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DE19948128A1 - A device for the conversion of heat into hydrodynamic energy for ship propulsion reduces pollution - Google Patents

A device for the conversion of heat into hydrodynamic energy for ship propulsion reduces pollution

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Publication number
DE19948128A1
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DE
Germany
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rotor
steam
cells
liquid
water
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Withdrawn
Application number
DE1999148128
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German (de)
Inventor
Werner Borutta-Mensing
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BORUTTA MENSING WERNER
Original Assignee
BORUTTA MENSING WERNER
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Publication date
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Priority to DE1999148128 priority Critical patent/DE19948128A1/en
Publication of DE19948128A1 publication Critical patent/DE19948128A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H11/00—Marine propulsion by water jets
    • B63H11/02—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water
    • B63H11/04—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps
    • B63H11/06—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps of reciprocating type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/0435—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines the engine being of the free piston type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/003—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00 free-piston type pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B9/00—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members
    • F04B9/08—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid
    • F04B9/12—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being elastic, e.g. steam or air
    • F04B9/129—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being elastic, e.g. steam or air having plural pumping chambers
    • F04B9/137—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being elastic, e.g. steam or air having plural pumping chambers the pumping members not being mechanically connected to each other

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Abstract

A cylindrical rotor is fitted with axial cylindrical cells within which pistons move. The rotor is in a housing fitted with steam inlet and outlet and forward and backward links to a hydromotor. Steam passes under pressure through the cell inlet and displaces the piston to the end of the cell, through the forward flow into the hydromotor pipeline and back through the backflow opening. Steam passes back through a condenser and liquid is again sprayed into the evaporator.

Description

Bei der Vorrichtung handelt es sich um eine Pumpe, die Wärme für den Antrieb von Schiffen und Hydromotoren nutzbar macht, wie es bisher überwiegend mit Kolben­ motoren mit innerer Verbrennung erreicht wird. Die herkömmliche Methode verursacht eine hohe Schadstoff- und Geräuschbelastung der Umwelt und deren Verminderung ist sehr aufwendig und teuer. Auch der Kurbel- und Ventiltrieb ist sehr aufwendig und erschütternd. Zudem ist das Drehmoment der Kolbenmotoren drehzahlabhängig, so daß es häufig durch ein Getriebe an die Erfordernisse angepaßt werden muß. Hier sollte eine deutliche Verbesserung erreicht werden.The device is a pump that uses heat to drive Ships and hydraulic motors can be used, as was previously the case with pistons engines with internal combustion is achieved. The conventional method causes is a high pollution and noise pollution of the environment and their reduction very complex and expensive. The crank and valve train is very complex and shattering. In addition, the torque of the piston motors is speed-dependent, so that it often has to be adapted to the requirements by a gear. Here should a significant improvement can be achieved.

Kernstück (Bild 1) des Verfahrens ist ein zylindrischer Rotor (1) mit axial angeordneten zylindrischen Zellen (8), in denen sich Kolben (3) zwischen den Enden frei bewegen kön­ nen. Der Rotor ist umgeben von einem Gehäuse (2), das an seinen Enden einerseits Öffnungen oder Anschlüsse als Dampfein- (4) bzw. -Austritt (5) und andererseits Vor­ laufanschluß (6) und Rücklaufanschluß (7) für einen Hydromotor aufweist. Die An­ schlüsse sind so angeordnet, daß jeweils Dampfeintritt (4) und Vorlaufanschluß (6) als auch Dampfaustritt (5) und Rücklauf (7) durch höchstens die Hälfte der Rotorzellen, beispielsweise eine Zelle, zumindest zeitweise miteinander verbunden sind.The heart of the process ( Figure 1) is a cylindrical rotor ( 1 ) with axially arranged cylindrical cells ( 8 ) in which pistons ( 3 ) can move freely between the ends. The rotor is surrounded by a housing ( 2 ), which has at one end openings or connections as steam inlet ( 4 ) or outlet ( 5 ) and on the other hand before run connection ( 6 ) and return connection ( 7 ) for a hydraulic motor. The connections are arranged so that each steam inlet ( 4 ) and flow connection ( 6 ) as well as steam outlet ( 5 ) and return ( 7 ) by at most half of the rotor cells, for example a cell, are at least temporarily connected to each other.

