DE102007037889A1 - Kraftmaschine und KWK-Vorrichtung - Google Patents

Kraftmaschine und KWK-Vorrichtung Download PDF

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    • F05D2220/30Application in turbines
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftmaschine und eine KWK-Vorrichtung mit einer solchen Kraftmaschine. Die erfindungsgemäße Kraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass ein Arbeitsraum durch einen ausstellbar gelagerten Flügel begrenzt wird, der mittels eines Anschlags mit minimalem Abstand zu einer gegenüberliegenden Begrenzungsfläche justiert ist, so dass der Flügel von einem in einem Arbeitsraum befindlichen Medium verdrängt wird, um einen Rotor zu bewegen, wobei keine Reibung zwischen dem Flügel und der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche auftritt. Die KWK-Vorrichtung (Kraft-Wärmekopplungs-Vorrichtung) zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Gehäuse eine mit Dampf betriebene Kraftmaschine, ein Generator und ein Wärmetauscher angeordnet sind. Durch das Gehäuse sind diese Elemente gegenüber der Umwelt sowohl thermisch als auch druckdicht abgekapselt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftmaschine und eine KWK-Vorrichtung.
  • Im stationären Bereich (Wohnen und Arbeiten) wird die Energie fast ausschließlich zur Strom- und Wärmeerzeugung aufgewendet. Die Stromerzeugung erfolgt heute fast ausschließlich in dezentralen Großkraftwerken, welche z. B. in Deutschland einen durchschnittlichen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 30% haben. Dabei fallen 70% der eingesetzten Energie als Abwärme an, die kaum genutzt werden kann weil sie nicht zum Verbraucher transportiert werden kann. Gleichzeitig wird zum Beheizen von Wohn- und Arbeitsräumen zusätzliche Energie verbraucht um ausschließlich Wärme zu erzeugen.
  • Erzeugt man den Strom am Ort des Wärmebedarfs mit einer dezentralen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage (Anlage) ist es möglich, die dabei anfallende Abwärme zu nutzen. Dies erfordert aber kleine dem jeweiligen Wärmebedarf angepasste KWK-Anlagen. Ein Ziel des zukünftigen Energieeinsatzes sollte sein, jeglichen Wärmebedarf aus der Abwärme der Stromerzeugung zu decken.
  • In Großkraftwerken wird der Strom überwiegend durch Verbrennung fossiler Energieträger unter Einsatz von Gas- und Dampfturbinen erzeugt. Diese Großkraftwerke erreichen zwar wegen ihrer Größe die besten elektrischen Wirkungsgrade und Abgaswerte, ermöglichen aber kaum eine Nutzung der Abwärme. Eine Verkleinerung dieser Großkraftwerks-Technologien ist bisher nur bei erheblichen Wirkungsgradeinbußen gelungen.
  • Im Bereich der dezentralen KWK-Anlagen sind aufgrund des erheblichen Bedarfs bereits verschiedene Systemen bekannt oder in der Entwicklung. Eine Möglichkeit sind mit flüssigen und gasförmigen Brennstoffen (z. B. Diesel, Benzin, Pflanzenöle, Erdgas, Biogas) betriebene Verbrennungsmotoren mit geschlossener Verbrennung und angekoppeltem Generator. Verbrennungsmotoren stellen zur Zeit die einzigen brauchbaren und serienmäßig verfügbaren Antriebsquellen für KWK-Anlagen dar. Ihr einziger wirklicher Vorteil liegt im relativ hohen elektrischen Wirkungsgrad. Ansonsten sind diese Aggregate für KWK-Anlagen praktisch ungeeignet. Gravierende Nachteile der Verbrennungsmotoren sind schädliche Abgase, schwer beherrschbare Lärmentwicklung, hoher Verschleiß, hoher Wartungsaufwand, kurze Lebensdauer, hohe Kosten und niedrige Wirtschaftlichkeit. Diese Nachteile sind hauptsächlich auf den geschlossenen explosionsartigen Verbrennungsvorgang zurückzuführen.
  • Es gibt auch diverse Systeme die mit offener Verbrennung arbeiten. Diese haben die meisten der oben aufgeführten Nachteile nicht. Kleine Gasturbinen beispielsweise sind inzwischen ab 30 kW elektrischer Leistung verfügbar. Sie besitzen einen mittleren Wirkungsgrad, sind teuer, haben eine brauchbare Lebensdauer, erfordern wenig Wartung und produzieren relativ wenig Abgase.
  • Stirlingmotoren wären sehr gut geeignet für KWK-Anlagen. Sie sind aber für eine breite Markteinführung in absehbarer Zeit noch nicht reif. Sie besitzen einen mittleren Wirkungsgrad, kosten jedoch sehr viel, haben eine hohe Lebensdauer und arbeiten relativ leise.
  • ORC-Anlagen sind Dampfanlagen die anstelle mit Wasser mit organischen Flüssigkeiten betrieben werden. Sie sind in kleiner Anzahl bereits im Einsatz, allerdings nur mit Leistungen von über 500 kW. Sie sind für alle brennbaren Energieformen geeignet. Diese Anlagen sind sehr komplex und teuer. Der Wirkungsgrad ist bisher sehr niedrig.
  • Die Marktreife von Brennstoffzellen ist für die nahe Zukunft noch nicht absehbar.
  • Der Wirkungsgrad einer Dampfkraftanlage wird im wesentlichen durch die Expansionsmaschine zur Umwandlung der Dampfenergie in mechanische Energie bestimmt.
