AT500641A1 - Verfahren und einrichtung zur umwandlung von wärmeenergie in kinetische energie - Google Patents

Description

··· · • · • · ··· Μ • Μ KR/11! Γι rvs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie, wobei ein Arbeitsmedium in mindestens einem durch einen Verdränger getrennten Arbeitsraum die folgenden Zustandsänderungen im Prozess durchläuft: - Verdichtung, vorzugsweise isotherme Verdichtung, unter Wärmeabfuhr in einem Kompressionsraum - Wärmeaufnahme, vorzugsweise isochore Wärmeaufnahme, in einem Regenerator während des Überschiebens des Arbeitsmediums vom Kompressionsraum in einen Expansionsraum - Expansion, vorzugsweise isotherme Expansion, unter Zufuhr von Wärme im Expansionsraum unter Abgabe von Nutzarbeit - Wärmeabfuhr, vorzugsweise isochore Wärmeabfuhr, im Regenerator beim Zurückschieben in den Kompressionsraum.

Ferner betrifft die Erfindung auch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Energie kann nicht „erzeugt“ werden im Sinne von neu erschaffen. Energie ist in den verschiedensten Formen in der Natur vorhanden, allerdings ist nicht jede vorhandene Energieform gleichgut für die menschlichen Bedürfnisse nutzbar. Man kann beispielsweise die Energie im Holz sehr gut für Heizzwecke nutzen, aber damit relativ schlecht Licht oder Kälte für den Kühlschrank usw. erzeugen.

Obwohl es für ganz bestimmte Anwendungen fast ideal zugängliche Energieformen gibt, wie beispielsweise das Erdöl für die Autos oder das Erdgas für industrielle Heizungen, ist aus Sicht des Menschen die universell einsetzbare Energie die elektrische Energie. Sie kommt aber in der Form, wie wir sie kennen, in der Natur praktisch nicht vor.

Das heißt, es muss eine zugängliche Energieform meist in mehreren Stufen und mit unterschiedlichen Wirkungsgraden erst in elektrische Energie 3 • · « · umgewandelt werden. Nimmt man beispielsweise die fossilen Energieträger wie Kohle, Erdgas und Erdöl, die die Energie der Sonne in Jahrmillionen in chemischer Form gespeichert haben, zur Erzeugung von elektrischer Energie, so werden drei Umwandlungsprozesse und entsprechende Industrieanlagen benötigt. Es wird zuerst die gespeicherte chemische Energie durch Verbrennen in Wärme umgewandelt. Mit der Wärme wird hochgespannter Dampf erzeugt, der in der Dampfturbine die Wärme in Bewegungsenergie, also in kinetische Energie, umwandelt. Die Dampfturbine treibt den Generator an, in dem die Bewegungsenergie schließlich in elektrische Energie umgewandelt wird.

Jede dieser Energieumwandlungen hat einen bestimmten Wirkungsgrad, das heißt es geht jedes Mal Energie verloren und der gesamte Wirkungsgrad ist entsprechend gering. So können nur rund 40% der Energie, die in Kohle, Erdgas und Erdöl gespeichert sind in elektrische Energie umgewandelt werden. Die restlichen 60% gehen als sogenannte Abwärme für die Nutzung in Form von Strom verloren.

Auch bei anderen Umwandlungsprozessen, wie etwa bei der Umwandlung der chemischen Energie im Erdöl zu Bewegungsenergie für den Antrieb von Autos, Schiff, Bahn oder auch Flugzeugen ist der Wirkungsgrad nicht besser, obwohl die Umwandlungskette kürzer ist.

Berücksichtigt man nur die riesigen Mengen an Strom, die weltweit verbraucht werden, erkennt man, welche gigantischen Energiemengen nicht genutzt werden können und verloren gehen. Ist der Verlust der für die Umwandlung in elektrische Energie nicht nutzbaren Primärenergie schon ein großes Problem, eben durch die Verschwendung der limitierten Ressourcen, so ist die mit der Umwandlung der chemischen Energie durch Verbrennen in Wärmeenergie untrennbar verbundene Umweltbelastung für die kommenden Generationen noch viel gravierender, wie Klimaänderungen infolge der Treibhausgase, wie beispielsweise die C02-Problematik zeigt.

Es ist daher nicht verwunderlich, dass die Menschheit seit Jahrzehnten versucht die Umwandlungsprozesse zu verbessern und zu optimieren bzw. auch Teile der Abwärme zu nutzen, wie z.B. bei der Fernwärme. Die Nutzung eines Teils der Abwärme aus den kalorischen Kraftwerken zur Raumheizung, ist schon ein bedeutender Beitrag zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Umwandlung. Auch die Anstrengungen andere Energieformen wie z.B. Windenergie oder Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln zeigen erste Erfolge.

Sehr viel versprechend sind auch die Versuche durch andere Umwandlungsprozesse die Umwandlungskette zu verkürzen und so den gesamten Wirkungsgrad zu verbessern. Ein solcher interessanter Umwandlungsprozesses ist im Stirlingmotor verwirklicht. Der Stirlingmotor kann Wärmeenergie direkt in kinetische Energie umwandeln ohne den „Umweg“ über dem Dampf.

Der Stirlingmotor ist nach der Dampfmaschine die Zweitälteste Wärmekraftmaschine, das heißt eine Maschine die Wärmeenergie in kinetische Energie umwandeln kann. Und obwohl der Stirlingmotor vom Prinzip her einen wesentlichen höheren Wirkungsgrad hat, als die Dampfmaschine und der Benzin- bzw. Dieselmotor, hat er bis heute keine größere Verbreitung erreicht. Während Dampfmaschine und Benzin- bzw. Dieselmotor laufend weiter entwickelt wurden, um neben der zufrieden stellenden Lebensdauer vor allem entsprechende Leistungsdichten bei beträchtlich gesteigerten Wirkungsgraden zu erreichen, ist der Stirlingmotor beinahe in Vergessenheit geraten. Erst in letzter Zeit gewinnt er wegen seiner geringeren Umweltbelastung und der Unabhängigkeit von der Wärmequelle zunehmend an Interesse. Er hat allerdings einen erheblichen Nachholbedarf an Forschungs- und Entwicklungsarbeit, um einen ähnlichen „Reifegrad“, wie heutige Dampfmaschinen oder der Benzinmotor im PKW zu erreichen. 5 ··· · • · ♦ • ♦ · ··· ·· • · ·

Sehr viel Entwicklungsarbeit ist beispielsweise noch notwendig um den Wirkungsgrad eines ausgeführten Stirlingmotors an den Wirkungsgrad des idealen Stirlingmotors, der ident ist mit dem des Carnot-Prozesses, heran zu bringen. Für einen eventuellen mobilen Einsatz muss vor allem an der Erhöhung der Leistungsdichte und an der Verbesserung des dynamischen Verhaltens bei raschen Lastwechseln gearbeitet werden.

Die wichtigsten Vorteile des Stirlingmotor gegenüber den herkömmlichen Wärmekraftmaschinen sind, auch wenn diese wegen des Entwicklungsmankos noch nicht immer zufrieden stellend realisiert werden konnten: 1. er arbeitet mit beliebigen Wärmequellen, wie beispielsweise Solaroder Prozessabwärme, Verbrennung von Biomasse, Deponiegas oder anderen brennbaren Abfällen bis hin zu Müll u.s.w.; 2. kontinuierliche Wärmezufuhr, das heißt es ist eine Verbrennung unter optimalen Bedienungen möglich, so dass wenig Schadstoffe im Abgas enthalten sind; 3. geschlossener Kreislauf - das Arbeitsmedium muss nicht ständig erneuert werden; 4. wegen der thermodynamisch günstigen Prozessführung sind prinzipiell sehr hohe Wirkungsgrade zu erwarten - auch im Teillastbereich; 5. hohe Laufruhe und Geräuscharmut.