Strömt nun Dampf aus dem Verdampfer unter Druck durch den Eintritt (4) in die Zelle (8) so wird der Kolben (3) an das andere Ende des Rotors (1) geschoben. Die Hydraulik­ flüssigkeit wird dadurch aus der Vorlauföffnung (6) in die Leitung zu einem Hydromotor und zurück in die Rücklauföffnung (7) der Pumpe gedrückt und verdrängt dort den Dampf aus der Zelle des Rotors, die sich jetzt aufgrund seiner Drehung zwischen dem Rücklaufanschluß (7) und dem Dampfaustritt (5) befindet. Der Dampf verläßt die Pumpe und strömt in einen Kondensator, um dann als Flüssigkeit wieder in den Verdampfer eingespritzt zu werden.If steam now flows from the evaporator under pressure through the inlet ( 4 ) into the cell ( 8 ), the piston ( 3 ) is pushed to the other end of the rotor ( 1 ). The hydraulic fluid is thereby pressed from the feed opening ( 6 ) into the line to a hydraulic motor and back into the return opening ( 7 ) of the pump, where it displaces the steam from the rotor cell, which is now due to its rotation between the return connection ( 7 ) and the steam outlet ( 5 ). The steam leaves the pump and flows into a condenser, in order to be then injected as a liquid back into the evaporator.

Ersetzt man den Kondensator und den Verdampfer durch einen Kühler, einen Regenerator einen Verdichter und einen Erhitzer, so arbeitet die Vorrichtung als Heißgasmotor.If you replace the condenser and the evaporator with a cooler, one Regenerator a compressor and a heater, so the device works as Hot gas engine.

Anstelle des Hydraulikkreises kann auch Wasser direkt aus einem Gewässer entnommen und die Vorrichtung als Jetantrieb für Schiffe genutzt werden. Dazu bietet es sich an, die Einbaulage der Pumpe so zu wählen, daß ein Teil der Zellen sich durch die Fahrt des Schiffes zumindest teilweise mit Wasser füllen und bei Stillstand nicht leerlaufen kann. Instead of the hydraulic circuit, water can also be taken directly from a body of water removed and the device can be used as a jet propulsion system for ships. To do this It is important to choose the installation position of the pump so that a part of the cells can penetrate fill the ship's voyage at least partially with water and not when it is at a standstill can run empty.  

Das Verfahren kommt mit einfachen Baugruppen aus, was eine erhebliche Gewichts- und Kostenersparnis bedeutet. Die Äußere Beheizung läßt alle denkbaren Wärme­ quellen zu, bei Verbrennung mit geringster Abgasbelastung. Sowohl der Betrieb als Dampfkraftmaschine als auch als Antrieb nach dem Stirlingprinzip kann realisiert werden. Schon im Stillstand wird der Höchstdruck erreicht, so daß ein Drehmoment­ wandel in vielen Fällen entfallen kann.The process works with simple assemblies, which means a considerable weight and cost savings means. The outside heating leaves all possible warmth swell when burning with the lowest exhaust gas pollution. Both the operation as Steam engine as well as a drive according to the Stirling principle can be realized become. The maximum pressure is reached even at a standstill, so that a torque change can be omitted in many cases.