  • Dampf- und Gasturbinen sind Strömungsmaschinen, welche ausschließlich die Strömungsenergie des Mediums nutzen. Da eine Strömungsmaschine keine dichten Arbeitsräume oder Kammern aufweist, kann bei Stillstand ein Teil des Mediums die Maschine durchströmen, ohne dass eine Bewegung ausgelöst wird. Eine Turbine liefert daher erst bei einer hohen Strömungsgeschwindigkeit eine Leistung. Ein guter Wirkungsgrad erfordert mehrere Turbinenstufen hintereinander, einen großen Volumenstrom, hohe Drehzahlen, hohe Temperaturen und deshalb die besten verfügbaren Werkstoffe. Der wesentliche Vorteil von Strömungsmaschinen liegt darin, dass sie keine Dichtung zwischen Gehäuse und Läufer haben, wodurch kaum Reibungsverluste auftreten und sich dadurch eine hohe Lebensdauer ergibt. Die kontinuierliche Arbeitsweise ist ein weiterer Vorteil. Turbinen arbeiten jedoch bei geringerer Leistung nicht wirtschaftlich.
  • Alternativen zu Strömungsmaschinen sind druckbasierte Verdrängungsmaschinen, wie z. B. Kolbenmaschinen (Rotations-, Dreh-, Kreis- und Hubkolbenmaschinen; sie he Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 21. Auflage, K. -H. Grote et al., Springer Verlag, ISBN 3-540-22142-5, Kapitel P, insbesondere Seite P2). Sie arbeiten kontinuierlich oder zyklisch mittels druckdichten Arbeitsräumen. Jedoch vernichten hier die Reibungsverluste an den Dichtungen die Vorteile des ansonsten effizienteren Verdrängungsprinzips und verkürzen die Lebensdauer der Maschine. Zudem sind die meisten dieser Verdrängungsmaschinen aufgrund ihrer Verdränger- und Arbeitsgeometrie besser als Pumpen denn als Motoren geeignet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine langlebige und effiziente Kraftmaschine bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer KWK-Vorrichtung, die einen sehr guten Wirkungsgrad aufweist und eine hohe Lebensdauer besitzt.
  • Die Aufgabe wird durch ein KWK-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 24 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Kraftmaschine mit einem ortsfesten Stator und einem drehbar gelagerten Rotor, mit wenigstens einem Arbeitsraum, der zwischen dem Stator und dem Rotor mit in Drehrichtung einer inneren und äußeren Begrenzungsfläche ausgebildet ist. Der Arbeitsraum weist einen eingangsseitigen Einlass zum Zuführen von Strömungsmittel auf. An einer der Begrenzungsflächen ist zumindest ein ausstellbar gelagerter Flügel zur Begrenzung des Arbeitsraumes an dem dem Einlass gegenüberliegenden Ende des Arbeitsraumes angeordnet. Der Flügel ist mit einer freien Endkante in Richtung zur gegenüberliegenden Begrenzungsfläche ausstellbar. Ein Anschlag ist derart vorgesehen, dass der Flügel in seiner ausgestellten Arbeitstellung mit seiner freien Endkante exakt auf die gegenüberliegende Begrenzungsfläche justiert ist und hierdurch parallel zur gegenüberliegenden Begrenzungsfläche bewegt wird.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung des Arbeitsraumes vorgesehen, die intermittierend abgebaut wird. Die Maschine arbeitet nur in einer Bewegungsrichtung. Der Flügel bewegt sich mit seiner freien Endkante parallel zur gegenüberliegenden Begrenzungsfläche. Über den Anschlag kann der Flügel in seiner ausgestellten Arbeitsstellung derart eingestellt werden, dass er sich mit sehr geringem Abstand entlang der Begrenzungsfläche bewegt und auf diese Weise nahezu keine Reibungsverluste auftreten. Am Flügel kann auch eine Dichtung vorgesehen werden, die den Spalt zwischen dem Flügel und der Begrenzungsfläche abdichtet, wobei keine nennenswerten Kräfte vom Flügel auf die Dichtung übertragen werden. Die Größe des Arbeitsraumes ist begrenzt und durch den am Flügel anliegenden Druck wird eine Drehkraft erzeugt. Durch die geschlosse Expansionsentwicklung kommt es zu einer kontinuierlichen Rotationsbewegung.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für den Betrieb mit Wärme (Energie) aus offener Verbrennung und mit Abwärme beliebiger Herkunft vorgesehen. Die Umsetzung der Wärme in elektrische Energie erfolgt im wesentlichen in bekannter Weise mit einem Dampfprozeß. Als Dampfmedium kann neben Wasser auch jedes andere als geeignet bekannte organische Medium eingesetzt werden. Die KWK-Anlage ist für Anlagengrößen vorgesehen, die für den dezentralen Einsatz geeignet sind.
  • Die erfindungsgemäße KWK-Vorrichtung umfasst
    eine dampfbetriebene Kraftmaschine,
    einen Wärmetauscher zum Verdampfen eines Strömungsmittels, um die Kraftmaschine anzutreiben, einen von der Kraftmaschine angetriebenen Generator, und ein Gehäuse, in dem sich die Kraftmaschine, der Wärmetauscher und der Generator befinden.
