DE102006011380A1

DE102006011380A1 - Wärmekraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Wärmekraftmaschine sowie Verfahren zum Umwandeln von Energie

Info

Publication number: DE102006011380A1
Application number: DE102006011380A
Authority: DE
Inventors: Michael Waldmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Iboooster Innovations De GmbH
Priority date: 2005-03-12
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: DE102006011380B4

Abstract

Um Wärmekraftmaschinen zum Umwandeln von Energie, wie etwa Umgebungswärmeenergie in kinetische Energie, weiterzuentwickeln, schlägt die Erfindung eine Wärmekraftmaschine mit einem Motor und mit einem Arbeitskreislauf zum Antreiben des Motors und mit einem Energieträgerkreislauf vor, welcher zum Erwärmen des Motors mit diesem Motor wechselwirksam verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine zum Umwandeln von Energie, wie etwa Umgebungswärmeenergie in kinetische Energie, mit einem Motor und mit einem Arbeitskreislauf zum Antreiben des Motors. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, bei welchem ein Arbeitsmedium einen Motor der Wärmekraftmaschine antreibt, sowie ein Verfahren zum Umwandeln von Energie, bei welchem einer Wärmekraftmaschine mittels eines Energiespeichermediums aus der Umwelt aufgenommene Wärmeenergie zugeführt wird.

Wärmekraftmaschinen mit deren Hilfe Umgebungswärme aus der Umwelt in für den Menschen nutzbare Energieformen umgewandelt werden, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und funktionieren mehr oder weniger gut. Jedoch arbeiten die bekannten Wärmekraftmaschinen oftmals derart uneffektiv, dass diese wirtschaftlich nicht sinnvoll einsetzbar sind.

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung derartige Wärmekraftmaschinen weiter zu entwickeln, so dass Umweltwärmeenergie effektiver für den Menschen genutzt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird von einer Wärmekraftmaschine zum Umwandeln von Energie, wie etwa Umgebungswärmeenergie in kinetische Energie, mit einem Motor und mit einem Arbeitskreislauf zum Antreiben des Motors gelöst, bei welchem die Wärmekraftmaschine einen Energieträgerkreislauf aufweist, welcher zum Erwärmen des Motors mit diesem Motor wechselwirksam verbunden ist.

Unter dem Begriff „Wärmekraftmaschine" versteht man jegliche Einrichtung, die dazu geeignet ist, Energie in Form von Wärme aufzunehmen und aus der aufgenommenen Wärmeenergie mechanische Arbeit bereitzustellen. Diese mechanische Arbeit kann sich der Mensch nutzbar machen. Im Allgemeinen und auch insbesondere im Sinne vorliegender Erfindung stellt somit vorliegende Wärmekraftmaschine aus Wärme Arbeit bereit.

Unter dem Begriff „Umgebungswärmeenergie" versteht man vorliegend jegliche Art von Wärmeenergie, welche insbesondere in der natürlichen Umwelt als Wärme vorhanden ist und genutzt werden kann. Aber auch aus Abwärme von technischen Einrichtungen kann „Umgebungswärmeenergie" im Sinne der Erfindung gewonnen werden.

Mit dem Begriff „Motor" wird im Zusammenhang mit vorliegender Wärmekraftmaschine jegliche Einrichtung verstanden, mittels welcher eine erste Energieform in eine weitere Energieform umwandelbar ist. Beispielsweise wird mittels des Motors vorliegend Umweltwärmeenergie in kinetische Energie umgewandelt. Hierdurch wird ansonsten für den Menschen nicht oder nur gering nutzbare Energie in eine besonders günstige Energie form umgewandelt, welche wiederum vom Menschen besonders gut nutzbar ist.

Vorliegend können bei entsprechender Modifikation nahezu alle beliebigen Motorenkonzepte Verwendung finden, welche auf Basis von Kompressions- und Expansionsvorgängen beruhen. Beispielsweise sind dies Kolbenmotoren, wie Dampfmaschinen, Dieselmotoren, Ottomotoren, Stirlingmotoren usw., Rotationskolbenmotoren, wie Wankelmotoren, Gasturbinen usw. Auch lassen sich im Sinne der Erfindung Verdichter oder Pumpenarten derart bauen, dass sie als Motoren im Sinne der Erfindung verwendet werden können, wie etwa Flügelzellenverdichter, Zahnradpumpen, Membranpumpen usw.

Im „Arbeitskreislauf ^` läuft ein Arbeitsmedium um, mit dessen Hilfe zum einen der Motor angetrieben und zum anderen nicht mehr benötigte Wärmeenergie vom Motor abgeführt wird. Die abgeführte Wärmeenergie wird vorzugsweise an das Energieträgermedium übergeben. Somit dient der Arbeitskreislauf Idealerweise als Heizkreislauf für das Energieträgermedium.

Mittels des „Energieträgerkreislaufes" wird insbesondere aus der Umwelt aufgenommene Umgebungswärmeenergie innerhalb der Wärmekraftmaschine transportiert. Der Transport der Energie innerhalb des Energieträgerkreislaufes geschieht mittels eines umlaufenden Energieträgermediums.

Erfindungsgemäß ist es mit der vorliegenden Wärmekraftmaschine möglich, die aufgenommene Umgebungswärmeenergie Idealerweise vollständig in für den Menschen nutzbare, insbesondere kinetische Energie, umzuwandeln.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Wärmekraftmaschine Arbeitsteilkreisläufe aufweist, welche mit dem Motor wechselwirksam verbunden sind.

Mittels der Arbeitsteilkreisläufe ist eine Vervielfachung der Arbeitstakte des Motors auf baulich besonders einfache Art und Weise realisiert. Schon mit einer Verdoppelung der Arbeitstakte wird eine wesentlich bessere Ausnutzung der bereitgestellten Umgebungswärmeenergie erzielt.

Sind etwa insgesamt sechs Arbeitsteilkreisläufe vorgesehen, so werden mit einer derart ausgeführten Wärmekraftmaschine sechs Arbeitstakte bei nur zwei Kurbelwellenumdrehungen erreicht.

Unter dem Begriff „Arbeitsteilkreislauf" versteht man einen Teilbereich des vorliegenden Arbeitskreislaufes, der sich zwischen einem Auslass eines ersten Expansionsraums eines Motors und dem Auslass eines weiteren Expansionsraums des Motors erstreckt.

Allein auf Grund dieser wesentlich besseren Umgebungsenergieausnutzung sind die Merkmale im Zusammenhang mit den Arbeitsteilkreisläufen auch ohne die übrigen Merkmale der Erfindung vorteilhaft und erfinderisch.

Um im Arbeitskreislauf und im Energieträgerkreislauf unterschiedliche Temperaturniveaus zu realisieren, ist es vorteilhaft, wenn der Arbeitskreislauf und der Energieträgerkreislauf voneinander verschieden sind. Mittels der voneinander verschiedenen Kreisläufe, kann beispielsweise von einem Arbeitskreislauf in einen Energieträgerkreislauf übergegangene Wärmeenergie förderlich aus und von dem Arbeitskreislauf entfernt werden.

Damit ein derartiger Energieübertrag zwischen dem Arbeitskreislauf und dem Energieträgerkreislauf erreicht wird, ist es vorteilhaft, wenn der Energieträgerkreislauf mit einem Arbeitskreislauf wechselwirksam verbunden ist. Konstruktiv kann dies auf vielfältige Weise geschehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Energieträgerkreislauf und der Arbeitskreislauf mittels des Motors, vorzugsweise mittels eines Motorgehäuses, wirkverbunden sind.