Durch eine Wärmerückgewinnung kann ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Es ist eine Heizung vorhanden, die auch für die Fahrgastraumbeheizung genutzt werden kann. Die Geräuschentwicklung ist niedrig, da nur gleichmäßige Strömungen und Drücke mit geringer Welligkeit auftreten. Der Hydraulische Antrieb kann mit wenig Zusatzaufwand als Bremse, Differential und Drehmomentwandler ausgebildet werden.A high level of efficiency can be achieved by heat recovery. It is there is a heater that can also be used to heat the passenger compartment can. The noise level is low because there are only even currents and Low ripple pressures occur. The hydraulic drive can do with little Additional effort to be trained as a brake, differential and torque converter.

Claims (25)

1. Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Strömungsenergie in Flüssigkeiten aus Wärme, insbesondere Verbrennungswärme, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf erzeugt und unter Druck in die Zellen (8) eines Rotors (1) geleitet wird, wodurch die darin befindliche Flüssigkeit verdrängt und in den Vorlauf (6) eines Hydromotors gedrückt und über den Rücklauf (7) in den Rotor (1) zurückgeführt wird, und die Flüssigkeit ihrerseits den Dampf aus den Zellen (8), die sich, jetzt mit Dampf gefüllt aufgrund der halben Drehung des Rotors (1) auf der anderen Seite des Gerätes befinden, verdrängt und durch einen Wärmetauscher und einen Kondensator, ggf. auch Regenerator, zurück in den Verdampfer geleitet wird;1. Apparatus and method for generating flow energy in liquids from heat, in particular combustion heat, characterized in that steam is generated and passed under pressure into the cells ( 8 ) of a rotor ( 1 ), whereby the liquid therein is displaced and in the flow ( 6 ) of a hydraulic motor and is returned via the return ( 7 ) into the rotor ( 1 ), and the liquid in turn the vapor from the cells ( 8 ), which are now filled with steam due to the half rotation of the rotor ( 1 ) are on the other side of the device, displaced and passed back into the evaporator through a heat exchanger and a condenser, possibly also a regenerator; 2. die Länge und Drehgeschwindigkeit des Rotors und die Anzahl seiner Zellen so bemessen sind, und die Anschlüsse (4) bis (6) so angebracht sind, daß durch die Drehung das Einströmen des Dampfes in eine Zelle abgeschlossen ist, bevor der Trennkolben seinen Wendepunkt am anderen Ende der Zelle erreicht hat und der Dampf in der Zelle genügend Zeit und Raum hat sich zu entspannen und seine Energie in den Hydraulikkreis möglichst weitgehend abgeben kann;2. The length and speed of rotation of the rotor and the number of its cells are dimensioned, and the connections ( 4 ) to ( 6 ) are fitted so that the flow of steam into a cell is completed by the rotation before the separating piston reaches its turning point has reached the other end of the cell and the steam in the cell has enough time and space to relax and can release its energy as far as possible into the hydraulic circuit; 3. vor (6)- und Rücklaufanschluß (7) sich an derselben Stirnseite des Rotors (1) und Ein (4)- und Austrittsöffnung (5) für den Dampf an der gegenüberliegenden Seite befinden;3. in front of ( 6 ) and return connection ( 7 ) are on the same end face of the rotor ( 1 ) and an inlet ( 4 ) and outlet ( 5 ) for the steam on the opposite side; 4. der Dampferzeuger möglichst nah am Rotor angebracht ist, damit das Dampfvolumen klein gehalten wird, wodurch eine schnelle Leistungsanpassung über die zu verdampfende Wassermenge erreicht werden kann;4. the steam generator is attached as close as possible to the rotor, so that Vapor volume is kept small, resulting in a quick performance adjustment the amount of water to be evaporated can be reached; 5. zum Antrieb von Schiffen der Flüssigkeitsstrahl aus der Vorlauföffnung (6) direkt als Jetantrieb genutzt wird und ein Hydromotor entfallen