  • Bei der Erfindung sind somit die Kraftmaschine, der Wärmetauscher und der Generator in einem gemeinsamen Gehäuse druckdicht und thermisch gekapselt. Eine solche Kapselung erlaubt zum einen eine effiziente Nutzung der der KWK-Vorrichtung zugeführten Wärme, da die Wärme innerhalb des Gehäuses bleibt und effizient in mechanische bzw. elektrische Energie gewandelt werden kann. Weiterhin erlaubt eine solche Kapselung, die Verwendung spezieller Strömungsmittel in einem Kreislauf zwischen dem Wärmetauscher und der Kraftmaschine, da durch die Kapselungen ein Austritt an die Umwelt sicher vermieden wird.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Gehäuse noch ein Kondensator zum Kondensieren des Strömungsmittels vorgesehen. Der Kondensator ist an einem nach außerhalb des Gehäuses führenden Kühlkreislauf angeschlossen, so dass überschüssige Wärme im Gehäuse gezielt einer Nutzung außerhalb des Gehäuses zugeführt wird und nicht als ungenutzte Abwärme an die Umwelt abgegeben wird.
  • Vorzugsweise ist das Gehäuse thermisch isoliert.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen schematisch in:
  • 1 eine KWK-Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine in einer seitlich geschnittenen Ansicht,
  • 2 die Kraftmaschine aus 1 in einer Schnittdarstellung quer zur Drehachse,
  • 3 die Kraftmaschine aus 1 in einer perspektivisch ausgebrochen Schnittdarstellung,
  • 4 die Kraftmaschine aus 1 in einer Explosionsdarstellung,
  • 5 einen Bereich der Kraftmaschine aus 1 in einer weiteren perspektivisch ausgebrochen Schnittdarstellung, und
  • 6 die Kraftmaschine aus 1 in einer weiteren perspektivisch ausgebrochen Schnittdarstellung.
  • 1 zeigt eine KWK-Vorrichtung 1 mit einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine 2. Die KWK-Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 3 auf. Das Gehäuse 3 umfasst eine kreisförmige Deckenwandung 4, eine kreisförmige Bodenwandung 5 und eine zylindrische Seitenwandung 6. Ein erster oberer Gehäusebereich 7 ist von einem mittleren Gehäusebereich 8 durch eine erste obere horizontale Zwischenwandung 9 getrennt. Der mittlere Gehäusebereich 8 ist von einem unteren Gehäusebereich 10 durch eine zweite untere horizontale Zwischenwandung 11 getrennt. In dem Gehäuse 3 ist entlang einer Längsachse 12 ein Wärmetauscher 13 zum Erzeugen von Dampf aus einem Dampfmedium 18 angeordnet. Der Wärmetauscher 13 erstreckt sich über den unteren und mittleren Gehäusebereich 10, 8. Im oberen Gehäusebereich 7 ist ein Generator 14 zum Erzeugen von Strom angeordnet. Im mittleren Gehäusebereich 8 ist der Wärmetauscher 13 von der Kraftmaschine 2 umgeben, die einen Stator 15 und einen Rotor 16 aufweist. Im unteren Gehäusebereich 10 ist zusätzlich zum Wärmetauscher 13 ein Kondensator 17 zum Verflüssigen des Dampfmediums 18 angeordnet. Der untere Gehäusebereich 10 bildet einen ringförmigen Mediumspeicher 19 für das flüssige Dampfmedium 18 aus.
  • Der Wärmetauscher 13 ist entlang der Längsachse 12 der KWK-Vorrichtung 1 zylindrisch ausgebildet und etwa konzentrisch zur Längsachse 12 angeordnet. Am oberen Ende des Wärmetauschers 13 ist ein mit der Längsachse 12 fluchtendes Einlassrohr 20 zum Zuführen eines Wärmeenergie enthaltenden Wärmeträgers 15 vorgesehen. Eine geeignete Flüssigkeit kann beispielsweise Wasser, Öl, Thermo-Öl oder ein geeignetes Gas kann Heißluft, Abgas, Rauchgas sein.
  • Das Einlassrohr 20 mündet mit seinem unteren Ende in ein Erhitzerrohrregister 22 des Wärmetauschers 13. Das Erhitzerrohregister 22 setzt sich aus einer Vielzahl von einzelnen Erhitzerrohren 23 zusammen. Die Erhitzerrohre 23 sind jeweils von Regeneratorrohren 24 zur Aufnahme eines Dampfmediums 18 umgeben. Die Bereiche zwischen den Erhitzerrohren 23 und Regeneratorrohren 24 bilden so mehrere Verdampfungskammern 25 aus. Um das Erhitzerrohrregister 22 und die Regeneratorrohre 24 ist ein rohrförmiges Gehäuse 26 angeordnet, wobei der Zwischenraum zwischen den Regeneratorrohren 24 und der Innenfläche des Gehäuses 26 eine Regeneratorkammer 27 ausbildet.
  • Die Erhitzerrohre 23 sind mit ihren Enden jeweils an Öffnungen einer unteren und einer oberen Erhitzerlochplatte 28, 29 befestigt. Der Außenumfang der Lochplatten schließt bündig mit der Innenfläche des Gehäuses 26 des Wärmetauschers 13 ab. Die Regeneratorrohre 24 sind mit ihren Enden jeweils an Öffnungen einer unteren und einer oberen Regeneratorlochplatte 30, 31 befestigt. Der Außenumfang der Lochplatten schließt wiederum bündig mit der Innenfläche des Gehäuses 20 des Wärmetauschers 13 ab. Die Regeneratorlochplatten 30, 31 sind innerhalb der Erhitzerlochplatten 30, 31 angeordnet.