Von der Ausführungsform werden derzeit drei unterschiedliche Typen von Stirlingmotoren unterschieden: der α - Typ, der ß - Typ und der γ - Typ. Diese Stirlingmotortypen unterscheiden sich in erster Linie durch das Funktionsprinzip und die konstruktive Umsetzung.

Der ideale Stirlingprozess entspricht einem Carnot - Prozess und hat deshalb einen sehr hohen Wirkungsgrad. In der Praxis ist allerdings eine exakte Umsetzung, das heißt eine genaue Nachbildung des idealen oder I · • · ··· ·

• · · · ♦ · « · «· ·· ··♦ besser des theoretischen Prozesses nicht möglich. Bei ausgeführten Maschinen müssen eine Reihe von konstruktiv bedingten Abweichungen hingenommen werden, die sich negativ auf Wirkungsgrad und Leistungsdichte auswirken.

So konnte bis jetzt bei ausgeführten bzw. gebauten Stirlingmotoren weder eine isochore Wärmeaufnahme oder isochore Wärmeabgabe, noch eine isotherme Verdichtung bzw. eine isotherme Expansion verwirklicht werden. Die Hauptgründe dafür sind in erster Linie die unvermeidlichen Toträume und die kontinuierliche statt diskontinuierliche Volumsänderung. Die Bewegung der Kolben und Verdränger erfolgt über Kurbeltriebe mit Schwungscheiben, so dass zwar in den Totpunkten eine Bewegungsumkehr erfolgt, aber eben kein kurzzeitiger Stillstand, wie es der theoretische Prozess verlangt.

Die drei Typen, die a-, ß- und γ-Maschine, entsprechen den drei bis jetzt entwickelten prinzipiellen konstruktiven Lösungen, um den idealen Stirlingprozess möglichst gut in den ausgeführten Maschinen nachbilden zu können.

Bei der oc - Maschine werden zwei Kolben in getrennten Zylindern verwendet, wobei ein Kolben im heißen Expansionsraum und der andere Kolben im kalten Kompressionsraum angeordnet sind. Beide Kolben sind je nach Arbeitsschritt bzw. Kurbelwellenwinkel entweder Arbeitskolben und dann wieder Verdränger.

Der größte Nachteil von α - Motoren ist die, die Lebensdauer des Motors stark einschränkende Kolbenabdichtung im heißen Expansionsraum, für die bis jetzt noch keine zufrieden stellende Lösung entwickelt werden konnte. Ein weiterer Nachteil ist der Kurbeltrieb mit der damit bedingten großen Abweichung von theoretischen Prozess bzw. dem geringen Wirkungsgrad. ♦ * y • · • · ··· ♦ • « · · • · · · Μ· ·· ···

Es sind bis heute eine Reihe von verschiedenen Anordnungen der Zylinder zueinander entwickelt worden, wie parallel, fluchtend gegenüber, parallel gegenüber, V-Zylinder oder der Rotationszylinder von Finkeistein usw., die alle gleich funktionieren, die gleichen Schwachstellen bzw. den selben geringen Wirkungsgrad haben.

Bei der ß - Maschine wird ein Kolben und ein Verdränger verwendet, wobei sowohl Kolben als auch Verdränger im selben Zylinder untergebracht sind. Für den komplizierten Bewegungsablauf von Kolben und Verdränger, die je nach Arbeitstakt sich einmal aufeinander zu bewegen, dann wieder sich in die selbe Richtung, beispielsweise zur Kurbelwelle hin bewegen oder der eine steht still bzw. sollte Stillstehen, während der andere sich bewegt, sind aufwendige Getriebe z.B. Rhombengetriebe erforderlich.

Der größte Nachteil der ß - Maschinen ist ähnlich wie bei den a - Motoren die trocken laufenden Dichtungen. Weiters der Bewegungsablauf von Kolben und Verdränger, der trotz aufwendiger Getriebe wie ein Kurbeltrieb wirkt und daher Totpunkte mit Bewegungsumkehr, aber keinen echten Stillstand hat. Auch beim ß - Typ ist der tatsächlich erreichte Wirkungsgrad ausgeführter Stirlingmaschinen weit weg vom Wirkungsgrad des idealen Stirlingprozesses.

Ein weiterer große Nachteil der ß - Maschinen ist das komplizierte Abdichtsystem der Verdrängerschubstange im Kompressionskolben. Durch die Anordnung von Kolben und Verdränger im selben Zylinder wird die Verdrängerschubstange durch den Kompressionskolben geführt.

Auch bei ß - Maschinen sind bis heute eine Reihe von verschiedenen Ausführungen entwickelt worden, wie z.B. Rankine-Napie oder Philips ohne die Nachteile der ß - Maschine beeinflussen zu können. • * • · 8 • Μ

Bei der γ - Maschine wird Kolben und Verdränger in separaten Zylindern angeordnet. Dadurch wird das aufwendige Dichtungssystem der Verdrängerschubstange im Kompressionskolben vermieden. Dafür erhöht sich das für den Wirkungsgrad schädliche Totvolumen.

Die größten Nachteile von γ - Maschinen sind, wie schon bei den cc - und ß -Maschinen beschrieben, die trocken laufenden Dichtungen des Arbeitskolben. Weiters der durch den Kurbelwellenantrieb bzw. durch den kurbelwellenähnlichen Antrieb verursachten Bewegungsablauf von Kolben und Verdränger, der eine gut Annäherung an den idealen Stirlingprozess bei ausgeführten Maschinen unmöglich macht. Daher hat auch die γ - Maschine einen wesentlich schlechteren Wirkungsgrad als der ideale Stirlingprozess.

Ein weiterer große Nachteil von γ- Maschinen ist das größere Totvolumen, was sich zusätzlich negativ auf den Wirkungsgrad auswirkt, sowie das relativ geringe erreichbare Verdichtungsverhältnis, so dass nur bescheidene Volumsleistungen erreichbar sind.

Neben den beschriebenen einfach wirkenden Maschinen, wurden auch doppelt wirkende Stirlingmaschinen entwickelt und ausgeführt, insbesondere vom α - Typ. Bekannt ist beispielsweise der Franchot-Stirlingmotor. Bei diesem Motor läuft im Raum oberhalb der beiden Kolben, aber auch unterhalb der Kolben jeweils ein Stirlingprozess ab, das heißt die beiden Zylinder führen mit der Kolbenober- bzw. -Unterseite immer zwei unterschiedliche Arbeitstakte von zwei verschiedenen Stirlingprozessen zur selben Zeit aus. Dabei begrenzen die beiden Kolben und die dazugehörigen Zylinder vier variable Volumen, welche paarweise als zwei separate α -Maschinen angesehen werden können. Wie in der einfach wirkenden α -Maschine müssen der Expansionskolben und der Kompressionskolben eine Phasenverschiebung von ca. 90° aufweisen. 9 ··· ♦ • · · • · ♦ ··

Der Wirkungsgrad von doppelt wirkenden α - Maschinen, wie der Franchot Stirlingmotor, ist nicht besser, als der von einfach wirkenden a - Maschinen. Auch die gravierenden Nachteile und Probleme bleiben gleich. Lediglich die Volumsleistung kann durch die Kompaktheit verbessert werden.