Darüber hinaus zeichnet sich vorliegende Erfindung durch Arbeitskreisläufe aus, welche mit dem Energieträgerkreislauf wechselwirksam verbunden sind. Sind die Arbeitskreisläufe mit dem Energieträgerkreislauf verbunden, kann auf besonders vorteilhafter Weise Wärmeenergie von dem Arbeitskreislauf in den Energieträgerkreislauf übertragen werden, da der Arbeitskreislauf vielfach mit dem Energieträgerkreislauf verbunden ist.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass der Motor ein Mehrscheibenmotor, vorzugsweise ein Dreischeibenmotor oder ein Vierscheibenmotor, ist. Mehrscheibenmotoren eigenen sich besonders gut dazu, durch Expansions- und Kompressionsvorgänge eines Arbeitsmediums in einem Arbeitskreislauf angetrieben zu werden.

Mit dem Begriff „Mehrscheibenmotor" sind vorliegend jegliche Motoren erfasst, deren Kolben vorzugsweise exzentrisch um eine Welle rotieren. Hierbei sind die einzelnen Scheiben entlang der Welle in radialer Richtung gesehen versetzt zueinander angeordnet. Derartige Motoren werden auch als Rotationskolbenmotoren bezeichnet.

Besonders kompakt baut die vorliegende Wärmekraftmaschine, wenn der Motor, vorzugsweise das Motorgehäuse, ein Erhitzer des Arbeitsmediums ist. Hierdurch wird das Arbeitsmedium in einem Motorarbeitsraum baulich besonders einfach erhitzt und expandiert, wodurch die Scheiben des Motors in Rotation versetzt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass der Motor einen Wärmeübertrager der Wärmekraftmaschine darstellt.

Sind der Energieträgerkreislauf und der Arbeitskreislauf mittels des Motors, vorzugsweise mittels des Motorgehäuses, wirkverbunden, kann auf baulich besonders einfache Art und Weise Wärmeenergie aus dem Energieträgerkreislauf in den Arbeitskreislauf übertragen werden.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Motor einen Wärmeübertrager zwischen dem Energieträgerkreislauf und dem Arbeitskreislauf aufweist.

Um eine im Arbeitskreislauf verbliebene Wärmeenergie nicht ungenutzt in die Umgebung abzugeben, ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Arbeitskreislauf und dem Energieträgerkreislauf wenigstens ein weiterer Wärmeübertrager angeordnet ist. Hierdurch lässt sich überschüssige Wärmeenergie von dem Arbeitskreislauf auf den Energieträgerkreislauf übertragen.

Wenn wenigstens zwei Arbeitskreisläufe vorhanden sind, sind diese Arbeitskreisläufe vorteilhafter Weise voneinander verschieden. Mittels der voneinander verschiedenen Arbeitskreisläufe kann die Effektivität des Motors der vorliegenden Wärmekraftmaschine gesteigert werden, so dass die aus der Umwelt aufgenommene Wärmeenergie wesentlich effektiver genutzt wird.

Eine weitere Effektivitätssteigerung erfährt die Wärmekraftmaschine, wenn der Energieträgerkreislauf zumindest einen Vorlauf und Idealerweise mehr als einen Rücklauf aufweist, wobei ein erster Rücklauf des Energieträgerkreislaufes und ein zweiter Rücklauf des Energieträgerkreislaufes mittels eines Rücklaufwärmetauschers miteinander wechselwirksam verbunden sind.

Die Wärmeenergie aus der Umwelt wird im Energieträgerkreislauf besonders vorteilhaft bereitgestellt, wenn der Energieträgerkreislauf unterschiedliche Querschnitte aufweist. Insbesondere durch eine Querschnittsverjüngung wird eine weitere Energieerhöhung des Energieträgermediums erzielt.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Energieträgerkreislauf in einem ersten Teilbereich zwischen einem Expansionsventil und einem Verdichter einen größeren Querschnitt aufweist als in einem weiteren Teilbereich zwischen dem Verdichter und dem Expansionsventil.

Besonders effektiv kann die Wärmeenergie aus der Umwelt innerhalb des Energieträgerkreislaufes bereitgestellt werden, wenn innerhalb des Energieträgerkreislaufes zwischen einem ersten Teilbereich des Energieträgerkreislaufes und einem zweiten Teilbereich des Energieträgerkreislaufes zwei voneinander verschiedene Druckniveaus des Energiespeichermediums vorhanden sind.

Idealerweise ist die Vorlauftemperatur des Verdichters gleich der Rücklauftemperatur des Motors. Hierdurch kann die gesamte Wärmeenergie, welche den Motor verlässt, in dem Energiespeichermedium wieder verwendet werden.

Um die vorliegende Wärmkraftmaschine vorteilhaft steuern zu können, sieht eine weitere Ausführungsvariante vor, dass der Arbeitskreislauf einen Arbeitsmediumzwischenspeicher aufweist. Mittels dieses Arbeitsmediumszwischenspeichers kann eine nahezu beliebige Menge eines Arbeitsmediums gespeichert und zum Abruf bereit gestellt werden.

Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung von einem Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine gelöst, bei welchem ein Arbeits medium einen Motor der Wärmekraftmaschine antreibt, und das Arbeitsmedium mittels eines Energiespeichermediums erwärmt wird.

Auch wird die Aufgabe der Erfindung von einem Verfahren zum Umwandeln von Energie gelöst, bei welchem einer Wärmekraftmaschine mittels eines Energiespeichermediums aus der Umwelt aufgenommene Wärmeenergie zugeführt wird, wobei vor dem Aufnehmen der Umweltwärmeenergie das Energiespeichermedium von einem Ausgangstemperaturniveau auf ein Starttemperaturniveau herunter gekühlt wird.

Eine Verfahrensvariante sieht vor, dass vor dem Aufnehmen der Umweltwärmeenergie das Energiespeichermedium von einem Ausgangsdruckniveau auf ein Startdruckniveau entspannt wird.

Mit den Begriffen „Starttemperaturniveau" und „Startdruckniveau" ist ein Zustand des Energiespeichermediums vorliegender Erfindung beschrieben, bei welchem das Energiespeichermedium besonders vorteilhaft Umweltwärmeenergie aufnehmen kann.

Das Energiespeichermedium weist ein derartiges Starttemperatur- und Startdruckniveau dementsprechend zwischen einem Expansionsventil und einem Umweltwärmeenergieübertrager auf.

Sollte bei einer Ausführungs- beziehungsweise Verfahrensvariante ein derartiges Expansionsventil nicht vorhanden sein, weist das Energiespeichermedium zumindest vor dem Umweltwärmeenergieübertrager ein derartiges Starttemperatur- und Startdruckniveau auf.

Vorteilhafterweise wird das Energiespeichermedium vor dem Aufnehmen oder während des Aufnehmens der Umweltwärmeenergie einer Querschnittserweiterung eines Energieträgerkreislaufes zugeführt. Mittels der Querschnittserweiterung ist baulich auf besonders einfache Art und Weise dafür gesorgt, dass das Energiespeichermedium auf ein Startdruckniveau entspannt wird und dabei auf eine Starttemperatur heruntergekühlt wird.

Eine Verfahrensvariante sieht vor, dass das Energiespeichermedium mittels der Umweltwärmeenergie auf ein erstes erhöhtes Temperaturniveau erwärmt wird.

Um das Energiespeichermedium weiter mit Energie anzureichern, ist es vorteilhaft, wenn dem Energiespeichermedium Abwärmeenergie aus einem Arbeitskreislauf zugeführt wird.

Eine weitere vorteilhafte Verfahrensvariante sieht vor, dass das Energiespeichermedium mittels der Abwärme aus einem Arbeitskreislauf auf ein zweites erhöhtes Temperaturniveau erwärmt wird.

Ebenso ist es vorteilhaft, wenn dem Energiespeichermedium Rücklaufwärmeenergie aus einem Motorrücklauf zugeführt wird.

Vorteilhaft ist es zudem, wenn das Energiespeichermedium mittels der Rücklaufwärmeenergie auf ein drittes erhöhtes Temperaturniveau erwärmt wird.

Um ausreichend hohe Wärmeenergie zum Antreiben des Motors der vorliegenden Wärmekraftmaschine zur Verfügung zu haben, ist es vorteilhaft, wenn das Energiespeichermedium mittels eines Verdichters auf ein Arbeitstemperaturniveau erwärmt wird.