  • Die Verdampfungskammern 25 können auch derart ausgebildet sein, dass kurze Rohrsegmente 32 im unteren Bereich der Verdampfungskammern konzentrisch zwischen den Erhitzerrohren 23 und den Regeneratorrohren 24 angeordnet sind und mit ihrem unteren Enden in den Zwischenbereich zwischen der unteren Erhitzerlochplatte 28 und der unteren Regeneratorlochplatte 30 ragen. Die unteren Enden dieser Rohrsegmente 32 sind jeweils an Öffnungen einer Zwischenlochplatte 33 befestigt, die wiederum bündig mit dem Gehäuse 20 des Wärmetauschers 13 abschließt. Der Raum zwischen der unteren Erhitzerlochplatte 28 und der unteren Regeneratorlochplatte 30 ist durch die Zwischenlochplatte 33 in eine untere und eine obere Beschickungskammer 34, 35 zum Zuführen von Dampfmedium 18 zu den Verdampfungskammern 25 unterteilt.
  • Am unteren Ende des Wärmetauschers 13 münden die Erhitzerrohre 23 in ein gemeinsames nach unten gerichtetes Auslassrohr 36 zum Abführen des Wärmeträgers 21.
  • Im Bereich der Beschickungskammern 34, 35 weist das rohrförmige Gehäuse 30 des Wärmetauschers 13 zwei Reihen übereinander umlaufend angeordneter Dampfmediumzuführöffnungen 37 auf.
  • Um die Dampfmediumzuführöffnungen 37 des Wärmetauschers 13 ist außenseitig ein ringförmiger Zuführkanal 38 ausgebildet. In den Zuführkanal 38 mündet eine Zuführleitung 39, in die über eine Pumpe 40 das Dampfmedium 18 zugeführt wird. Die Zuführleitung 39 ist nach unten abgewinkelt und endet offen ein Stück über der Bodenwandung 5, so dass sie in den Mediumspeicher 19 ragt. Der ringförmige Mediumspeicher 19 wird durch den unteren Abschnitt der zylindrischen Seitenwandung 6 des Gehäuses 3, die Bodenwandung 5 und durch ein zylinderförmiges sich von der Bodenwandung 5 zum ringförmigen Zuführkanal 38 erstreckenden Segment 41 begrenzt. Die Pumpe 40 kann auch außerhalb des Gehäuses 3 angeordnet sein.
  • Der Bereich zwischen der oberen Erhitzerlochplatte 29 und der oberen Regeneratorlochplatte 31 bildet eine Dampfkammer 42, in die die Verdampfungskammern 25 münden. Im Bereich der Dampfkammer 42 sind im Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13 mehrere umlaufend angeordnete Dampfmediumauslassöffnungen 43 ausgebildet. Die Dampfmediumauslassöffnungen 43 sind etwa rechteckig und bilden eine Reihe Öffnungen, die jeweils mit gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.
  • Im Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13 sind benachbart und unterhalb der oberen Regeneratorlochplatte 31 mehrere umlaufend angeordnete Dampfmediumeinlassöffnungen 44, die in die Regeneratorkammer 27 münden und wiederum etwa rechteckig ausgebildet sind und eine Reihe Öffnungen bilden, die jeweils mit gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.
  • Im Bereich der Dampfmediumauslassöffnungen 43 und der Dampfmediumeinlassöffnungen 44 ist der Wärmetauscher 13 von der Kraftmaschine 2 umgeben. Der Stator 15 ist unmittelbar auf dem Gehäuse 26 des Wärmetauschers 4 ortsfest angeordnet und der drehbar gelagerte Rotor 16 umschließt mit seinen wesentlichen Elementen den Stator 15. Der Rotor 16 ist in Drehrichtung 45 drehbar ausgebildet.
  • Der Stator 15 weist eine scheibenringförmige obere Begrenzungswandung 46, eine scheibenringförmige untere Begrenzungswandung 47 und eine sich zwischen den Begrenzungswandungen 46, 47 erstreckende zylinderförmige Innenwandung 48 auf. Die Begrenzungswandungen 46, 47 stehen senkrecht auf dem Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13 und schließen mit ihrem inneren Rand bündig mit dem Gehäuse 26 ab. Die Innenwandung 48 ist mit einem Abstand konzentrisch zum Gehäuse 26 angeordnet. Ein Ringsteg 49 ist mittig zwischen den beiden Begrenzungswandungen 46, 47 auf der Innenfläche der Innenwandung 48 angeordnet. Der Ringsteg 49 erstreckt sich von der Innenwandung 48 bis zum Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13.
  • Der Ringsteg 49 unterteilt den Bereich zwischen der oberen und unteren Begrenzungswandung 46, 47, der Innenwandung 48 und dem Gehäuse 26 des Wärmetau schers 13 in einen oberen umlaufenden Einlasskanal 50 und einen unteren umlaufenden Auslasskanal 51.
  • In der Innenwandung 48 sind im Einlasskanal 50 Einlassöffnungen 52 ausgebildet. Die Einlassöffnungen 52 weisen den gleichen Winkelabstand zueinander auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind lediglich zwei Einlassöffnungen 52 vorgesehen, die 180° zueinender versetzt sind.