Bekannt ist auch der Siemens - Stirlingmotor, der mit beliebig vielen Zylindern die Standardkonfiguration der meisten leistungsstarkeren Stirlingmotore darstellt, wie z.B. der 4-95' er von United Stirling mit einer Leistung von ca. 52 kW mechanisch. Auch bei dieser Ausführung sind einige Bauarten entwickelt worden, wie zum Beispiel die Anordnung der Zylinder in Reihe, als „U“, als „V“, im Viereck oder im Kreis. Obwohl beim Siemens - Stirlingmotor die Anordnung von Erhitzer, Regenerator und Kühler so gewählt wurde, dass die Abdichtung des Kolbens in der Gehäusewand im kalten Teil liegt, bleiben die prinzipiellen Nachteile der a-Maschinen erhalten.

Bekannt sind auch Versuche das Prinzip des Stirlingmotors mit Freikolbenanordnungen oder als Kreiskolbenmotor, System Wankel, auszuführen. Eine Wirkungsgradverbesserung hat keine der Ausführungen gebracht, sondern im Gegenteil neben schlechteren Wirkungsgraden gegenüber der a - Maschine wurden die Nachteile und Probleme nur vergrößert.

Gemeinsam ist allen diesen verschiedenen Ausführungen von Stirlingmotoren die zusätzlichen Nachteile durch die Toträume in Wärmetauschern, Regeneratoren und Überströmleitungen, die das Druckverhältnis zusätzlich absenken und damit den Wirkungsgrad.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das einerseits die obigen Nachteile vermeidet und das es anderseits erstmals ermöglicht einen Stirlingmotor so auszuführen, dass dessen Arbeitsweise viel besser an den idealen Stirlingprozess angenähert werden kann als bisher. 10 ·♦· · • · • Μ · · M«

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium zwischen mindestens zwei geschlossenen Arbeitsräumen hin und her strömt, wobei zur Abgabe von Nutzarbeit das Arbeitsmedium zwischen den Arbeitsräumen über eine Arbeitsmaschine geführt wird, wobei die Wärmeaufnahme vor der Arbeitsmaschine und die Wärmeabfuhr nach der Arbeitsmaschine erfolgt und dass das Arbeitsmedium nach der Wärmeabfuhr im Arbeitsraum verdichtet wird und dass anschließend mittels des Verdrängers von einer Seite durch den Regenerator auf die andere Seite des Verdrängers strömt, wobei der Fluss des Arbeitsmediums über Steuerorgane, insbesondere Ventile, gesteuert wird und jeder Verdränger über einen Antrieb bewegt wird. Mit der Erfindung ist es erstmals möglich einen wesentlich höheren Wirkungsgrad zu erreichen, als mit allen bisher ausgeführten Stirlingmotoren.

Der höhere Wirkungsgrad ist vor allem auf die bessere Angleichung des ausgeführten Arbeitsprozesses an den theoretischen Kreisprozess, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht wird, zurück zu führen. Durch den Temperaturunterschied des Arbeitsmediums in den beiden gekoppelten Arbeitsräumen und durch die sich daraus ergebenden Druckunterschiede strömt es in den kalten Arbeitsraum und verrichtet dabei über eine Arbeitsmaschine Arbeit. Der sich einstellende Ausgleichszustand ist darauf zurückzuführen, dass der Großteil des Arbeitsmediums sich im kalten Arbeitsraum befindet. Beim darauf folgenden isochoren Regeneratortakt, unter Wärmezufuhr, baut sich der Druckunterschied in spiegelbildlicher Weise wieder zwischen den Arbeitsräumen auf und wird wieder über die Arbeitsmaschine in Arbeit umgewandelt. Dieses Verhalten steht in Analogie zu einem Schwingkreis und ermöglicht bei gleich bleibendem Carnot-Wirkungsgrad eine höhere Leistungsdichte bezogen auf die Menge des Arbeitsmediums als beim theoretischen idealen Stirlingprozess. • · · · · ·♦ · • · · t · » » · * · ♦ · ···· • · ··· · ··· ·· · · ·

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird der Arbeitsraum durch den Verdränger in einen doppelt wirkenden Arbeitsraum getrennt. Dadurch kann der Prozess schneller ablaufen, da Überströmstrecken entfallen. Darüber hinaus entfallen etwaige Abdichtungen gegenüber einem sonst notwendigen Pufferraum.

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung wird jeder Verdränger über einen eigenen Antrieb bewegt. Gemäß diesem Merkmal der Erfindung gibt es keine Kurbeltriebe oder kurbeltriebähnliche Antriebe, die hauptverantwortlich sind für die schlechte Annäherung der ausgeführten Prozesse an den idealen Stirlingprozess. Statt der Kurbelantriebe wird ein Linearantrieb verwendet, der unabhängig von anderen Bewegungen gesteuert werden kann, so dass beliebig viele und beliebig lange Stillstandzeiten zum Beispiel bei den Verdrängern erreicht werden.

Nach einer anderen Ausbildung der Erfindung werden die Verdränger der gekoppelten Arbeitsräume über eine starre Verbindung über einen Antrieb bewegt. Dadurch kann ein einfacher Aufbau erreicht werden, wobei beispielsweise zwei heiße bzw. kalte Arbeitsräume aneinander gekoppelt werden. Dies erlaubt ein vollständiges Eintauchen der heiß-heiß Arbeitsräume in die Wärmequelle, sowie das Eintauchen der kalt-kalt Arbeitsräume in die Kältequelle ohne dabei Verluste durch Wärmeleitung zwischen warmem und kaltem Quell-Medium zu bekommen. Die beiden Verdränger sind durch eine starre Schubstange miteinander verbunden, die die zwischen den Verdrängern wirkenden Kräfte aufnimmt. Zur Bewegung der Verdränger muss lediglich der Reibungswiderstand und die Strömungsverluste überwunden werden. Die Regeneratoren können sich auch innerhalb bzw. außerhalb der Schubstange befinden. Die Schubstange selbst muss nicht abgedichtet werden. Die theoretische Leistungsdichte bezogen auf die Menge des Arbeitsmediums ist höher als beim idealem Stirlingprozess. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Nutzung von Niedertemperatur für die Stromgewinnung als auch die Gewinnung von Kälte. 12 • · ·

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird der Arbeitsraum durch den Verdränger in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt, wobei das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen des Expansionsraumes über den diesen Arbeitsraum zugeordneten Regenerator zur Abgabe von Nutzarbeit über die Arbeitsmaschine und nach der Arbeitsmaschine, gegebenenfalls unter Auskopplung von Kälte, in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes strömt und anschließend durch die Bewegung des Verdrängers von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum zugeordneten Regenerator in den Expansionsraum desselben Arbeitsraumes strömt. Diese Ausführung ist der so genannte „kalte“ Motor. Die Arbeitsmaschine kann einfach ausgeführt werden, da sie keiner hohen Temperaturbeanspruchung ausgesetzt wird. Zusätzlich kann durch die Expansion des durch den Regenerator gekühlten kalten Arbeitsmediums Kälte erzeugt werden, die gegebenenfalls vor dem Einströmen in den kalten Arbeitsbereich über einen Wärmetauscher genutzt wird. Der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte liegen höher als bei einem γ-Typ Stirlingmotor der an der kalten Seite den Arbeitskolben angeflanscht hat.