Kumulativ oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn das Energiespeichermedium im Bereich des Verdichters einer Querschnittsverjüngung des Energieträgerkreislaufes zugeführt wird.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Energieträgermedium das Arbeitsmedium kühlt. Hierdurch wird zum einen das Arbeitsmedium auf ein niedriges Temperaturniveau gebracht. Zum anderen wird nicht mehr benötigte Wärmeenergie, die bisher als verloren in die Umwelt abgegeben wurde, dem Energiespeichermedium zugeführt, wodurch das Energiespeichermedium wieder an zusätzlicher Energie bzw. Wärmeenergie gewinnt.

Eine weitere Verfahrensvariante sieht vor, dass Abwärme des Motors in das Energiespeichermedium geführt wird. Hierdurch wird der Verlust an Wärmeenergie verringert.

Es ist angestrebt, dass möglichst die gesamte extern aufgenommene Wärmeenergie in kinetische Energie umgewandelt wird.

Kumulativ oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn ein erster Teil der Arbeitstemperaturenergie dem Energiespeichermedium zwischen der ersten Temperaturerhöhung und der dritten Temperaturerhöhung zugeführt wird.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn ein weiterer Teil der Arbeitstemperaturenergie dem Energiespeichermedium zwischen der zweiten und einer vierten Temperaturerhöhung zugeführt wird.

Mittels des vorliegend beschriebenen Energieträgerkreislaufes und dem darin zirkulierenden Energiespeichermedium wird das Motorgehäuse erwärmt, wobei das erwärmte Motorgehäuse zumindest einen Teil der Wärmeenergie an das Arbeitsmedium abgibt. Das derart erwärmte Arbeitsmedium expandiert hierbei und treibt somit den Motor der vorliegenden Wärmekraftmaschine an. Hierdurch wird kinetische Energie bereitgestellt. Idealerweise wird die komplette Umweltwärmeenergie in kinetische Energie umgewandelt.

Um mehr Arbeitsmedium bereit stellen zu können, als in dem jeweiligen Arbeitskreislauf aufgenommen werden kann, ist es vorteilhaft, wenn ein Arbeitsmedium in einem Zwischenspeicher bereitgestellt wird.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Arbeitsmedium in dem Zwischenspeicher gekühlt wird. Somit steht nahezu immer eine ausreichend große Menge an gekühltem Arbeitsmedium für den Motor der vorliegenden Wärmekraftmaschine zur Verfügung.

Ein Kühlen des Arbeitsmediums im Zwischenspeicher wird vorteilhaft vorgenommen, wenn der Zwischenspeicher von dem Energiespeichermedium umströmt wird.

Mittels der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine und dem diesbezüglichen Verfahren zum Betreiben dieser Wärmekraftmaschine ist es möglich, kinetische Energie bereitzustellen, ohne eine äußere und/oder innere Verbrennung zu betreiben. Hierdurch entsteht auch keine Schadstoffemission, so dass die vorliegende Wärmekraftmaschine besonders umweltfreundlich betrieben werden kann.

Eine weitere Ausführungsvariante der Wärmekraftmaschine sieht einen Hilfsarbeitskreislauf vor, mittels welchem Arbeitsmedium zusätzlich in Expansionsräume des Motors einbringbar ist. Mittels des Hilfsarbeitskreislaufes besteht die Möglichkeit, bei einem zusätzlichen Leistungsbedarf des Motors weiteres Arbeitsmedium in Expansionsräume des Motors einzuspritzen.

Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Hilfsarbeitskreislauf der Wärmekraftmaschine ein Regelventil umfasst. Mittels des Regelventils kann die Menge an zusätzlichem Arbeitsmedium, welches in Expansionsräumen des Motors zusätzlich zur Verfügung gestellt wird, sehr genau dosiert werden.

Eine diesbezügliche vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass der Arbeitskreislauf der Wärmekraftmaschine in einen Hauptarbeitskreislauf und in den Hilfsarbeitskreislauf unterteilt ist. Hierbei kann der Hilfsarbeitskreislauf mittels des Regelventils von dem Hauptarbeitskreislauf vollständig entkoppelt werden, sollte keine zusätzliche Leistung an dem Motor benötigt werden. Erst wenn die Bereitstellung an Arbeitsmedium durch den normalen Arbeitskreislauf bzw. durch den Hauptarbeitskreislauf nicht ausreicht, kann der Hilfsarbeitskreislauf mittels des Regelventils dosiert hinzugeschaltet werden.

Um nicht mehr benötigte Wärmeenergie zusätzlich aus- dem Arbeitsmedium zu entnehmen, ist es vorteilhaft, wenn der Hilfsarbeitskreislauf wenigstens einen Arbeitskreislaufwärmetauscherpufferspeicher aufweist und der Arbeitskreislaufwärmetauscherpufferspeicher mit einem Arbeitskreislaufwärmeübertrager, der zwischen dem Energieträgerkreislauf und dem Arbeitskreislauf angeordnet ist, wirkverbunden ist. Mittels des Arbeitskreislaufwärmetauscherpufferspeichers kann schnell und zusätzlich Wärmeenergie aus dem gesamten. Arbeitskreislauf bzw. aus dem Hilfsarbeitskreislauf entnommen werden und hierbei an den Energieträgerkreislauf übertragen werden.

Kumulativ hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Hilfsarbeitskreislauf wenigstens einen Motorgehäusepufferspeicher, welcher mit dem Gehäuse des Motors wirkverbunden ist, aufweist. Beispielsweise ist der Motorgehäusepufferspeicher als eine Baueinheit mit dem Motorgehäuse ausgelegt und der Motorgehäusepufferspeicher hält somit in etwa ein identisches Temperaturniveau, welches auch das Motorgehäuse aufweist. Ein Zuschalten des Motorgehäusepufferspeichers ist dann erforderlich, wenn ein erhöhter Wärmeenergiebedarf am Motor besteht.

Es versteht sich, dass die im Sinne der Patentanmeldung verwendeten Pufferspeicher vielfältig konstruiert sein können, solange sie in der Lage sind Energie, insbesondere Wärmeenergie, von einer Bauteilgruppe der vor liegenden Wärmekraftmaschine zu entnehmen und an eine andere Bauteilgruppe der Wärmekraftmaschine zu übertragen.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass ein Arbeitskreislaufwärmeübertragerpufferspeicher und ein Motorgehäusepufferspeicher einen Phasenübergangsspeicher umfassen.

Der Begriff „Phasenübergangsspeicher" bedeutet vorliegend, dass der Arbeitskreislaufwärmeübertragerpufferspeicher und der Motorgehäusepufferspeicher vorzugsweise mit einem Medium gefüllt sind, welches bei einer bestimmten Temperatur den Aggregatzustand beispielsweise von einem festen Medium in ein flüssiges Medium oder umgekehrt ändert. Das Temperaturniveau, bei welchem sich der Aggregatszustand des Mediums ändert, hängt von der verwendeten Art des Speichermediums ab und das Speichermedium ist auf die jeweilige Leistungsabgabe des Motors anzupassen.

Vorteilhafter Weise ist mittels der Phasenübergangsspeicher insbesondere eine schnelle Energiebereitstellung gesichert, ohne dass an einem betroffenen Phasenübergangsspeicher und einem damit korrespondierenden Wärmeübertrager eine wesentliche Temperaturniveauänderung eintritt. Das Temperaturniveau wird in etwa solange konstant gehalten, bis ein Speichermedium einen Aggregatzustand erfahren hat. Somit kann baulich auf besonders einfache Weise eine bestimmte Menge an zusätzlicher Energie ohne wesentliche Temperaturniveauänderung an den beteiligten Bauteilen oder Bauteilgruppen bereit gestellt werden.

Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Erläuterungen anliegender Zeichnung beschrieben, in welcher beispielhaft prinzipiell der Aufbau und die Funktion vorliegender Wärmekraftmaschine dargestellt sind.
Es zeigen
1 schematisch eine Wärmekraftmaschine ohne einen explizit dargestellten Arbeitskreislauf eines Motors,
2 schematisch eine Wärmekraftmaschine mit zwei dargestellten Arbeitskreisläufen eines Dreischeibenmotors,
3 schematisch eine Darstellung zur Nutzung von Umweltenergie unabhängig von Tages- und Jahreszeiten sowie Wetter unabhängig,
4 schematisch eine Temperaturverlaufskurve vorliegender Wärmekraftmaschinen,
5 schematisch eine weitere Wärmekraftmaschine mit einem Arbeitsmediumzwischenspeicher,
6 eine schematische Darstellung eines Arbeitskreislaufes mit sechs Arbeitsteilkreisläufen zwischen Auslässen und Einlässen eines Dreischeibenkolbenmotors und
7 eine schematische Darstellung einer alternativen Wärmekraftmaschine, bei welcher der Arbeitskreislauf in einen Hauptarbeitskreislauf und in einen Hilfsarbeitskreislauf unterteilt ist.
Die in der 1 gezeigte Wärmekraftmaschine 1 weist einen Energieträgerkreislauf 2 auf, in welchem gemäß der Pfeilrichtungen 3 (hier nur explizit beziffert) ein Energiespeichermedium 4 umläuft.
Der Energieträgerkreislauf 2 startet im Bereich einer Düse 5, wobei die Düse 5 ein Expansionsventil im Sinne der Erfindung darstellt. Mittels der Düse 5 wird das Energiespeichermedium 4 entspannt und hierdurch auf ein Starttemperaturniveau gekühlt. Hierzu weist der Energieträgerkreislauf 2 zwischen der Düse 5 und einem Verdichter 6 einen ersten Energieträgerkreislaufquerschnitt 7 auf, der größer bemessen ist, als ein zweiter Energieträgerkreislaufquerschnitt 8 des Energieträgerkreislaufes 2. Der erste Energieträgerkreislaufquerschnitt 7 erstreckt sich in einem ersten Energieträgerkreislaufteilbereich 2A zwischen Düse 5 und Verdichter 6. Der zweite Energieträgerkreislaufquerschnitt 8 erstreckt sich in einem zweiten Energieträgerkreislaufteilbereich 2B, welcher im Wesentlichen vom Verdichter 6 bis zur Düse 5 reicht.
Unmittelbar hinter der Düse 5, in Umlaufrichtung 3 gesehen, befindet sich ein Umweltwärmeübertrager 9, mittels dessen Wärmeenergie aus der Umwelt 10 aufgenommen und an das Energiespeichermedium 4 übertragen wird. Hierdurch erfährt das Energiespeichermedium 4 eine erste Wärmeenergiezufuhr und damit auch eine erste Wärmeenergieerhöhung.
Im weiteren Verlauf durchströmt das Energiespeichermedium 4 ein Gehäuse 11 eines Motors 12. Das Gehäuse 11 hat hierbei die Funktion eines Motorwärmetauschers 13, mittels welchem Restwärmeenergie des Motors 12 an das Energiespeichermedium 4 übertragen wird. Hierdurch erfährt das Energiespeichermedium 4 im Bereich des Motorwärmetauschers 13 eine zweite Wärmeenergieerhöhung.
Vor dem Verdichter 6 ist ein Rücklaufwärmetauscher 14 vorgesehen, mittels welchem vom Motor 12 nicht verwendete Wärmeenergie dem Energiespeichermedium 4 im ersten Energieträgerkreislaufteilbereich 2A zugeführt wird. Hierdurch erfährt das Energiespeichermedium 4 eine dritte Wärmeenergieerhöhung innerhalb des ersten Energieträgerkreislaufteilbereiches 2A.
Das so mit Wärmeenergie angereicherte Energiespeichermedium 4 gelangt nun zu dem Verdichter 6, an welchem das Energiespeichermedium 4 in den zweiten Energieträgerkreislaufteilbereich 2B gelangt. Mittels des Verdichters 6 und des zweiten verjüngten Energieträgerkreislaufquerschnittes 8 erfährt das Energiespeichermedium 4 eine vierte Wärmeenergieerhöhung. Die in dem Energiespeichermedium 4 angespeicherte Energie eignet sich nunmehr dazu, den Motor 12 anzutreiben. Der Motor 12 treibt hierbei zum einen den Verdichter 6 und zum anderen einen Generator 15 an. Mittels des Generators 15 kann elektrische Energie bereitgestellt werden. Mittels der Wärmekraftmaschine 1 ist es möglich, durch Aufnahme von Umwelt wärmeenergie einen Generator 15 anzutreiben und dadurch elektrische Energie 16 zu gewinnen.
Die in der 2 gezeigte Wärmekraftmaschine 101 hat im Wesentlichen einen identischen Aufbau wie die Wärmekraftmaschine 1 aus der 1. Die Wärmekraftmaschine 101 weist einen Energieträgerkreislauf 102 auf, in welchem in Umlaufrichtung 103 ein Energiespeichermedium 104 umläuft. Der Energieträgerkreislauf 102 ist vorliegend in einen ersten Energieträgerkreislaufteilbereich 102A und in einen zweiten Energieträgerkreislaufteilbereich 102B aufgeteilt. Der erste Energieträgerkreislaufteilbereich 102A erstreckt sich hierbei von einer Düse 105 bis zu einem Verdichter 106. Der zweite Energieträgerkreislaufteilbereich 102B erstreckt sich dementsprechend von dem Verdichter 106 bis zur Düse 105. Der erste Energieträgerkreislaufteilbereich 102A hat vorliegend einen ersten Energieträgerkreislaufquerschnitt 107 und der zweite Energieträgerkreislaufteilbereich 102B hat einen zweiten Energieträgerkreislaufquerschnitt 108. Der zweite Energieträgerkreislaufquerschnitt 108 unterscheidet sich gegenüber dem ersten Energieträgerkreislaufquerschnitt 107 durch einen geringeren Querschnitt.
Bei der Wärmekraftmaschine 101 steht der Energieträgerkreislauf 102 mit seinem ersten Energieträgerkreislaufteilbereich 102A nicht unmittelbar mit dem Gehäuse 111 des Motors 112 in Kontakt, sondern der erste Energieträgerkreislaufteilbereich 102A, welcher sich im Knotenpunkt 120 teilt, steht zum einen mit einem ersten Arbeitskreislaufwärmeübertrager 121 eines Arbeitskreislaufes 122 zum anderen mit einem zweiten Arbeitskreislauf wärmeübertrager 123 in Wirkkontakt. Der Arbeitskreislauf 122 weist ein Rückschlagventil 125 und ein Rückschlagventil 126 auf. Somit sind die Umlaufrichtungen eines Arbeitsmediums innerhalb des Arbeitskreislaufes 122 festgelegt.
Im Bereich der Düse 105 wird das Energiespeichermedium 104 entspannt und damit heruntergekühlt. Somit ist das Energiespeichermedium 104 zur Aufnahme von Umweltwärmeenergie aus der Umwelt 110 mittels des Umweltwärmeübertragers 109 bestens vorbereitet. Das Energiespeichermedium 104 erfährt nach dem Durchströmen des Umweltwärmeübertragers 109 eine erste Temperaturerhöhung und eine erste Wärmeenergieerhöhung.
Das Energiespeichermedium 104 strömt gemäß der Umlaufrichtung 103 weiter bis es einen Knotenpunkt 120 erreicht und dort in zwei Teilströme geteilt wird. Hierbei durchströmt ein erster Teilstrom des Energiespeichermediums 104 den ersten Arbeitskreislaufwärmeübertrager 121 und der zweite Teilstrom des Energiespeichermediums 104 den zweiten Arbeitskreislaufwärmeübertrager 123. Da das Energiespeichermedium 104 im Bereich der beiden Arbeitskreislaufwärmeübertrager 121 und 123 ein niedrigeres Wärmeenergieniveau aufweist als das Arbeitsmedium des Arbeitskreislaufes 122, wird Wärmeenergie im Bereich der beiden Arbeitskreislaufwärmeübertrager 121 und 123 auf das Energiespeichermedium 104 des Energieträgerkreislaufes 102 übertragen. Hierdurch erfährt das Energiespeichermedium 104 eine zweite Wärmeenergieerhöhung innerhalb des ersten Energieträgerkreislaufteilbereiches 102A. Das Energiespeichermedium 104 wird im weiteren Kotenpunkt 127 wieder zusammengeführt und zu einem Rücklaufwärmeübertrager 114 geleitet. In diesem Rücklaufwärmeübertrager 114 nimmt das Energieträgermedium 104 im Bereich des ersten Energieträgerkreislaufteilbereiches 102A des Energieträgerkreislaufes 102 Wärmeenergie aus dem zweiten Energieträgerkreislaufteilbereich 102B des Energieträgerkreislaufes 102 auf. Hierdurch erfährt das Energiespeichermedium 104 vor dem Erreichen des Motors 112 eine dritte Wärmeenergieerhöhung.