  • Die Einlassöffnungen 52 münden jeweils in eine Düsenkammer 53. Bogenförmige Leitbleche 54 erstrecken sich jeweils von der Innenwandung 48 vom in Drehrichtung 45 rückwärtigen Ende einer der Einlassöffnungen 52 in Drehrichtung und radial nach außen über die jeweilige Einlassöffnung hinweg. An ihrem radialen äußeren Endbereich erstrecken sich die Leitbleche 54 jeweils über den äußeren Rand der Begrenzungswandungen 46, 47 hinaus (4) und weisen einen Düsenabschnitt 55 auf. Der Düsenabschnitt 55 besitzt eine Düsenaußenfläche 56, die konzentrisch zur Drehachse des Rotors 16 ist. Die Leitbleche 54 bilden mit ihren zur Einlassöffnung 52 weisenden Flächen rückwärtige konkave Düsenflächen 57. Die Düsenkammer 53 ist in Drehrichtung 45 nach vorne durch eine bogenförmige vordere konvexe Düsenfläche 58 begrenzt, die sich vom in Drehrichtung 45 vorderen Ende der Einlassöffnung 52 radial nach außen bis Nahe an den Düsenabschnitt 55 erstreckt. Der Düsenabschnitt 55 ist seitlich jeweils mit einer Seitenwandung 59 begrenzt, die bündig zur Innenfläche der Begrenzungswandungen 46, 47 ist und sich ein Stück nach vorne in Drehrichtung 45 erstreckt.
  • Durch die Ausbildung der rückwärtigen konkaven Düsenfläche 47 und der vorderen konvexen Düsenfläche 58 wird ein Strömungskanal ausgebildet, der sich nach radial außen verjüngt und an seinem Ende eine Düse 60 bildet.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die vordere konvexe Düsenfläche 58 an einem massiven Formkörper 61 ausgebildet. Dieser Formkörper 61 ist an der Innenwandung 48 angeformt und wird radial nach innen durch die Innenwandung begrenzt. Der Formkörper 61 erstreckt sich von der konvexen Düsenfläche 58 in Drehrichtung 45 konzentrisch zur Längsachse 12 der KWK-Vorrichtung 1, die gleichzeitig die Drehachse 12 des Rotors bildet. Die vordere konvexe Düsenfläche 58 erstreckt sich ab der Düse 60 unter stetiger Fortsetzung der konvexen Bogenform ein kleines Stück radial nach innen. Dort trifft die Bogenform auf eine zur Drehachse 12 konzentrische Oberfäche, die im folgenden als innere Begrenzungsfläche 62 eines Arbeitsraumes bezeichnet wird. Am in Drehrichtung 45 vordere Ende der inneren Begrenzungsfläche 62 weist der Formkörper 61 eine radial verlaufende Stirnfläche 63 auf. Diese Stirnfläche 63 steht senkrecht auf der Innenwandung 48.
  • Der Formkörper 61 kann auch hohl ausgebildet sein.
  • Benachbart zur Stirnfläche 63 des Formkörpers 61 ist in der Innenwandung 48 im Bereich des Auslasskanals 51 jeweils eine Auslaßöffnung 64 ausgebildet. Diese Auslaßöffnung 64 erstreckt sich in vertikaler Richtung zwischen der unteren Begrenzungswandung 47 des Stators 15 und dem Ringsteg 49 und in Drehrichtung 45 von der Stirnfläche 63 bis zum Beginn des bogenförmigen Leitbleches 54.
  • Zwischen den Stirnflächen 63 und den in Drehrichtung 45 vorne angeordneten bogenförmigen Leitblechen 54 sind vertikal ausgerichtete Führungsbleche 65 (2, 4) angeordnet. Diese Führungsbleche 65 weisen radial außen eine Führungskante 66 auf, die sich von der inneren Begrenzungsfläche 62 allmählich radial nach außen bis zum Düsenabschnitt 55 des bogenförmigen Leitbleches 54 erstreckt. Radial innen weisen die Führungsbleche 65 eine freie Kante 67 auf, die mit Abstand zur Innenwandung 48 ausgebildet ist (2).
  • Der Rotor 16 weist einen zylinderförmigen Rotorkörper 68 auf, der den Stator 15 konzentrisch umschließt. Am unteren Ende des zylinderförmigen Rotorkörpers 68 ist ein unterer Ringvorsatz 69 radial nach innen weisend angeformt. Im obereren Bereich ist ein oberer Ringvorsatz 70 vorgesehen, der ebenfalls radial nach innen weisend ausgebildet ist. Die Stirnflächen des oberen und des unteren Ringvorsatzes 69, 70 ragen derart nach innen, dass sie die Stirnseiten der oberen bzw. der unteren Begrenzungswandung 46, 47 des Stators 15 nahezu spielfrei aufnehmen bzw. bündig mit ihnen abschließen.
  • Im Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Ringvorsatz 69 ist innen anliegend am zylinderförmigen Rotorkörper 68 eine etwa zylinderförmige Isolierung 71 vorgesehen. Die Isolierung 71 kann z. B. aus Kunststoff, Keramik oder einem anderen geeigneten Werkstoff ausgebildet sein.
  • Die zylinderförmige Isolierung 71 und die innenliegenden Flächen des oberen und des unteren Ringvorsatzes 69, 70 umfassen den Düsenabschnitt 55, wobei die Ringvorsätze 69, 70, die Seitenwandungen 59 der Düse 60 nahezu spielfrei aufnehmen. Die Düsenaussenfläche 56 des Düsenabschnittes 55 ist zur Innenfläche des Rotors 16 bzw. dessen Isolierung 71 nahezu spielfrei angeordnet, wobei beide Flächen zueinander konzentrisch sind.
  • In der Isolierung 71 sind radial umlaufend, äquidistant angeordnete Aussparungen 72 zur Aufnahme jeweils eines Flügels 73 vorgesehen. Die Aussparungen 72 erstrecken sich jeweils entgegen der Drehrichtung 45 etwas über den sich in seiner Ruhestellung befindlichen und in der Aussparung angeordneten Flügels 73 hinaus, so dass sich jeweils eine Tasche 89 bildet.