Nach einer anderen Ausführung der Erfindung wird der Arbeitsraum durch den Verdränger in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt, wobei das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen des Expansionsraumes zur Abgabe von Nutzarbeit, gegebenenfalls über einen Erhitzer, über die Arbeitsmaschine strömt und anschließend über den Regenerator und gegebenenfalls über einen Verdichter, gegebenenfalls über einen weiteren Kühler, in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes strömt und anschließend durch die Bewegung des Verdrängers von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum zugeordneten Regenerator in den Expansionsraum desselben Arbeitsraumes strömt. Diese Ausführung ist der so genannte „heiße“ Motor. Der theoretische Wirkungsgrad dieses Typs ist annähernd dem des Carnot-Wirkungsgrades, die theoretische Leistungsdichte bezogen auf die Menge des Arbeitsmediums ist höher als die des idealen Stirlingprozesses. ·· ··· · ··· ·· ···

Gemäß einer noch anderen Ausführung der Erfindung wird der Arbeitsraum durch den Verdränger in jeweils zwei Expansions- bzw. zwei Kompressionsräume geteilt, wobei das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen eines Expansionsraumes über den diesen Arbeitsraum zugeordneten Regenerator zur Abgabe von Nutzarbeit über die Arbeitsmaschine strömt und nach der Arbeitsmaschine in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes strömt und anschließend durch die Bewegung des Verdrängers von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum zugeordneten Regenerator in den anderen Expansionsraum des Arbeitsraumes strömt. Wie bereits erwähnt, ermöglicht dieser „Niedertemperatur“ Motor die Nutzung von Niedertemperatur für die Stromgewinnung als auch Gewinnung von Kälte.

Nach einer weiteren besonderen Ausführung der Erfindung erfolgt die Wärmeaufnahme isobar, insbesondere unmittelbar, vor der Arbeitsmaschine. Der wesentliche Vorteil ist darin zu sehen, dass die Temperatur in den Verdrängern auf die maximale Regeneratortemperatur begrenzt ist, wobei die Regeneratortemperatur unter der Erhitzertemperatur liegt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Verdichtung mittels Druckausgleich und/oder durch einen Kompressor. Sollte die Verdichtung einzig und allein mittels Druckausgleich erfolgen, so entfällt eine rotierende Maschine, also der Kompressor. Der Prozess wird sicherlich einfacher. Unter Einbindung eines Kompressors wird ein noch höherer Wirkungsgrad erreicht.

Es ist aber auch Aufgabe der Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei geschlossene Arbeitsräume vorgesehen sind, wobei jeder Arbeitsraum durch einen über einen Antrieb bewegbaren Verdränger in zwei Sektionen geteilt ist, wobei eine Sektion einen Erhitzer und die andere Sektion einen Kühler aufweist und jeder Arbeitsraum einen ihm zugeordneten Regenerator aufweist, wobei beide Sektionen mit diesem 14 Μ· · • · · · · • · ·

Regenerator verbunden sind und dass mindestens eine Sektion jedes Arbeitsraumes mit einer Arbeitsmaschine verbunden ist, wobei die zur nachfolgenden Abgabe der Nutzarbeit herangezogene Sektion mit der korrespondierenden Sektion des anderen Arbeitsraumes verbunden ist und dass zur Steuerung des Arbeitsmediums Steuerorgane, insbesondere Ventile, vorgesehen sind. Wie bereits weiter oben erwähnt, wird mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eine höhere Leistungsdichte erreicht.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ist darin zu sehen, dass die Maschine mit einer niedrigen Taktfrequenz betrieben werden kann.

Die Arbeitsräume besitzen keine echten Kolbendichtungen und umgehen damit das Dichtungsproblem, das besonders bei größeren Kolbenvolumen auftritt. Durch den Wegfall dieses Problems können großvolumige Arbeitsräume Verwendung finden, die mit niedriger Taktfrequenz und diskontinuierlich betrieben werden können. Dadurch wird eine Annäherung an den idealen Stirlingprozess erreicht.

Durch die niedrigere Taktfrequenz und damit höhere Wärmeübergangszeit als bei herkömmlichen Stirling-Motoren können isotherme Prozesse besser realisiert werden. Die großen Wärmeübergangsflächen an den Arbeitsräumen kommen der Verwendung von Biomassebrennstoffen entgegen.

Ein weiterer Vorteil ist in der Minimierung des Totraumes zu finden. Der Totraum ist das Volumen, das am thermodynamischen Prozess nicht mitwirkt und sich dadurch schädlich auf den Wirkungsgrad auswirkt. Er entsteht virtuell durch sinusförmige Bewegung der Arbeitskolben, und real durch die vom Arbeitsmedium durchströmten Volumen des Regenerators, der Erhitzerrohre, etc. Durch das Verhältnis der großvolumigen Arbeitsräume und den dazu im Verhältnis kleinvolumigen Bauteilen wie Arbeitsmaschine, Regenerator, Erhitzer und Kühler ergibt sich ein günstiges Verhältnis von Totraum zu Arbeitsraum und liegt um ein vielfaches unter dem zur Zeit gebauten Maschinen. 15 • · · · ♦ · · · Μ ··♦ · IM Μ Ml

Vorteilhaft ist auch die Minimierung der Antriebskräfte. Sie setzen sich zusammen aus dem Strömungswiderstand des isochoren Überschiebens des Arbeitsmediums innerhalb der Arbeitsräume, das Betätigen der Ventile und gegebenenfalls die Kompression des Arbeitsmediums durch einen Verdichter. Einerder Hauptkomponenten, die Reibung der trocken laufenden Kolbendichtringe zusammen mit der Reibung des Kurbeltriebes entfallen.

Zusammenfassend kann also festgehalten werden, dass durch den Wegfall von bewegten, Temperatur belasteten und trocken laufenden, Dichtungen, die das Hauptproblem bisher dargestellt haben, es möglich ist, diesen Motor im Standard-Maschinenbau herzustellen. Die Trennung von Arbeitsraum und Arbeitsmaschine lassen den Einsatz von Standard-Maschinenelementen zu. Der Generator hat aufgrund der sich schnell drehenden Arbeitsmaschine eine kleinere Baugröße. Der Wegfall der mechanischen Antriebseinheit vereinfacht den Aufbau zusätzlich. Der Verdränger muß nicht mit der Arbeitsmaschine synchronisiert werden, der optimale Arbeitspunkt kann jeweils getrennt voneinander eingestellt werden.

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist in den Verbindungen zwischen Arbeitsmaschine und den einzelnen Sektionen jeweils mindestens ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil vorgesehen. Diese dienen der Entkoppelung des Arbeits- und Regeneratortaktes. Statt der Steuerung über Ventile könnte auch eine Schlitzsteuerung eingesetzt werden.

Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung sind vier, sechs oder mehr geradzahlige Arbeitsräume vorgesehen, wobei zwei Arbeitsräume immer miteinander gekoppelt sind. Durch die steigende Anzahl von gekoppelten Arbeitsräumen sinkt die prozessbedingte Welligkeit an der Arbeitsmaschine und der Regeneratortakt kann gegenüber dem Arbeitstakt verlängert werden.