Im Bereich des Verdichters 106 erfährt das Energiespeichermedium 104 eine vierte Wärmeenergieerhöhung, indem es mittels des Verdichters 106 und des zweiten Energieträgerkreislaufteilbereiches 102B eine Druckerhöhung und damit auch eine Temperaturerhöhung erfährt.
Über das Gehäuse 111 des Motors 112 wird diese Wärmeenergie bzw. ein Teil dieser Wärmeenergie des Energiespeichermediums 104 an das Arbeitsmedium des Motors 112 abgegeben, wobei das Gehäuse 111 als Motorwärmeübertrager 113 fungiert. Durch diese Wärmeübertragung wird das Arbeitsmedium in dem Arbeitskreislauf 122 bzw. den entsprechenden Expansionsräumen (hier nicht dargestellt) des Motors 112 expandiert, wodurch die Scheiben 128 (hier nur exemplarisch gezeigt und beziffert) gemäß der Rotationsrichtung 129 exzentrisch um die Kurbelwelle 130 rotieren.
Mittels der beiden Arbeitskreislaufwärmeübertrager 121 und 123 wird das Arbeitsmedium innerhalb des Arbeitskreislaufes 122 wieder gekühlt und dabei gleichzeitig Wärmeenergie an das Energieträgermedium 104 abgegeben.
Nicht benötigte Wärmeenergie wird aus dem Motorgehäuse 111 mittels des zweiten Energieträgerkreislaufteilbereiches 102B abgeleitet und dem Rücklaufwärmeübertrager 114 zu- und anschließend der Düse 105 zugeführt, so dass der Energieträgerkreislauf 102 wieder von vorne beginnen kann.
Der Umweltwärmeübertrager 209 aus der 3 ist in der Lage, Wärmeenergie aus der Luft, aus dem Wasser oder dem Erdreich zu entnehmen. Die Medien Luft, Wasser und Erdreich bilden hierbei Akkumulatoren für Sonnenergie, die zudem Umweltenergie wetterunabhängig zur Verfügung stellen.
Die in den Akkumulatoren bereitgestellte Umweltwärmeenergie 240 wird mittels des Umweltwärmeübertragers 209 in einen Energieträgerkreislauf 202 eingespeist und im Energieträgermedium als Wärmeenergie 241 mittels eines Motors, insbesondere eines Dreischeibenmotors, in kinetische Energie und gegebenenfalls anschließend mittels eines Generators in elektrische Energie umgesetzt. Hierbei werden zwei Teile 242 der elektrischen Energie einem Haushalt 243 und drei Teile 244 der elektrischen Energie in ein bestehendes Stromnetz 245 eingespeist.
Somit ist mittels der vorliegenden Wärmekraftmaschine 201 Umweltwärmeenergie 240 vollständig in elektrische Energie umgewandelt worden.
Im Bereich der Düse 205 beginnt der Energieträgerkreislauf erneut und es wird im Bereich des Umweltwärmeübertragers 209 von Neuem Umweltwärmeenergie 240 aufgenommen.
Die in der 4 gezeigte Temperaturverlaufskurve 350 zeigt das Temperaturniveau eines Energieträgermediums, welches einen Energieträgerkreislauf der zu Grunde liegenden Wärmekraftmaschine durchströmt.
Im Punkt eins hat das Energieträgermedium gemäß der Temperaturverlaufskurve 350 ein erstes Temperaturniveau 351. Dieses erste Temperaturniveau 351 spiegelt das Temperaturniveau unmittelbar vor einem Entspannungsventil des Energieträgerkreislaufes wieder. Beim Durchströmen des Energieentspannungsventils fällt das Temperaturniveau entsprechend dem Teilabschnitt 352 zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt auf ein zweites Temperaturniveau 353 ab. In dem Intervall 354 (drei bis vier) nimmt das Energieträgermedium mittels eines Umweltwärmeübertragers Umweltwärme auf und steigt dabei auf ein Energietemperaturniveau 355. In dem Intervall 356 (fünf bis sechs) nimmt das Energieträgermedium weitere Wärmeenergie auf in dem es das Arbeitsmedium eines Motors kühlt. Hierdurch erreicht es ein Energieniveau 357.
Im Intervall 358 (sieben bis acht) wird dem Energieträgermedium weitere Wärmeenergie zugeführt, wobei diese weitere Wärmeenergie von einem Rücklauf des Motors stammt und mittels eines Rücklaufwärmeenergieübertragers in das Energieträgermedium eingespeist wird, so dass dieses anschließend auf ein weiteres Energieniveau 359 angestiegen ist.
Im Intervall 360 (neun bis zehn) wird das Energieträgermedium mittels eines Verdichters verdichtet. Hierdurch wird das Energieträgermedium auf ein weiteres Energieniveau 361 gebracht. Dieses Energieniveau 361 reicht aus, um einen Motor anzutreiben. Hierdurch fällt das Energieniveau 361 im Intervall 362 (elf bis zwölf) auf ein niedrigeres Energieniveau 363 ab. Im Intervall 364 (dreizehn bis vierzehn) gibt das Energieträgermedium, welches sich nun in einem Rücklaufbereich des Motors befindet, Wärmeenergie an einen Vorlauf des Energieträgermediums ab, wodurch anschließend ein Energieniveau 365 erreicht wird. An dieser Stelle eins beginnt der Energieträgerkreislauf erneut, wobei das Energieträgermedium mittels Entspannen auf ein niedrigeres Energieniveau 353 (Intervall eins bis zwei) gebracht wird.
Die in der 5 gezeigte Wärmekraftmaschine 401 weist einen Energieträgerkreislauf 402 auf, in welchem gemäß der Pfeilrichtungen 403 ein Energiespeichermedium 404 umläuft.
Der Energieträgerkreislauf 402 startet im Bereich einer Düse 405. Mittels der Düse 405 wird das Energiespeichermedium 404 entspannt und auf ein Startemporaterniveau herunter gekühlt.
Unmittelbar hinter der Düse 405, in Umlaufrichtung 403 gesehen, ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Zwischenspeicher 470 für ein Arbeitsmedium eines Motors 412, welches in einen Arbeitskreislauf 422 umläuft, angeordnet. Hinter dem Arbeitsmediumzwischenspeicher 470 ist ein Umweltwärmeübertrager 409 angeordnet. Mittels des Umweltwärmeübertragers 409 wird Wärmeenergie aus der Umwelt 410 aufgenommen und in das Energiespeichermedium 404 übertragen.
Mittels des Umweltwärmeübertragers 409 erfährt das Energiespeichermedium 404 eine erste wesentliche Wärmeenergiezufuhr, da die Energiezufuhr im Bereich des Arbeitsmediumzwischenspeichers 470 vernachlässigbar gering ist.
Das derart mit Wärmeenergie angereichte Energiespeichermedium 404 durchströmt anschießend einen Arbeitskreislaufwärmeübertrager 421, in welchem in dem Arbeitskreislauf 422 hinter dem Motor 412 noch vorhandene Wärmeenergie an das Energiespeichermedium 404 abgegeben wird.
Anschließend durchströmt das Energiespeichermedium 404 einen weiteren Wärmeübertrager, der als Rücklaufwärmeübertrager 414 bezeichnet ist. In diesem Rücklaufwärmeübertrager 414 nimmt das Energieträgermedium 404 von dem Motor 412 nicht verwendete Wärmeenergie auf.
