Ver­ brennungsmotor abgegebene Wärmemenge anpaßt. Lediglich ein möglicher Wärmeenergienachlauf der Motorkühlung bei Drosselung kann mit einem Puffer, der entweder Wärmeenergie oder mechani­ sche Energie oder eine Kombination aus beiden speichert und eine schnelle Wiedereinspeisung in den Kreislauf gewährlei­ stet, durch Ableiten in die Umgebung (Hilfskühler an einer wärmezuführenden Stelle, z. B. vor Eintritt in den Verdampfer 11) kompensiert werden.

Mit dieser Wärmerückgewinnung kann der Motorkühler entfallen, es wird lediglich ein Hilfskühler für eine mögliche Wärmeab­ leitung nach außen erforderlich sein.

Die hier angeführten Hoch und Niedrigdruckwerte müssen keine festen Größen sein.

Bei intensiver Motorbeanspruchung kann die Mischtemperatur für den Verdampfungsvorgang im Verdampfer 11 steigen bzw. bei län­ gerer Drosselung fallen. Daher ist es zweckmäßig, wenn eine variable Druckregelung der Flüssigkeitspumpe 14 in Abhän­ gigkeit vom Temperaturniveau der im Hilfswärmetauscher 15 herrschenden Mischtemperatur erfolgt. Sättigungsdruck und Sät­ tigungstemperatur sollen durch diese Regelungsmaßnahme etwa übereinstimmen.

Claims (19)

1. Strömungsmaschine zur Erzeugung mechanischer Arbeit aus Wärmeenergie mit:
einem Arbeitsraum (1) mit einem einen Eingang für einen Arbeitsstoff aufweisenden ersten Ende (1a) und einem einen Ausgang für den Arbeitsstoff aufweisenden zweiten Ende (1b) und mit einer zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (1a, 1b) vorgesehenen Vorrichtung zum Umwandeln der kinetischen Energie (5) des vom ersten Ende (1a) zu dem zweiten Ende (1b) strömenden dampfförmigen Arbeitsstoffes in mechanische Energie, wobei ein an das zweite Ende (1b) angrenzender Bereich (4) des Arbeitsraumes (1) mit einer Wärmesenke (10) zum Kondensieren des Arbeitsstoffes verbunden ist und einer Rückführungsvorrichtung (11, 12, 14) zum Rückführen des Arbeitsstoffes von dem Ausgang in den Eingang des Arbeitsraumes (1), wobei die Rückführungsvorrichtung (11, 12, 14) einen mit einer Wärmequelle verbundenen Verdampfer (11) und eine Einrichtung zur Druckbeaufschlagung (12, 14) des Arbeitsstoffes aufweist.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung zur Druckbeaufschlagung (12) des Arbeits­ stoffes (12) dem Verdampfer (11) nachgeschaltet ist.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung zur Druckbeaufschlagung (14) des Arbeits­ stoffes (14) dem Verdampfer (11) vorgeschaltet ist.

4. Strömungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung zur Druckbeaufschlagung (14) eine Flüssig­ keitspumpe aufweist.

5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum (1) als Wärmerohr ausgebildet ist.

6. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Arbeitsstoff ein Stoff aus der Gruppe ist, die die Stoffe Ammoniak, Propane, Butane FCKW, HFCKW, FKW, HFKW, CO₂, SO₂, Wasser, Alkohole, K, Na, Li, Hg oder Pb einschließt.

7. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Umwandlungseinrichtung (5) zum Umwandeln kinetischer Energie in mechanische Arbeit als Axialturbine ausgebildet ist.

8. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Umwandlungseinrichtung (5) über eine Magnetkupplung (7) mit einem Verbraucher (8) verbunden ist.

9. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (11) über einen Hilfswärmetauscher (15) mit einer Wärmequelle (Q) verbunden ist.

10. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungseinrichtung nach dem Verdrängungsprinzip arbeitet und ein Hub-, Kreis-, Drehkolben-, Zahnrad- oder Flügelzellenaggregat aufweist.

11. Verfahren zur Erzeugung mechanischer Arbeit aus Wärme­ energie mit einer Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Schritte:
Verdampfen eines Arbeitsstoffes durch das Zuführen von Wär­ meenergie,
Verdichten des verdampften Arbeitsstoffes,
Umwandeln der kinetischen Energie des dampfförmigen Arbeits­ stoffes in mechanische Arbeit,
Kondensieren des dampfförmigen Arbeitsstoffes und erneutes Rückführen des Arbeitsstoffes zum Verdampfen.

12. Verfahren zur Erzeugung mechanischer Arbeit aus Wärme­ energie, mit den Schritten:
Verdampfen eines Arbeitsstoffes durch das Zuführen von Wärmeenergie,
Umwandeln der kinetischen Energie des verdampften Arbeits­ stoffes in mechanische Arbeit,
Kondensieren des verdampften Arbeitsstoffes,
Druckbeaufschlagung des kondensierten Arbeitsstoffes,
Rückführen zum erneuten Verdampfen des Arbeitsstoffes.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Arbeitsstoff nach der Umwandlung unmittelbar an der, der Kondensationstemperatur entsprechenden Sättigungsgrenze des Dampfdruckes oder in leicht unterkühltem Zustand befindet.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung bei einer Temperatur stattfindet, die dem Sät­ tigungsdampfdruck der Temperatur der für die Aufrechterhaltung des Verdampfungsvorganges zugeführten Wärmeenergie entspricht.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Kondensieren anfallende Kondensationswärme bei dem Schritt des Verdampfens verwendet wird.

16. Verwendung einer Strömungsmaschine nach einem der An­ sprüche 1 bis 10 in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kraftfahrzeug eine Verbrennungsmaschine, eine Kühlung und/oder eine Abgasleitung aufweist und daß die der Strö­ mungsmaschine zugeführte Wärmeenergie der Abwärme der Ver­ brennungsmaschine, der Kühlung oder der Abgasleitung oder einer Kombination derselben entnommen wird.

17. Verwendung einer Strömungsmaschine nach einem der An­ sprüche 1 bis 10 in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kraftfahrzeug eine Verbrennungsmaschine und ein Kühlsystem zur Kühlung der Verbrennungsmaschine aufweist und daß die der Strömungsmaschine zugeführte Wärmeenergie der Abwärme des Kühlsystems entnommen wird.

18. Verwendung einer Strömungsmaschine nach Anspruch 15, da­ durch gekennzeichnet, daß durch die Kühlung der Verbrennungsmaschine durch die Strö­ mungsmaschine auf den Einsatz eines Motorkühlers verzichtet werden kann.

19. Verwendung einer Strömungsmaschine nach einem der An­ sprüche 1 bis 10 in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kraftfahrzeug eine Verbrennungsmaschine, eine Lichtma­ schine, eine Abgasleitung mit einer Abgasturbine oder eine Batterie aufweist, und daß die zum Betrieb der Einrichtung zur Druckerhöhung (11, 12, 14) notwendige mechanische Arbeit der Verbrennungsmaschine, der Lichtmaschine, der Abgasturbine, der Batterie oder einer Kombination derselben entnommen wird.