Nach einem ganz besonderen Merkmal der Erfindung ist die Arbeitsmaschine eine Turbine, insbesondere eine Axial-, Radial- oder Teslaturbine. Durch die • · • • • ·· ♦ • · • • # · · • • · • • • · · • ·· • · · • ··· ·· ···

Verwendung von Turbinen ist der Wegfall von bewegten, Temperatur belasteten und trocken laufenden, Dichtungen gegeben, die das Hauptproblem bei Kolben betriebenen Stirlingmotoren darstellen. Bei der Scheiben oder Teslaturbine ist insbesondere eine bessere isotherme Expansion oder Kompression möglich.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Arbeitsmaschine ein Kolbenmotor. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass sie billig ist und mit Standardbauteilen ausgeführt werden kann.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Arbeitsmaschine ein Schraubenmotor. Der Schraubenmotor bietet wie die Turbinen den Vorteil der wegfallenden Dichtungen.

Nach einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Antrieb für den Verdränger ein Linearantrieb. Der Linearantrieb gewährleistet einen genau steuerbare Beschleunigung und Abbremsung des Verdrängers. Dadurch ist eine diskontinuierliche Bewegung, wie es dem idealen thermodynamischen Prozess entspricht, verlustarm möglich. Alle Durchführungen und somit Dichtungen für Gestänge oder Kurbeltrieb können entfallen. Eine mögliche schnelle Leistungsregelung ist durch die Änderung der Verdrängertaktfrequenz augenblicklich möglich und muß nicht durch die Veränderung der oberen Temperatur induziert werden. Damit ist im Teillastbereich eine sehr gute Steuerung möglich.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist dem Regenerator gegebenenfalls ein Erhitzer vor- und/oder nachgeschaltet. Der Erhitzer führt zusätzlich zum Erhitzerkopf des Arbeitsraumes dem Arbeitsmedium Energie zu, er vergrößert somit die Gesamtaufnahmefläche im heißen Bereich.

Eine besondere Ausführungsvariante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum durch den Verdränger in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt ist, dass der Expansionsraum mit dem diesen Arbeitsraum zugeordneten Regenerator und der Regenerator mit der 17 • · · 17 • · · ··· • · ··♦ ··

Arbeitsmaschine verbunden ist, dass die Abströmseite der Arbeitsmaschine mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes verbunden ist und dieser Kompressionsraum über den diesen Arbeitsraum zugeordneten Regenerator mit dem Expansionsraum desselben Arbeitsraumes verbunden ist, wobei zwischen Regenerator und Anströmseite der Arbeitsmaschine und Abströmseite der Arbeitsmaschine und Kompressionsraum jeweils ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil, vorgesehen ist. Hier gelten sinngemäß die Vorteile, die bereits weiter oben zum „kalten“ Motor aufgezeigt wurden.

Eine weitere besondere Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum durch den Verdränger in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt ist, dass der Expansionsraum mit der Anströmseite der Arbeitsmaschine und die Arbeitsmaschine mit ihrer Abströmseite über den Regenerator und gegebenenfalls über einen Verdichter mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes verbunden ist und dieser Kompressionsraum über den diesen Arbeitsraum zugeordneten Regenerator mit dem Expansionsraum desselben Arbeitsraumes verbunden ist, wobei zwischen Expansionsraum und Anströmseite der Arbeitsmaschine und Austrittsseite des Regenerators und Kompressionsraum jeweils ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil, vorgesehen ist. Hier gelten sinngemäß die Vorteile, die bereits weiter oben zum „heißen“ Motor aufgezeigt wurden.

Eine andere alternative Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum durch den Verdränger in jeweils zwei Expansions- bzw. zwei Kompressionsräume geteilt ist, dass jeder Expansionsraum über einen Regenerator mit der Anströmseite der Arbeitsmaschine und die Abströmseite der Arbeitsmaschine mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes verbunden ist und dieser Kompressionsraum über einen Regenerator mit dem Expansionsraum des anderen Arbeitsraumes verbunden ist, wobei zwischen dem den Expansionsraum nachgeschalteten Regenerator und der Anströmseite der Arbeitsmaschine und der Austrittsseite der Arbeitsmaschine und Kompressionsraum jeweils ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil, 18 • V • · • · f • 4 · · · • ·· m 9 • * • 4 * · ··· 4 f · · • · · · · • » vorgesehen ist. Hier gelten sinngemäß die Vorteile, die bereits weiter oben zum „Niedertemperatur“ Motor aufgezeigt wurden.

Natürlich könnten auch die heißen Gase expandiert werden, sinngemäß dem Arbeitsprinzip des heißen Motors.

Eine weitere Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung nach der Sektion, die mit der Arbeitsmaschine verbunden ist, ein Erhitzer angeordnet ist. Dadurch werden vor der Arbeitsmaschine höhere Temperaturen erreicht, die zu einer besseren Leistungsausbeute führen.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Erhitzer örtlich getrennt von der Sektion angeordnet, beispielsweise im Verbrennungsraum eines Heizkessels. Dadurch werden nur die als Erhitzer verwendeten Einrichtungsteile mit der höchsten Temperatur belastet, so dass nur diese Teile entsprechend dimensioniert werden müssen.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Einrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie als heißer Motor,

Fig. 2 die Einrichtung als kalter Motor,

Fig. 3 die Einrichtung als Niedertemperaturmotor,

Fig. 4 eine Ausführung der Einrichtung mit örtlich getrennten Erhitzern und

Fig. 5 ein Schema der Arbeitsweise einer Einrichtung. 19 ··· * t · «·* Μ • *4

Einführend sei festgehalten, dass in der beschriebenen Ausführungsform gleiche Teile bzw. Zustände mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile bzw. Zustände mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können.

Gemäß der Fig. 1 weist die Einrichtung unter Verwendung eines Arbeitsmediums zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie zwei geschlossene Arbeitsräume 1,2 auf, wobei jeder Arbeitsraum 1,2 durch einen bewegbaren Verdränger 3, 4 in zwei Sektionen, nämlich in einen Expansions- und einen Kompressionsraum, geteilt ist. Jeder Verdränger 3, 4 ist über einen Antrieb, insbesondere über einen Linearantrieb 5, bewegbar. Jeder Arbeitsraum 1,2 weist einen ihm zugeordneten Regenerator 6, 7 auf. Beide Sektionen des Arbeitsraumes 1 bzw. 2 sind mit diesem Regenerator 6 bzw. 7 über Leitungen 8, 9 bzw. 10, 11 verbunden.

Eine Sektion - im dargestellten Fall der Expansionsraum - jedes Arbeitsraumes 1, bzw. 2 ist mit einer Arbeitsmaschine 12 verbunden. Der zur Abgabe der Nutzarbeit herangezogene Expansionsraum des Arbeitsraumes 1 ist nach der Arbeitsmaschine 12 mit der korrespondierenden Sektion - also mit dem Kompressionsraum - des Arbeitsraumes 2 verbunden.

Zur Steuerung des Arbeitsmediums sind Steuerorgane, insbesondere Ventile 13, vorgesehen, die zwischen der Arbeitsmaschine 12 und den einzelnen Sektionen des Arbeitsraumes 1 bzw. 2 angeordnet sind. Statt der Ventile 13 könnte auch eine Schlitzsteuerung Anwendung finden.

Als Arbeitsmaschine 12 kann eine Turbine, insbesondere eine Axial- oder Radialturbine Verwendung finden. Natürlich ist als Arbeitsmaschine 12 auch 20 • · • · • · • ♦ • · · · · ein Kolben- oder Schraubenmotor möglich. Die Arbeitsmaschine 12 ist über eine Welle 17 mit dem Generator 18 verbunden.