Anschließend gelangt das so mit Wärmeenergie angereicherte Energiespeichermedium 404 zu einem Verdichter 406, mittels welchem es eine Druckerhöhung und damit eine weitere Wärmeenergieerhöhung erfährt.
Über ein Gehäuse 411 des Motors 412 wird die in dem Energiespeichermedium 404 vorhandene Wärmeenergie beziehungsweise ein Teil dieser Wärmeenergie an das Arbeitsmedium des Arbeitskreislaufes 422 innerhalb des Motors 412 abgegeben. Hierbei übernimmt im Wesentlichen das Gehäuse 411 des Motors 412 die Funktion eines Motorwärmeübertragers 413.
Mittels dieser Wärmeübertragung innerhalb des Motorwärmeübertragers 413 wird das Arbeitsmedium innerhalb des Arbeitskreislaufes 422 nach dem Einspritzen über ein Einspritzventil 471 derart erhitzt, dass es verdampft und innerhalb von Expansionsräumen expandiert, wodurch Rotationskolben (in diesem Ausführungsbeispiel explizit nicht dargestellt) des Motors 412 in Bewegung versetzt werden und rotieren.
Das innerhalb des Arbeitskreislaufes 422 umlaufende Arbeitsmedium wird mittels einer Pumpe 472 aus dem Zwischenspeicher 470 zu der Düse 471 gefördert.
Nachdem das Arbeitsmedium den Motor 412 durchlaufen hat, gelangt es zu dem Arbeitskreislaufwärmeübertrager 421, in welchem noch vorhandene Wärmeenergie des Arbeitsmediums an das Energiespeichermedium 404 derart abgegeben beziehungsweise übertragen wird, dass das Arbeitsmedium hierbei wieder verflüssigt wird. Anschließend gelangt das Arbeitsmedium unmittelbar wieder zur Pumpe 472. Im Bedarfsfall kann aus dem Arbeitsmediumzwischenspeicher 470 zusätzlich Arbeitsmedium, welches dort kühl gehalten wird, entnommen werden. Zum Kühlen des Arbeitsmediums in dem Zwischenspeicher 470 wird der Zwischenspeicher 470 von dem mittels der Düse 405 expandierten und dabei gekühlten Energiespeichermedium kühl gehalten.
Da das Arbeitsmedium im Bereich des Arbeitskreislaufwärmeübertragers 421 bereits einen Großteil der noch vorhandenen Wärmeenergie abgegeben hat, ist die erforderliche Kühlung im Bereich des Arbeitsmediumzwi schenspeichers 470 nur sehr gering. Somit wird dem mittels der Düse 405 expandierte Energiespeichermedium 404 lediglich eine zu vernachlässigende Wärme während des Durchströmen des Arbeitsmediumzwischenspeichers 470 zugeführt, welche die Wärmeaufnahme im Bereich des Umweltwärmeübertragers 409 nahezu nicht beeinträchtigt.
Mittels des hier beschriebenen Arbeitsmediumzwischenspeichers 470 kann die vorliegende Wärmekraftmaschine 401 vorteilhaft geregelt werden, sodass die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 401 auch in Bereichen verwendet werden kann, in welchen schnellwechselnde Betriebsbedingungen erforderlich sind.
Der in der 6 schematisch gezeigte Motor 512 einer hier nicht näher gezeigten Wärmekraftmaschine weist insgesamt drei Rotationskolben 575, 576 und 577 auf.
Die Expansionsräume (hier nicht dargestellt) des Motors 512 beziehungsweise der Rotationskolben 575, 576 und 577 sind mittels eines ersten Arbeitsteilkreislaufes 578, eines zweiten Arbeitsteilkreislaufes 579, eines dritten Arbeitsteilkreislaufes 560, eines vierten Arbeitsteilkreislaufes 561, eines fünften Arbeitsteilkreislaufes 562 und eines sechsten Arbeitsteilkreislaufes 563 eines Arbeitskreislaufes miteinander wirkverbunden.
Jeder der Arbeitsteilkreisläufe 578 bis 563 ist mittels eines Arbeitsteilkreislaufwärmeübertragers (hier nicht gezeigt) mit einem Energieträgerkreislauf wechselwirksam verbunden.
Vorliegend repräsentiert die rechte Seite die Vorderseite 564 des Motors 512 und die linke Seite die Rückseite 565 des Motors 512.
Gelangt ein Arbeitsmedium an der Vorderseite 564 des Motors 512 in einen Einlass 575A des ersten Rotationskolbens 575 wird es innerhalb des Motors 512 expandiert und gelangt an der Rückseite 565 des Motors 512 aus einem Auslass 575B des Rotationskolbens 575 hinaus und gelangt mittels des ersten Arbeitsteilkreislaufes 578 zu einem Einlass 576D des zweiten Rotationskolbens 576 an der Rückseite 565 des Motors 512. Anschließend wird das Arbeitsmedium an einem Auslass 576C des Rotationskolbens 576 ausgestoßen und gelangt mittels des zweiten Arbeitsteilkreislaufes 579 zu einem Einlass 577A des dritten Rotationskolbens 577 an der Vorderseite 564 des Motors 512. An dem Rotationskolben 577 verrichtet das Arbeitsmedium weitere Arbeiten und wird an der Rückseite 575 des Motors 512 an einem Auslass 577B ausgestoßen und mittels des dritten Arbeitsteilkreislaufes 560 zu einem Einlass 575D transportiert. Nach verrichteter Arbeit gelangt das Arbeitsmedium an der Vorderseite 564 des Motors 512 an einem Auslass 575C in den vierten Arbeitsteilkreislauf 561 und mittels diesem zu einem weiteren Einlass 576A im Bereich des zweiten Rotationskolbens 576. Anschließend wir das Arbeitsmedium an der Rückseite 565 des Motors 512 an einem Auslass 576B wieder ausgestoßen und gelangt mittels des Arbeitsteilkreislaufes 562 zu einem Einlass 577D. Im Bereich des Rotationskolbens 577 verrichtet das Arbeitsmedium weitere Arbeit und gelangt über einen Auslass 577C mittels des sechsten Arbeitsteilkreislaufes 563 wieder zu dem Einlass 575A an der Vorderseite 564 des Motors 512. Hier beginnt der Arbeitskreislauf erneut.
Das Arbeitsmedium wird in jedem Arbeitsteilkreislauf 578 bis 563 gekühlt und während der Expansionsvorgänge in einem Expansionsraum zwischen einem Einlass und einem Auslass des Motors 512 im Bereich des jeweiligen Rotationskolbens 575, 576 und 577 mittels des Motors 512 erhitzt und dadurch expandiert. Somit kann das Arbeitsmedium jedes Mal zwischen einem Einlass und einem Auslass Arbeit an einem Rotationskolben 575 bis 577 verrichten.
Vorliegend ermöglichen die sechs Arbeitsteilkreisläufe 578 bis 563 sechs Arbeitstakte des Motors 512 bei nur zwei Kurbelwellenumdrehungen der hier nicht näher gezeigten Kurbelwelle, auf welcher versetzt zu einander alle drei Rotationskolben 575 bis 577 befestigt sind.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden als Motor der Wärmekraftmaschine Rotationskolbenmotoren verwendet. Wie eingangs erwähnt können Rotationskolbenmotoren vorliegend auch durch andere geeignete Motoren ersetzt werden.
Die in der 7 gezeigte alternative Wärmekraftmaschine 601 weist einen Energieträgerkreislauf 602 auf, in welchem gemäß der Pfeilrichtungen 603 (hier nur explizit beziffert) ein Energiespeichermedium 604 umläuft. Der Energieträgerkreislauf 602 besteht im Wesentlichen aus einem Expansionsventil 605, dem äußeren Volumenraum 680 eines Zwischenspeichers 670, einen ersten Arbeitskreislaufwärmeübertrager 621, an welchem ein erster Arbeitskreislaufwärmeübertragerpufferspeicher 681 angeordnet ist, einen zweiten Arbeitskreislaufwärmeübertrager 623, an welchem ein zweiter Arbeitskreislaufwärmeübertragerpufferspeicher 682 angeordnet ist. Einen Rücklaufwärmeübertrager 614, einen Verdichter 606, einem Gehäuse 611 eines Motors 612 und einem Motorgehäusepufferspeicher 683 sowie einem Umweltwärmeübertrager 609.