  • Die Zahl der Aussparungen 72 und der Flügel 73 kann an sich beliebig sein. Grundsätzlich würde die erfindungsgemäße Kraftmaschine mit einem einzige Flügel 73 funktionieren. Mehrere Flügel sind bevorzugt, da es dann möglich ist, ohne Unterbrechung Arbeitsräume auszubilden. Die Anzahl der Flügel 73 kann daher zwei bis fünfzehn betragen und vorzugsweise fünf, wobei die Anzahl der Flügel vorzugsweise kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Düsen bzw. der Arbeitsräume ist. Der Winkelabstand zweier benachbarter Flügel 73 ist etwas kleiner als der Winkelbereich, über den sich die innere Begrenzungsfläche 62 erstreckt, so dass immer ein Flügel 73 gegenüber den jeweiligen inneren Begrenzungsflächen 62 angeordnet ist und an den inneren Begrenzungsflächen immer ein Arbeitsraum ausgebildet ist.
  • Die Flügel 73 weisen im Längsschnitt eine dreieckige Form auf, mit einem Basisabschnitt 74, einem kurzen Schenkelabschnitt 75 und einem langen Schenkelabschnitt 76. Im Bereich der Spitze zwischen den beiden Schenkelabschnitten 75, 76 ist eine Durchgangsbohrung 77 zur Aufnahme eines Stifts 78 ausgebildet. Der kurze Schenkelabschnitt 75 erstreckt sich in Drehrichtung 45 und der lange Schenkelabschnitt 57 entgegen der Drehrichtung 45. Der in der Durchgangsbohrung 77 angeordnete Stift 78 ist mit seinen Enden in jeweils einer Sackbohrung im oberen und im unteren Ringvorsatz 69, 70 aufgenommen. Der Flügel 73 ist um den parallel zur Drehachse 45 ausgerichteten Stift 78 schwenkbar gelagert.
  • Im eingeklappten Zustand bzw. in der Ruhestellung schließt der Basisabschnitt 74 des Flügels 73 konform mit der Isolierung 71 ab, wobei der Basisabschnitt 74 die gleiche Krümmung wie die Innenfläche der Isolierung 71 aufweist. In der Ruhestellung bilden die Flügel 73 somit mit der Isolierung 71 eine gleichmäßige, durchgehende Kontur.
  • Im ausgeschwenkten Zustand bzw. in der Arbeitsstellung liegt der kurze Schenkelabschnitt 75 an einer in der Aussparung 72 der Isolierung 71 im Bereich des kurzen Schenkelabschnittes 75 ausgebildeten Anschlagsfläche 79 an, um die Arbeitsstellung des Flügels 73 zu fixieren. Die Anschlagsfläche 79 bildet zusammen mit dem kurzen Schenkelabschnitt 75 einen Anschlag 80 zum präzisen Einstellen der Arbeitsstellung des Flügels 73. In der Arbeitstellung ist der Flügel 73 mit seinem langen Schenkelabschnitt 76 in Richtung der Inneren Begrenzungsfläche 62 des Arbeitsraumes ausgerichtet. Er ist mit einer freien Endkante 81, die die Kante zwischen dem Basisabschnitt 74 und der lange Schenkelabschnitt 76 des Flügels 73 ausbilden, zu der inneren Begrenzungsfläche 62 des Arbeitsraumes gegenüberliegend angeordnet, so dass die freie Endkante 81 des ausgeklappten Flügels 73 einen sehr kleinen Spalt mit der inneren Begrenzungsfläche ausbildet. Der Anschlag 80 kann auch derart eingestellt werden, dass die freie Endkante 81 minimal an der Begrenzungsfläche des Arbeitsraumes 62 anliegt, wobei hier jedoch nachteilige Reibungsverluste auftreten.
  • Die Höhe der Schwenkflügel entspricht in etwa dem vertikalen Abstand vom oberen Ringvorsatz 70 zum unteren Ringvorsatz 69.
  • Es kann ein Federelement vorgesehen sein, das den Flügel 73 in seine Arbeitsstellung ausklappt.
  • Der Bereich zwischen der inneren Begrenzungsfläche 62 des Arbeitsraumes, der Düse 60, der Isolierung 71, dem langen Schenkelabschnitt 76 des in der Arbeitsstellung ausgestellten Flügels 73 und den oberen und den unteren Ringvorsätzen 68, 69 bildet den Arbeitsraum 82.
  • Oberseitig weist der Rotor 16 eine scheibenringförmige Deckenwandung 83 auf, in deren Mitte eine rohrförmig ausgebildete Welle 84 angeordnet ist. Die Welle 84 umgibt das Einlassrohr 20 im oberen Gehäusebereich 7 und wird in der ersten horizontalen Zwischenwandung 9 des Gehäuses 3 und in der Deckenwandung 4 des Gehäuses 3 von jeweils einem Lager 85 aufgenommen. Im oberen Gehäusebereich 7 ist ein Generator 14 um den Wellenabschnitt der Welle 84 angeordnet, welcher aus der Drehbewegung der Welle Strom erzeugt, der dann einem Verbraucher zur Verfügung steht.