Das Arbeitsmedium durchläuft im idealen Prozess folgende Zustandsänderungen: - isotherme Verdichtung unter Wärmeabfuhr in einem Kompressionsraum - isochore Wärmeaufnahme ein einem Regenerator 6 bzw. 7 während des Überschiebens des Arbeitsmediums vom Kompressionsraum in einen Expansionsraum - isotherme Expansion unter Zufuhr von Wärme im Expansionsraum unter Abgabe von Nutzarbeit - isochore Wärmeabfuhr im Regenerator 6 bzw. 7 beim Zurückschieben in den Kompressionsraum.

Generell kann aufgezeigt werden, dass das Arbeitsmedium zwischen den zwei doppelt wirkenden, geschlossenen Arbeitsräumen 1,2 hin und her strömt. Zur Abgabe von Nutzarbeit wird das Arbeitsmedium zwischen den Arbeitsräumen 1,2 über eine Arbeitsmaschine 12 geführt. Anschließend strömt das Arbeitsmedium im doppelt wirkenden Arbeitsraum 1, 2 mittels des Verdrängers 3 bzw. 4 von einer Seite durch den Regenerator 6 bzw. 7 auf die andere Seite des Verdrängers 3 bzw. 4, wobei der Fluss des Arbeitsmediums über die Ventile 13 gesteuert wird und jeder Verdränger 3, 4 über einen Antrieb 5 bewegt wird.

Wie bereits erwähnt, ist gemäß der Fig. 1 die Einrichtung, auch als 4-Quadranten-Turbine bezeichnet, als „heißer“ Motor aufgezeigt, da das Arbeitsmedium in seinem temperaturhöchsten Zustand über die Arbeitsmaschine 12 geführt wird. Der Expansionsraum ist mit der Anströmseite der Arbeitsmaschine 12 und die Arbeitsmaschine 12 mit ihrer Abströmseite über den Regenerator 6 bzw. 7 und über einen Verdichter 19 mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes 2 verbunden. Dieser Kompressionsraum ist über den diesen Arbeitsraum 2 zugeordneten Regenerator 7 mit dem Expansionsraum desselben Arbeitsraumes 2 verbunden, wobei zwischen Expansionsraum und Anströmseite ♦ · · · · t· · • · · · ι · · · 21 ·· · · · · ··· ·· ··· der Arbeitsmaschine 12 und Austrittsseite des Regenerators 7 und Kompressionsraum jeweils ein Ventil 13 vorgesehen ist.

Der Regenerator 6 bzw. 7 besteht aus einem Erhitzer 14, einem Koppelregenerator 15 und einem Kühler 16, wobei der Expansionsraum mit dem Erhitzer 14 und der Kompressionsraum mit dem Kühler 16 verbunden sind. Darüber hinaus ist der Regenerator 6 bzw. 7 in vertikaler Richtung in einzelne Sektoren unterteilt. Diese Sektoren sind zueinander entsprechend abgedichtet. In den inneren Sektoren strömt das Arbeitsmedium von der Arbeitsmaschine 12 zum Verdichter 19 und die äußeren Sektoren dienen für den Regeneratortakt des Arbeitsmediums.

Der Expansionsraum ist mit dem diesem Arbeitsraum 1 zugeordneten Erhitzer 14 des Regenerators 6 und der Regenerator 6 mit der Arbeitsmaschine12 verbunden. Die Abströmseite der Arbeitsmaschine 12 ist über den Kühler 16 mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes 2 verbunden und dieser Kompressionsraum ist über den diesen Arbeitsraum 2 zugeordneten Regenerator 7 mit dem Expansionsraum desselben Arbeitsraumes 2 verbunden. Zwischen Regenerator 6 bzw. 7 und Anströmseite der Arbeitsmaschine 12 und Abströmseite der Arbeitsmaschine 12 bzw. Verdichter 19 und Kompressionsraum ist jeweils ein Ventil 13 vorgesehen.

Gemäß der Fig. 2 ist die 4-Quadranten-Turbine als „kalter“ Motor aufgezeigt. Der Arbeitsraum 1,2 ist wieder durch den Verdränger 3, 4 in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt.

In diesem Fall strömt das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen des Expansionsraumes über den diesen Arbeitsraum 1 zugeordneten Regenerator 6 zur Abgabe von Nutzarbeit über die Arbeitsmaschine 12 und nach der Arbeitsmaschine 12 in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes 2. Anschließend strömt das Arbeitsmedium durch die Bewegung des Verdrängers 4 von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum 2 zugeordneten Regenerator 7 in den Expansionsraum desselben Arbeitsraumes 2 • · · · · ·· · ···· ···· ···· ···· 22 ·· ··· · ··· ·· ···

Gemäß der Fig. 3 ist die Einrichtung als Niedertemperaturmotor aufgezeigt. Dabei werden die Verdränger 3, 4 über eine starre Verbindung 20 über einen Antrieb 5 bewegt. Der Arbeitsraum 1,2 ist durch den Verdränger 3, 4 in jeweils zwei Expansions- bzw. zwei Kompressionsräume geteilt. Jeder Expansionsraum des Arbeitsraumes 1 ist über einen Regenerator 6, 7 mit der Anströmseite der Arbeitsmaschine 12 und die Abströmseite der Arbeitsmaschine 12 mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes 2 verbunden. Dieser Kompressionsraum ist über die Regeneratoren 6 bzw. 7 mit dem Expansionsraum des anderen Arbeitsraumes 1 verbunden, wobei zwischen dem den Expansionsraum nachgeschalteten Regenerator 6 bzw. 7 und der Anströmseite der Arbeitsmaschine 12 und der Austrittsseite der Arbeitsmaschine 12 und Kompressionsraum jeweils ein Ventil 13 vorgesehen ist.

Das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium strömt nach Verlassen eines Expansionsraumes über den diesen Arbeitsraum 1 zugeordneten Regenerator 6 bzw. 7 zur Abgabe von Nutzarbeit über die Arbeitsmaschine 12 und nach der Arbeitsmaschine 12 in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes 2. Anschließend strömt durch die Bewegung des Verdrängers 3 bzw. 4 das Arbeitsmedium von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum 2 zugeordneten Regenerator 6 bzw. 7 in den anderen Expansionsraum des Arbeitsraumes 1.

Zur Kühlung des Arbeitsraumes 2 kann dieser beispielsweise im Erdreich angeordnet werden.

Darüber hinaus können die Verdränger 3 bzw. 4 auch als gekoppelte Membranen ausgeführt werden.

Gemäß der Fig. 4 wird jeder Arbeitsraum 1,2 durch den Verdränger 3, 4 in einen Expansionsraum und in einen Kompressionsraum unterteilt. Jeder Verdränger 3, 4 ist über einen Antrieb, insbesondere über einen Linearantrieb 5, bewegbar. Darüber hinaus ist jeder Verdränger 3, 4 in einer Führung 22 gelagert. Jeder Arbeitsraum 1,2 weist einen ihm zugeordneten 23 ·· · ·

Regenerator 6, 7 auf. Beide Sektionen des Arbeitsraumes 1 bzw. 2 sind mit diesem Regenerator 6 bzw. 7 über Leitungen verbunden.

Ferner ist der Expansionsraum mit einem Zwischenerhitzer 21 ausgestattet.

Dieser Zwischenerhitzer 21 kann als geschichteter Zwischenerhitzer 21 ausgeführt sein oder in Form von Lamellenpaketen aufgebaut werden. Der Kompressionsraum ist mit einem Kühler 16 versehen.