Der Energieträgerkreislauf 602 startet im Bereich der Düse 605, wobei das Energiespeichermedium 604 mittels der Düse 605 entspannt wird. Hierbei wird das Energiespeichermedium 604 auf ein Starttemperaturniveau heruntergekühlt. Der Energieträgerkreislauf 602 weist zwischen der Düse 605 und dem Verdichter 606 einen ersten Energieträgerkreislaufquerschnitt 607 auf, der größer bemessen ist, als ein zweiter Energieträgerkreislauf 608, der sich in einem Energieträgerkreislaufbereich 602B erstreckt. Der zweite Energieträgerkreislauf 608 reicht somit im Wesentlichen von dem Verdichter 606 bis zur Düse 605. Der erste Energieträgerkreislaufquerschnitt 607 erstreckt sich hingegen in einem ersten Energieträgerkreislaufbereich 602A zwischen der Düse 605 und dem Verdichter 606.
Hinter der Düse 605 strömt das Energiespeichermedium 604 durch den äußeren Volumenraum 680 des Zwischenspeichers 670, wonach es anschließend einen Umweltwärmeübertrager 609 durchströmt. Mittels des Umweltwärmeübertragers 609 wird Wärmeenergie aus der Umwelt 610 aufgenommen und an das Energiespeichermedium 604 übertragen. Im weiteren Verlauf passiert das Energiespeichermedium 604 einen Knotenpunkt 620, wodurch es zum einen den ersten Arbeitskreislaufwärmeübertrager 621 eines Arbeitskreislaufes 622 und zum anderen den zweiten Arbeitskreislaufwärmeübertrager 623 durchströmt. Bevor das Energiespeichermedium 604 jedoch in die Arbeitskreislaufwärmeübertrager 621, 623 gelangt, durchströmt es den Arbeitskreislaufwärmeübertragerpufferspeicher 681 bzw. den Arbeitskreislaufwärmeübertragerpufferspeicher 682. Das Energiespeichermedium 604 nimmt mittels der Arbeitskreislaufwärmeübertrager 621, 623 und der Arbeitskreislaufwärmeübertragerpufferspeicher 681, 682 nicht mehr benötigte Wärmeenergie aus dem Arbeitskreislauf 622 auf. Hierdurch erwärmt sich das Energiespeichermedium 604 weiter.
Anschließend wird das Energiespeichermedium 604 in einem Knotenpunkt 627 wieder zusammengeführt und zu dem Rücklaufwärmeübertrager 614 geleitet. In diesem Rücklaufwärmeübertrager 614 nimmt das Energiespeichermedium 604 im Bereich des ersten Energieträgerkreislaufbereiches 602A Wärmeenergie aus dem zweiten Energieträgerkreislaufbereich 602B auf. Somit erfährt das Energiespeichermedium 604 vor dem Erreichen des Motors 612 eine weitere Wärmeenergieerhöhung. Im Bereich des Verdichters 606 erfährt das Energiespeichermedium wiederum eine Wärmeenergieerhöhung, in dem es mittels des Verdichters 606 eine Druckerhöhung und damit auch eine Temperaturerhöhung erfährt.
Über das Gehäuse 611 des Motors 612 wird die Wärmeenergie bzw. ein Teil der Wärmeenergie, welche dem Energiespeichermedium 604 inne wohnt, an ein kühleres Arbeitsmedium des Motors 612 abgegeben, wodurch das kühlere Arbeitsmedium innerhalb des Motors 612 expandiert und dabei Arbeit am Motor 612 verrichtet. Das Gehäuse 611 des Motors 612 fungiert als Motorwärmeübertrager 613.
Vorteilhafter Weise kann mittels des Motorgehäusepufferspeichers 683 dem Energiespeichermedium 604 vor dem Erreichen des Motorgehäuses 611 zusätzlich Wärmeenergie zugeführt werden, sollte der Motor 612 zusätzlich Leistung abgeben müssen.
Nicht mehr vom Motor 612 benötigte Wärmeenergie wird zum einen mittels des zweiten Energieträgerkreislaufbereiches 602B über den Rücklaufwärmeübertrager 614 wieder zum Entspannungsventil 605 zurückgeführt, an der Energieträgerkreislauf 602 erneut beginnt.
Zum anderen wird an dem Motor 612 nicht mehr benötigte Wärmeenergie mittels der Arbeitskreislaufwärmeübertrager 621 und 623 von dem Arbeitskreislauf 622 an den Energieträgerkreislauf 602 abgeführt. In dem Arbeitskreislauf 622 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein erstes Rückschlagventil 625 und ein zweites Rückschlagventil 626 eingebaut, wodurch die Umlaufrichtungen des Arbeitsmediums innerhalb des Arbeitskreislaufes 622 festgelegt sind.
Um verstärkt Wärmeenergie aus dem Arbeitskreislauf 622 abführen zu können, ist in diesem Ausführungsbeispiel im Bereich der Arbeitskreislaufwärmeübertrager 621 und 623 ein Hilfsarbeitskreislauf 684 angeschlos sen, der in einen ersten Hilfsarbeitsteilkreislauf 684A (der erste Hilfsarbeitsteilkreislauf 684A ist im Bereich des Arbeitskreislaufwärmeübertragers 621 an dem Arbeitskreislauf 622 angeschlossen) und der in einen zweiten Hilfsarbeitsteilkreislauf 684B (der zweite Hilfsarbeitsteilkreislauf 684B ist im Bereich des zweiten Arbeitskreislaufwärmeübertragers 623 an dem Arbeitskreislauf 622 angeschlossen) übergeht.
Die Abfuhr an Arbeitsmedium aus dem Arbeitskreislauf in den ersten Hilfsarbeitsteilkreislauf 684A ist mittels eines Druckregelventils 685 geregelt. Dies bedeutet, wenn der Druck innerhalb des Arbeitskreislaufes einen kritischen Wert überschreitet, arbeitet das Druckregelventil 685 und ein Teil des Arbeitsmediums gelangt in den Hilfsarbeitsteilkreislauf 684A. Dementsprechend ist die Abfuhr des Arbeitsmediums aus dem Arbeitskreislauf in den zweiten Hilfsarbeitsteilkreislauf 684B mittels eines zweiten Druckregelventils 686 geregelt. Auch hier strömt das Arbeitsmedium zumindest teilweise aus dem Arbeitskreislauf in den Hilfsarbeitsteilkreislauf 684B, sobald der Druck in dem Arbeitskreislauf einen kritischen Wert überschreitet.
Der Hilfsarbeitsteilkreislauf 684A durchströmt vorliegend den ersten Arbeitskreislaufwärmeübertragerpufferspeicher 681, wobei dem Arbeitsmedium hierbei Wärmeenergie entzogen wird, die dem Energiespeichermedium 604 bei Bedarf zugeführt werden kann. Dementsprechend wird Wärmeenergie aus dem Arbeitsmedium aus dem Hilfsarbeitsteilkreislauf 684B in den Arbeitskreislaufwärmeübertragerpufferspeicher 682 abgegeben, so dass auch hierdurch zusätzliche Wärmeenergie des Arbeitsmediums in das Energiespeichermedium 604 abgegeben werden kann.
Beide Hilfsarbeitsteilkreisläufe 684A, 684B werden in einem Knotenpunkt 687 zusammengeführt und im Inneren 688 des Zwischenspeichers 670 zwischengelagert. Bei Bedarf wird das zwischengelagerte Arbeitsmedium mittels einer Pumpe 689 über eine erste Einspritzdüse 690 und eine zweite Einspritzdüse 691 in Expansionsräume des Motors 612 eingedüst. Hierdurch ist es möglich, kühles Arbeitsmedium zusätzlich in den erwärmten Motor 612 einzubringen, welches dort expandiert und dadurch zusätzliche Arbeit an den Scheiben 628 (hier nur exemplarisch gezeigt und beziffert) des Motors 612 verrichtet. Die Scheiben 628 rotieren gemäß der Rotationsrichtung 629 exzentrisch um die Kurbelwelle 630.
Durch das Einspritzen des zusätzlichen Arbeitsmediums entsteht im Arbeitskreislauf 622 ein höherer Druck, der durch einen höheren Anteil von gasförmigen Arbeitsmedium im Arbeitskreislauf 622 ausgelöst wird.
Der eingeführte Begriff „Arbeitskreislauf" 622 wird im Sinne der Patentanmeldung bei Vorhandensein eines Hilfsarbeitskreislaufes 648 auch als Hauptarbeitskreislauf bezeichnet.