  • Im unteren Gehäusebereich ist entlang der zylindrischen Seitenwandung 6 ein ringförmiger Kondensator 17 zum Verflüssigen des Dampfmediums 18 vorgesehen. Der Kondensator ist beabstandet von der zylindrischen Seitenwandung 6 angeordnet und umschließt ebenfalls beabstandet den Wärmetauscher 13 in diesem Bereich. Der Kondensator 17 kann über eine Zuleitung 87 und eine Ableitung 88 mit einem Kühlmedium beschickt werden. An der Aussenseite des Kondesators 13 können Rippen ausgebildet sein, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern.
  • Nachfolgend wird der Betrieb der oben beschriebenen KWK-Vorrichtungen 1 erläutert:
    Über das Einlassrohr 20 wird der KWK-Vorrichtung 1 ein heißer Wärmeträger zugeführt. Der Wärmeträger wird beispielsweise durch die Abwärme einer Maschine erwärmt oder wird mittels einer speziell hierfür vorgesehenen Feuerstelle erwärmt, die mit unterschiedlichen Brennmaterialien, wie z. B. Gas, Öl oder Holz Pellets befeuert wird. der Wärmeträger tritt in die Erhitzerrohre 23 des Wärmetauschers 13 ein und durchströmt diese von oben nach unten. Am unteren Ende des Wärmetausches tritt der Wärmeträger am Auslassrohr 36 aus. Im Wärmetauscher 13 wird die Wärme des Wärmeträgers auf ein Dampfmedium 18 übertragen, das sich in den Verdampfungskammern 25 befindet. Das Dampfmedium wird vom Mediumspeicher 19 dem Wärmespeicher 13 mittels der Pumpe 40 zugeführt. Das sich im Wärmetauscher 13 erwärmende Dampfmedium 18 steigt nach oben, gelangt in die Dampfkammer 42 des Wärmetauschers 13 und tritt von dort durch die Dampfmediumauslassöffnungen 43 aus dem Wärmetauscher 13 aus und in den Einlasskanal 50 der Kraftmaschine 2 ein. Vom Einlasskanal 50 tritt das unter Druck stehende Dampfmedium durch die Einlassöffnungen in die Düsenkammern 53 ein. Da sich der Strömungskanal in der Düsenkammer 53 in Richtung zur Düse 60 verjüngt wird der Dampf beschleunigt und tritt aus der Düse 60 in den Arbeitsraum 82 ein.
  • Der Arbeitsraum wird durch die innere Begrenzungsfläche 62, einer äußeren Begrenzungsfläche, die durch die Innenfläche der Isolierung 71 dargestellt wird, den Ringvorsätzen 68, 69, dem Düsenabschnitt 55 und einem der ausgestellten Flügel 73 begrenzt. Hierdurch ist der Arbeitsraum – abgesehen von den eventuell vorhandenen Spalten – geschlossen.
  • Beim Passieren des Düsenabschnittes 55 befinden sich die Flügel 73 ab einer Nenndrehzahl aufgrund der Fliehkraft in den jeweiligen Aussparungen 72. Nach dem Passieren des Düsenabschnittes 55 wird tritt ein Teil des von der Düse 60 ausströmenden Dampfes in die Tasche 89 und schwenkt den Flügel 73 aus seiner Ruhestellung in die Arbeitsstellung, so dass der Arbeitsraum geschlossen ist.
  • Aufgrund des durch den Dampf erzeugten Druckes im Arbeitsraum wird der Flügel mit einer Kraft in Drehrichtung beaufschlagt, die den Rotor 16 in Drehrichtung 45 antreibt. Bei der vorliegenden Kraftmaschine werden die Prinzipien einer Verdrängungsmaschine, insbesondere einer Kolbenmaschine, bei welcher ein Kolben in einer geschlossenen Kammer mit Druck beaufschlagt wird, und von einer Turbine, bei der die sich zueinander bewegenden Teile ohne aneinander reibende Komponenten angeordnet sind, vereinigt. Deshalb kann diese Kraftmaschine auch als Druckturbine bezeichnet werden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Kraftmaschine wird der Rotor kontinuierlich in Drehrichtung 45 bewegt, was wiederum den Prinzipien einer Turbine entspricht. Passiert ein Flügel 73 den Düsenabschnitt 55, so ist er im Normalbetrieb aufgrund der Fliehkraft in die entsprechende Aussparung 72 des Rotors 16 eingeschwenkt. Die Aussparung erstreckt sich in Drehrichtung ein Stück über den Flügel 73 nach hinten, so dass der durch die Düse 60 ausgeströmte Dampf in die Aussparung 72 hinter dem langen Schenkelabschnitt 67 gelangt und den Flügel von seiner Ruhestellung in seine Arbeitsstellung ausschwenkt. Die Schwenkbewegung ist durch den Anschlag 80 begrenzt, bei dessen Erreichen der Flügel seine Arbeitsstellung einnimmt. In der Arbeitsstellung befindet sich die freie Endkante 81 angrenzend zur inneren Begrenzungsfläche 62. Vorzugsweise ist zwischen der freien Endkante 81 und der Begrenzungsfläche 62 ein kleiner Spalt ausgebildet. Es kann jedoch auch eine Dichtung oder ein Dichtmittel, insbesondere eine Flüssigkeit als Dichtmittel vorgesehen sein.
  • Wenn eine Dichtung vorgesehen ist, dann ist sie derart ausgebildet, dass keine nennenswerten Kräfte vom jeweiligen Flügel 73 auf die innere Begrenzungsfläche 62 ausgeübt werden und die Dichtung lediglich mit geringem Druck an der Begrenzungsfläche 62 entlang gleitet. Hierdurch wird sichergestellt, dass die auf den Flügel ausgeübte Kraft hauptsächlich auf den Rotor 16 übertragen wird. Die Dichtung ist mechanisch vom Flügel entkoppelt. Dies kann beispielsweise durch eine elastische Dichtung oder eine Flüssigkeitsdichtung realisiert werden. Durch die mechanische Entkopplung wird sichergestellt, dass der Flügel den auf ihn ausgeübten Druck hauptsächlich in den Rotor ableitet.