kann;5. for driving ships the liquid jet from the flow opening ( 6 ) is used directly as a jet drive and a hydraulic motor can be omitted; 6. im Falle der Ausführung nach Anspruch 5 der Wasseraustritt (6) und der Dampfaustritt (5) vorzugsweise auf derselben Stirnseite angeordnet sind und auf der anderen Stirnseite der Dampfeintritt (4) und der Wassereintritt (7) sich befinden;6. in the case of the embodiment according to claim 5, the water outlet ( 6 ) and the steam outlet ( 5 ) are preferably arranged on the same end face and on the other end face the steam inlet ( 4 ) and the water inlet ( 7 ) are located; 7. im Falle der Ausführung nach Anspruch 5 und 6 der Rotor und die Wassereintrittsöffnung vorzugsweise so im oder am Schiffsrumpf positioniert sind, daß bei Stillstand und Fahrt des Schiffes eine ausreichende Anzahl der Zellen sich selbsttätig mit Wasser aus dem Gewässer füllen kann;7. in the case of the embodiment according to claim 5 and 6, the rotor and Water inlet opening are preferably positioned in or on the ship's hull, that when the ship is at a standstill and cruising, there is a sufficient number of cells can automatically fill with water from the water; 8. im Falle einer der Ausführungen nach Anspruch 5 bis 7 in den Zellen keine Kolben vorhanden sind und der Dampf mit dem Wasserstrahl gemischt zum Antrieb des Schiffes genutzt wird und das Wasser zur Dampferzeugung dem Gewässer entnommen wird; 8. in the case of one of the embodiments according to claim 5 to 7 in the cells none Pistons are present and the steam mixed with the water jet for driving of the ship is used and the water for steam generation to the body of water is removed;   9. die Rotordrehung durch einen Hydromotor herbeigeführt wird, der vorzugsweise über einen Bypass aus dem Vorlauf gespeist wird;9. the rotor rotation is brought about by a hydraulic motor, which preferably is fed from the flow via a bypass; 10. der unter 9. genannte Hydromotor in das Pumpengehäuse (2) und/oder den Rotor (1) integriert ist;10. the hydraulic motor mentioned under 9 is integrated in the pump housing ( 2 ) and / or the rotor ( 1 ); 11. die Drehbewegung des Rotors (1) sich aus dessen Gestaltung und seiner Durchströmung ergibt;11. The rotary movement of the rotor ( 1 ) results from its design and its flow; 12. das Gehäuse (2) und/oder die Ein- und Austrittsöffnungen so gestaltet sind, daß sich der Rotor selbsttätig durch die strömende Flüssigkeit bzw. den Dampf dreht;12. the housing ( 2 ) and / or the inlet and outlet openings are designed in such a way that the rotor rotates automatically due to the flowing liquid or vapor; 13. der Rotor über einen Bypass aus dem Vorlauf in etwa tangential von einem Flüssigkeitsstrahl angeströmt und in Drehung versetzt wird, wobei die Mündung des Bypass vorzugsweise so angeordnet ist, daß der Strahl am Ende des Rotors und vorzugsweise dicht an seinem Umfang auf die radial verlaufenden Zellenwände trifft;13. the rotor via a bypass from the lead approximately tangential from one Flow of liquid is flowed and rotated, the mouth of the Bypass is preferably arranged so that the jet at the end of the rotor and preferably meets the radially extending cell walls close to its circumference; 14. die Drehung des Rotors regelbar, bzw. automatisch regelbar ist;14. The rotation of the rotor can be regulated or is automatically regulated; 15. anstelle des Dampfes ein anderes Gas, wie es vom Einsatz im Heißgaskolben­ motor her bekannt ist, als Medium zur Druckerzeugung erhitzt wird, wodurch die Vor­ richtung zu einem Heißgasmotor bzw. einer Heißgaspumpe wird;15. Instead of the steam, another gas as used in the hot gas piston motor ago is known, is heated as a medium for generating pressure, whereby the pre direction to a hot gas engine or a hot gas pump; 16. die Leistung der Maschine durch die zur Verdampfung bzw. Erhitzung zuge­ führte Flüssigkeits- bzw. Gasmenge geregelt wird;16. the performance