Claims

Wärmekraftmaschine zum Umwandeln von Energie, wie etwa Umgebungswärmeenergie in kinetische Energie, mit einem Motor und mit einem Arbeitskreislauf zum Antreiben des Motors, gekennzeichnet durch einen Energieträgerkreislauf, welcher zum Erwärmen des Motors mit diesem Motor wechselwirksam verbunden ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Arbeitsteilkreisläufe (578 bis 563) welche mit dem Motor (112) wechselwirksam verbunden sind.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieträgerkreislauf (102) und der Arbeitskreislauf (122) voneinander verschieden sind.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieträgerkreislauf (102) mit einem Arbeitskreislauf (122) wechselwirksam verbunden ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Arbeitsteilkreisläufe (578 bis 563), welche mit dem Energieträgerkreislauf (102) wechselwirksam verbunden sind.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (112) ein Mehrscheibenmo tor, vorzugsweise ein Dreischeibenmotor oder ein Vierscheibenmotor, ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (112), vorzugsweise das Motorgehäuse (111) ein Erhitzer des Arbeitsmediums ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (112) einen Wärmeübertrager (113) der Wärmekraftmaschine (101) darstellt.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieträgerkreislauf (102) und der Arbeitskreislauf (122) mittels des Motors (112), vorzugsweise mittels des Motorgehäuses (111), wirkverbunden sind.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (112) einen Wärmeübertrager (113) zwischen dem Energieträgerkreislauf (102) und dem Arbeitskreislauf (122) aufweist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Energieträgerkreislauf (102) und dem Arbeitskreislauf (122) wenigstens ein weiterer Wärmeenergieübertrager (113) angeordnet ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Arbeitskreisläufe (122) voneinander verschieden sind.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieträgerkreislauf (102) zumindest einen Vorlauf und Idealerweise mehr als einen Rücklauf aufweist, wobei ein erster Rücklauf des Energieträgerkreislaufes (102) und ein zweiter Rücklauf des Energieträgerkreislaufes (102) mittels eines Rücklaufwärmetauschers (114) miteinander wechselwirksam verbunden sind.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieträgerkreislauf (102) unterschiedliche Querschnitte aufweist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieträgerkreislauf (102) in einem ersten Teilbereich zwischen einem Expansionsventil (105) und einem Verdichter (106) einen größeren Querschnitt aufweist als in einem weiteren Teilbereich zwischen dem Verdichter (106) und dem Expansionsventil (105).
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Energieträgerkreislauf (102) zwei voneinander verschiedene Druckniveaus vorhanden sind.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlauftemperatur des Verdichters (106) gleich der Rücklauftemperatur des Motors (112) ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskreislauf (122) einen Arbeitsmediumzwischenspeicher (470) aufweist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Hilfsarbeitskreislauf (684), mittels welchem Arbeitsmedium zusätzlich in Expansionsräumen des Motors (612) einbringbar ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfsarbeitskreislauf (684) der Wärmekraftmaschine (601) ein Regelventil (685, 686) umfasst.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskreislauf der Wärmekraftmaschine (601) in einen Hauptarbeitskreislauf (622) und in einen Hilfsarbeitskreislauf (684) unterteilt ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsarbeitskreislauf (684) wenigstens einen Arbeitskreislaufwärmeübertragerpufferspeicher (681) aufweist und der Arbeitskreislaufwärmeübertragerpufferspeicher (681) mit einem Arbeitskreislaufwärmeübertrager (621), der zwischen dem Energie trägerkreislauf (602) und dem Arbeitskreislauf (622) angeordnet ist, wirkverbunden ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsarbeitskreislauf (684) wenigstens einen Motorgehäusepufferspeicher (683), welcher mit einem Gehäuse (611) des Motors (612) wirkverbunden ist, aufweist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskreislaufwärmeübertragerpufferspeicher (681, 682) und der Motorgehäusepufferspeicher (683) jeweils einen Phasenübergangsspeicher umfassen.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, bei welchem ein Arbeitsmedium einen Motor der Wärmekraftmaschine antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium mittels eines Energiespeichermediums erwärmt wird.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermedium (104) das Arbeitsmedium kühlt.
Verfahren zum Umwandeln von Energie, bei welchem einer Wärmekraftmaschine mittels eines Energiespeichermediums aus der Umwelt aufgenommene Wärmeenergie zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufnehmen der Umweltwärmeenergie das Energiespeichermedium von einem Ausgangstemperaturniveau auf ein Starttemperaturniveau heruntergekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufnehmen der Umweltwärmeenergie das Energiespeichermedium (104) von einem Ausgangsdruckniveau auf ein Startdruckniveau entspannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermedium (104) vor dem Aufnehmen oder während des Aufnehmens der Umweltwärmeenergie einer Querschnittserweiterung eines Energieträgerkreislaufes (102) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermedium (104) mittels der Umweltwärmeenergie auf ein erstes erhöhtes Temperaturniveau erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Energiespeichermedium (104) Abwärmeenergie aus einem Arbeitskreislauf (122) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermedium (104) mittels der Abwärme aus dem Arbeitskreislauf (122) auf ein zweites erhöhtes Temperaturniveau erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Energiespeichermedium (104) Rücklaufwärmeenergie aus einem Motorrücklauf zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermedium (104) mittels der Rücklaufwärmeenergie auf ein drittes erhöhtes Temperaturniveau erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermedium (104) mittels eines Verdichters (106) auf ein Arbeitstemperaturniveau erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermedium (104) im Bereich eines Verdichters (106) einer Querschnittsverjüngung des Energieträgerkreislaufes (102) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn das Energiespeichermedium (104) das Arbeitsmedium kühlt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abwärme des Motors in das Energiespeichermedium (104) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte extern aufgenommene Wärme in kinetische Energie umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil der Arbeitstemperaturenergie dem Energiespeichermedium (104) zwischen der ersten Temperaturerhöhung und der dritten Temperaturerhöhung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Teil der Arbeitstemperaturenergie dem Energiespeichermedium (104) zwischen der zweiten und einer vierten Temperaturerhöhung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsmedium in einem Zwischenspeicher (470) bereitgestellt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitmedium in dem Zwischenspeicher (470) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher (470) von einem Energiespeichermedium (104) umströmt wird.