Der Expansionsraum ist gegebenenfalls über den Zwischenerhitzer 21 mit einem örtlich getrennten Erhitzer 14 verbunden. Der Erhitzer 14 könnte in einem Heizkessel angeordnet sein. In dem Erhitzer 14 erfolgt die isobare Erhitzung. Das Arbeitsmedium strömt vom Erhitzer 14 über die Arbeitsmaschine 12. Die Arbeitsmaschine 12, vorzugsweise eine Tesla-Turbine, ist mit einer direkten Welle 17 mit einem Generator 18 gekoppelt.

Zusammenfassend wird der Prozess nochmals aufgezeigt. Das verdichtete Arbeitsmedium strömt vom Kompressionsraum des Arbeitsraumes 1 über den zugehörigen Regenerator 6 und Zwischenerhitzer 21 in den Expansionsraum des gleichen Arbeitsraumes 1 und wird dabei isochor erhitzt. Das Überströmen erfolgt auf Grund der Bewegung des Verdrängers 3. Nach Verlassen des Expansionsraumes des Arbeitraumes 1 strömt das Arbeitsmedium über den externen Erhitzer 14, in dem eine isobare Wärmeaufnahme erfolgt, zur Arbeitsmaschine 12.

Von der Arbeitsmaschine 12 strömt das Arbeitsmedium über den Regenarator 7 und den Kühler 16 in den Kompressionsraum des Arbeitsraumes 2 und wird durch das Nachströmen oder einen Kompressor isotherm verdichtet. Die Verdichtungswärme wird im Kühler 16 des Arbeitsraumes 2 abgegeben. Durch die Bewegung des Verdrängers 4 im Arbeitsraum 2 wird das verdichtete Arbeitsmedium über Regenerator 7 und den Zwischenerhitzer 21 in den Expansionsraum des Arbeitsraumes 2 übergeleitet. 24 ·· · • · · • · • · · · ·

Nach Verlassen des Expansionsraumes des Arbeitraumes 2 strömt das Arbeitsmedium über den externen Erhitzer 14, in dem eine isobare Wärmeaufnahme erfolgt, zur Arbeitsmaschine 12. Von der Arbeitsmaschine 12 strömt das Arbeitsmedium sinngemäß wieder in den Kompressionsraum des Arbeitsraumes 1.

Im Prinzip durchläuft das Arbeitsmedium eine Achterschleife, wobei die Arbeitsmaschine 12 im Mittelpunkt vorgesehen ist. Die einzelnen Verfahrensschritte werden durch die entsprechenden - nicht dargestellten -Ventile gesteuert.

Gemäß der Fig. 5 wird die Arbeitsweise der Einrichtung mit der Ventilsteuerung an Hand eines realen Beispieles beschrieben. Im Arbeitsraum 1 mit dem Verdränger 3 weist das Arbeitsmedium eine Temperatur To von 530°C und einen Druck Po von 30 bar auf. Im Arbeitsraum 2 mit dem Verdränger 4 herrscht eine Temperatur Pu von 30°C und ein Druck Pu von 10 bar. Durch den im Verdrängertakt erzeugten Druckunterschied zwischen Arbeitsraum 1 und 2 öffnet sich Ventil 23 und 24 in Durchlassrichtung. Das 530°C heiße Arbeitsmedium strömt nun aus dem Arbeitsraum 1 über das Ventil 23 in den Erhitzer 14, wo es auf 630°C überhitzt wird und anschließend in der Arbeitsmaschine 12 durch die polytrope Entspannung wieder auf 530°C gebracht wird. Anschließend gelangt das Arbeitsmedium durch Ventil 24, den Regenerator 7, wo es auf 60°C abkühlt wird, den Kühler 16, wo es auf 30°C abgekühlt wird, in den Arbeitsraum 2. Die Ventile 25 und 26 liegen in Sperrrichtung zum Druckunterschied und öffnen sich erst nach dem darauf folgendem Regeneratortakt, d.h. beim nächsten Arbeitstakt.

Der Regeneratortakt beginnt nachdem der Arbeitstakt einen Druckausgleich zwischen den beiden Arbeitsräumen 1,2 hergestellt hat; d.h. im gesamten System herrscht der gleiche Druck (Mitteldruck). Die Verdränger 3, 4 bewegen sich nun in die gegenüberliegende Totpunktlagen und verschieben dabei das Arbeitsmedium durch die Regenerator-Kühlereinheit auf die jeweils andere Seite des Verdrängers 3, 4. Die dabei ablaufende isochore

Erhitzung bzw. Abkühlung des Arbeitsmediums bewirkt eine Druckveränderung im jeweiligem Arbeitsraum 1,2; d.h. beim Überschieben vom Kaltem ins Heiße tritt Druckerhöhung auf, beim Überschieben vom Heißem ins Kalte tritt Druckverminderung auf Der Regeneratortakt ist hiermit beendet und der Druckunterschied wird für den darauf folgenden Arbeitstakt genutzt.

Abschließend sei der Ordnung halber darauf hingewiesen, dass in der Zeichnung einzelne Bauteile und Baugruppen zum besseren Verständnis der Erfindung unproportional und maßstäblich verzerrt dargestellt sind.