of the machine by the evaporation or heating supplied led liquid or gas quantity is regulated; 17. die Leistung der Maschine zusätzlich oder ausschließlich durch die Zufuhr des Brennstoffes bzw. der zur Verdampfung/Erhitzung notwendigen Wärme geregelt wird;17. the performance of the machine additionally or exclusively through the supply of the Regulated fuel or the heat required for evaporation / heating becomes; 18. der Verdampfer bzw. Erhitzer ein ausreichend großes Vorratsvolumen besitzt, und die Leistung über ein Ventil geregelt wird, das die Dampf-/Gasmenge regelt, die in die Rotorzellen strömt;18. the evaporator or heater has a sufficiently large storage volume, and power is controlled by a valve that controls the amount of steam / gas that flows into the rotor cells; 19. in den Zellen (8) des Rotors (1) ein Kolben (3) vorhanden ist, der eine Ver­ mischung von Dampf bzw. Gas und Flüssigkeit verhindert;19. in the cells ( 8 ) of the rotor ( 1 ) there is a piston ( 3 ) which prevents mixing of steam or gas and liquid; 20. bei Ausführung nach Anspruch 19 die Querschnittsflächen der Zellen und der Kolben vorzugsweise zumindest annähernd Kreisflächen sind;20. in the embodiment according to claim 19, the cross-sectional areas of the cells and Pistons are preferably at least approximately circular surfaces; 21. Flüssigkeit, Gas und Rotorlage so gewählt werden, daß ein sicherer Betrieb auch ohne Kolben gewährleistet ist; 21. Liquid, gas and rotor position are selected so that safe operation is guaranteed even without pistons;   22. Dampf oder Gas zur Befüllung eines Energiespeichers genutzt wird, der es er­ möglicht für den Start Wasser dem Verdampfer bzw. Gas dem Erhitzer ohne weitere Pumpe zuzuführen;22. Steam or gas is used to fill an energy store, which it does possible for starting water the evaporator or gas the heater without further Feed pump; 23. der Rotor vorzugsweise in einer solchen Lage betrieben wird, daß auch bei Stillstand des Fahrzeugs die Flüssigkeit aufgrund ihres Gewichtes eine für den Start ausreichende Zellenfüllung des Rotors gewährleistet.23. the rotor is preferably operated in such a position that also at The vehicle stops the liquid due to its weight one for the start sufficient cell filling of the rotor is guaranteed. 24. die Ein- und Austrittsöffnungen in Gehäuse und Rotor so gestaltet sind und die Drehgeschwindigkeit des Rotors so gewählt ist, daß die in die Zellen einströmenden Flüssigkeits-, Dampf- bzw. Gassäulen sowie ggf. die Trennkolben (3) in ihrer Strömungsrichtung zum Ende der Zellen hin möglichst gleichmäßig abgebremst werden;24. the inlet and outlet openings in the housing and rotor are designed and the speed of rotation of the rotor is selected such that the liquid, steam or gas columns flowing into the cells and, if appropriate, the separating pistons ( 3 ) flow towards the end the cells are decelerated as evenly as possible; 25. bei einem Antrieb nach Anspruch 1 der Hydromotor in einen hydro­ dynamischen Wandler integriert oder mit einem solchen gekoppelt ist.25. In a drive according to claim 1, the hydraulic motor in a hydro dynamic converter is integrated or coupled with such.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10315746B3 (en) * 2003-04-04 2004-09-16 Fachhochschule Darmstadt, vertreten durch den Präsidenten Thermal engine for converting thermal energy into mechanical energy, e.g. topping turbine, has rotor essentially fully enclosing stator and essentially fully including steam generator and condenser

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10315746B3 (en) * 2003-04-04 2004-09-16 Fachhochschule Darmstadt, vertreten durch den Präsidenten Thermal engine for converting thermal energy into mechanical energy, e.g. topping turbine, has rotor essentially fully enclosing stator and essentially fully including steam generator and condenser

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