Claims (21)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie, wobei ein Arbeitsmedium in mindestens einem durch einen Verdränger getrennten Arbeitsraum die folgenden Zustandsänderungen im Prozess durchläuft: - Verdichtung, vorzugsweise isotherme Verdichtung, unter Wärmeabfuhr in einem Kompressionsraum - Wärmeaufnahme, vorzugsweise isochore Wärmeaufnahme, in einem Regenerator während des Überschiebens des Arbeitsmediums vom Kompressionsraum in einen Expansionsraum - Expansion, vorzugsweise isotherme Expansion, unter Zufuhr von Wärme im Expansionsraum unter Abgabe von Nutzarbeit - Wärmeabfuhr, vorzugsweise isochore Wärmeabfuhr, im Regenerator beim Zurückschieben in den Kompressionsraum, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium zwischen mindestens zwei geschlossenen Arbeitsräumen (1,2) hin und her strömt, wobei zur Abgabe von Nutzarbeit das Arbeitsmedium zwischen den Arbeitsräumen (1, 2) über eine Arbeitsmaschine (12) geführt wird, wobei die Wärmeaufnahme vor der Arbeitsmaschine (12) und die Wärmeabfuhr nach der Arbeitsmaschine (12) erfolgt und dass das Arbeitsmedium nach der Wärmeabfuhr im Arbeitsraum (1,2) verdichtet wird und dass anschließend mittels des Verdrängers (3,4) von einer Seite durch den Regenerator (6, 7) auf die andere Seite des Verdrängers (3, 4) strömt, wobei der Fluss des Arbeitsmediums über Steuerorgane, insbesondere Ventile (13,23, 24, 25, 26), gesteuert wird und jeder Verdränger (3, 4) über einen Antrieb (5) bewegt wird. 1. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1,2) durch den Verdränger (3, 4) in einen doppelt wirkenden Arbeitsraum (1,2) getrennt wird. ·· 27 *.« ♦ • · ·
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Verdränger (3,4) über einen eigenen Antrieb (5) bewegt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdränger (3,4) der gekoppelten Arbeitsräume (1,2) über eine starre Verbindung (20) über einen Antrieb bewegt werden.
4. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1 bzw. 2) durch den Verdränger (3 bzw. 4) in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt wird, wobei das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen des Expansionsraumes über den diesen Arbeitsraum (1 bzw. 2) zugeordneten Regenerator (6 bzw. 7) zur Abgabe von Nutzarbeit über die Arbeitsmaschine (12) und nach der Arbeitsmaschine (12), gegebenenfalls unter Auskopplung von Kälte, in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes (1 bzw. 2) strömt und anschließend durch die Bewegung des Verdrängers (3 bzw. 4) von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum (1 bzw. 2) zugeordneten Regenerator (6 bzw. 7) in den Expansionsraum desselben Arbeitsraumes (1 bzw. 2) strömt.
5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1 bzw. 2) durch den Verdränger (3 bzw. 4) in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt wird, wobei das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen des Expansionsraumes zur Abgabe von Nutzarbeit, gegebenenfalls über einen Erhitzer (14), über die Arbeitsmaschine (12) strömt und anschließend über den Regenerator (6 bzw. 7) und gegebenenfalls über einen Verdichter (19), gegebenenfalls über einen weiteren Kühler (16), in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes (1 bzw. 2) strömt und anschließend durch die Bewegung des Verdrängers (3 bzw. 4) von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum (1 bzw. 2)zugeordneten 28 V * 9 9 • ·· · ♦ • · • · • • • M • • · • • • · · • ♦ · • tt • ·♦· ·· ♦ ·· Regenerator (6 bzw. 7) in den Expansionsraum desselben Arbeitsraumes (1 bzw. 2) strömt.
6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1 bzw. 2) durch den Verdränger (3 bzw. 4) in jeweils zwei Expansions- bzw. zwei Kompressionsräume geteilt wird, wobei das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen eines Expansionsraumes über den diesen Arbeitsraum (1 bzw. 2) zugeordneten Regenerator (6 bzw. 7) zur Abgabe von Nutzarbeit über die Arbeitsmaschine (12) strömt und nach der Arbeitsmaschine (12) in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes (1 bzw. 2) strömt und anschließend durch die Bewegung des Verdrängers (3 bzw. 4) von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum (3 bzw. 4) zugeordneten Regenerator (6 bzw. 7) in den anderen Expansionsraum des Arbeitsraumes (1 bzw. 2) strömt.
7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 oder x, y, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahme isobar, insbesondere unmittelbar, vor der Arbeitsmaschine (12) erfolgt.
8. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 oder x, y, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung mittels Druckausgleich und/oder durch einen Kompressor erfolgt.
9. 9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei geschlossene, Arbeitsräume (1,2) vorgesehen sind, wobei jeder Arbeitsraum (1,2) durch einen über einen Antrieb (5) bewegbaren Verdränger (3,4) in zwei Sektionen geteilt ist, wobei eine Sektion einen Erhitzer (14) und die andere Sektion einen Kühler (16) aufweist und jeder Arbeitsraum (1,2) einen ihm zugeordneten Regenerator (6, 7) aufweist, wobei beide Sektionen mit diesem Regenerator (6, 7) verbunden sind und dass mindestens eine Sektion jedes Arbeitsraumes (1,2) mit einer 29 • 9 9 9 • ·· 1 « 44 4 · 4 • · ·* 9 * 4 4 4 9 4 ♦ · + ·· 4 ·*· ·· 49 Arbeitsmaschine (12) verbunden ist, wobei die zur nachfolgenden Abgabe der Nutzarbeit herangezogene Sektion mit der korrespondierenden Sektion des anderen Arbeitsraumes (1,2) verbunden ist und dass zur Steuerung des Arbeitsmediums Steuerorgane, insbesondere Ventile (13, 23, 24, 25, 26), vorgesehen sind.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verbindungen zwischen Arbeitsmaschine (12) und den einzelnen Sektionen jeweils mindestens ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil (13, 23, 24, 25, 26), vorgesehen ist.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass vier, sechs oder mehr geradzahlige Arbeitsräume (1,2) vorgesehen sind, wobei zwei Arbeitsräume (1, 2) immer miteinander gekoppelt sind.
12. 12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (12) eine Turbine, insbesondere eine Axial- Radial- oder Teslaturbine ist.
13. 13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (12) ein Kolbenmotor ist.
14. 14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (12) ein Schraubenmotor ist.
15. 15. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (5) für den Verdränger ein Linearantrieb ist.
16. 16. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Regenerator (6, 7) gegebenenfalls ein Erhitzer (14) vor- und/oder gegebenenfalls ein Kühler (16) nachgeschaltet ist. « 4 ·· • ·# · · ·· • 1 • • ft ·· • • · • • • · · • t« ··· • • · · · · ···
17. 17. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1,2) durch den Verdränger (3, 4) in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt ist, dass der Expansionsraum mit dem diesem, Arbeitsraum (1,2) zugeordneten Regenerator (6, 7) und der Regenerator (6, 7) mit der Arbeitsmaschine (12) verbunden ist, dass die Abströmseite der Arbeitsmaschine (12) mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes (1,2) verbunden ist und dieser Kompressionsraum über den diesen Arbeitsraum (1,2) zugeordneten Regenerator (6, 7) mit dem Expansionsraum desselben Arbeitsraumes (6,7) verbunden ist, wobei zwischen Regenerator (6, 7) und Anströmseite der Arbeitsmaschine (12) und Abströmseite der Arbeitsmaschine (12) und Kompressionsraum jeweils ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil (13, 23,24, 25, 26), vorgesehen ist.
18. 18. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1, 2) durch den Verdränger (3,4) in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt ist, dass der Expansionsraum mit der Anströmseite der Arbeitsmaschine (12) und die Arbeitsmaschine (12) mit ihrer Abströmseite über den Regenerator (6, 7) und gegebenenfalls über einen Verdichter (19) mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes (1,2) verbunden ist und dieser Kompressionsraum über den diesen Arbeitsraum (1,2) zugeordneten Regenerator (6, 7) mit dem Expansionsraum desselben Arbeitsraumes (1, 2) verbunden ist, wobei zwischen Expansionsraum und Anströmseite der Arbeitsmaschine (12) und Austrittsseite des Regenerators (6, 7) und Kompressionsraum jeweils ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil (13, 23, 24, 25, 26), vorgesehen ist.
19. 19. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1 bzw. 2) durch den Verdränger (3 bzw. 4) in jeweils zwei Expansions- bzw. zwei Kompressionsräume geteilt ist, dass jeder Expansionsraum über einen Regenerator (6 bzw. 7) mit der Anströmseite der Arbeitsmaschine (12) und die Abströmseite der 31 • · Ml · · • Μ Arbeitsmaschine (12) mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes (1 bzw. 2) verbunden ist und dieser Kompressionsraum über einen Regenerator (6 bzw. 7) mit dem Expansionsraum des anderen Arbeitsraumes (1 bzw. 2) verbunden ist, wobei zwischen dem den Expansionsraum nachgeschalteten Regenerator (6 bzw. 7) und der Anströmseite der Arbeitsmaschine (12) und der Austrittsseite der Arbeitsmaschine (12) und Kompressionsraum jeweils ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil (13, 23,24,25, 26) vorgesehen ist.
20. 20. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung nach der Sektion, die mit der Arbeitsmaschine (12) verbunden ist, ein Erhitzer (14) angeordnet ist.
21. 21. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzer (14) örtlich getrennt von der Sektion angeordnet ist, beispielsweise im Verbrennungsraum eines Heizkessels.

    Erneuerbare Enorgiegev go GmbH & Co KG