  • Der in seiner Arbeitsstellung befindliche Flügel 73 wird entlang der gesamten inneren Begrenzungsfläche 62 bewegt, wobei hier der Arbeitsraum zunehmend expandiert. Erreicht der Flügel das Ende der Begrenzungsfläche 62, ist der Arbeitshub abgeschlossen.
  • In der Arbeitsstellung wird durch den im Arbeitsraum bestehenden Druck eine Kraft auf den schwenkbaren Flügel 73 ausgeübt, die mittels des Stiftes 78 und des Anschlages 80 auf den Rotor 16 übertragen wird und diesen in Drehrichtung 45 antreibt.
  • Gelangt der Flügel 73 in Drehrichtung 45 über die innere Begrenzungsfläche 62 hinaus, so kann der Dampf nach innen entweichen, da der Arbeitsraum nicht mehr geschlossen ist. Dadurch baut sich der Druck ab, der am Flügel 73 anliegt, wodurch dieser aufgrund der Zentrifugalkraft wieder in die Aussparung 72 einschwenkt. Bei der weiteren Drehbewegung des Rotors 16 passiert der Flügel den nächsten Düsenabschnitt 55 mit seiner Düsenaußenfläche 56 ohne hiermit in Berührung zu kommen. Die Düsenaußenfläche 56 besitzt eine gewisse Erstreckung in Drehrichtung, so dass sie sich über diesen Bereich an die Innenfläche des Rotors mit geringem Spalt anschmiegt und eine gute Abdichtung des Arbeitsraumes bewerkstelligt.
  • Beim Anlaufen der Kraftmaschine 2 mit geringen Drehzahlen des Rotors herrscht keine ausreichende Fliehkraft, um die Flügel in die entsprechenden Aussparungen einzuschwenken. Sie werden deshalb bei der Annäherung des Düsenabschnittes 55 von den Führungskanten 66 der Führungsbleche 65 in ihre Ruhestellung in den Aussparungen 72 entgegen der Federwirkung, mit welcher die Flügel in ihre Arbeitsstellung gedrückt werden, geschwenkt.
  • Die Düsenaußenfläche 56 ist in Umfangsrichtung länger als die Tasche 89 ausgebildet. Hierdurch wird sichergestellt, dass wenn sich eine der Taschen 89 neben einem der Düsenabschnitte 55 befindet sie vollständig von der Düsenaußenfläche 56 abgedeckt wird. Beim Anlaufen der Kraftmaschine kann es sein, dass die Tasche neben dem Düsenabschnitt angeordnet ist und sich der entsprechende Flügel 73 noch in der Aussparung befindet. Würde die Düsenaußenfläche die Tasche 89 nicht vollständig abdecken, dann könnte es sein, dass der Dampf entgegen zur Drehrichtung 45 durch die Tasche 89 zwischen dem Düsenabschnitt 55 und der Isolierung entweichet, wodurch sich kein Druck im Arbeitsraum aufbauen und die Kraftmaschine nicht anfahren könnte.
  • Der über die innere Begrenzungsfläche 62 hinweg strömende Dampf tritt nach innen durch die Auslassöffnungen 64 in den Auslasskanal 51 und von dort über die Dampfmediumeinlassöffnung 44 aus der Kraftmaschine 2 aus und in den Wärmetauscher 13 ein. Die Führungsbleche 65 sind mit Abstand zur Innenwandung 48 angeordnet, so dass hier keine Toträume entstehen und Dampf unter den Führungsblechen 65 hindurch zu der Auslassöffnung strömen kann.
  • Im Wärmetauscher 13 befindet sich der von der Kraftmaschine abgeführte Dampf in der Regeneratorkammer 27. In der Regeneratorkammer 27 strömt der Dampf nach unten und gibt seine verbleibende Wärmeenergie an die Verdampfungskammer 25 ab. Er tritt am unteren Ende des Wärmetauschers 13 an Dampfmediumsabführöffnungen 88 aus dem Wärmetauscher 13 aus und in den unteren Gehäusebereich 10 der KWK-Vorrichtung 1 ein. Hier befindet sich der Kondensator 17, an dem das Dampfmedium Restwärme abgeben kann, bis es kondensiert und sich im Mediumspeicher 19 sammelt. Die im Kondensator aufgenommene Wärme kann über einen Külkreislauf, der an die Zuleitung 86 und Ableitung 87 angeschlossen ist, abgegeben werden. Der Kühlkreislauf kann zum Heizen, bspw. einer Bodenheizung eines Gebäudes, verwendet werden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Kraftmaschine 2 kann in einer kontinuierlichen Drehbewegung sehr effizient der Druck im Dampf in Bewegung umgesetzt werden, da zum einen minimale Reibungsverluste entstehen und zum anderen in einem quasi abgeschlossenen Arbeitsraum die Flügel mit Druck beaufschlagt werden. Die kontinuierliche Drehbewegung erlaubt zudem eine einfache, widerstandsarme Ausgestaltung der Kraftmaschine.
  • Die Kraftmaschine ist besonders vorteilhaft in einer KWK-Vorrichtung, wobei die Kraftmaschine 2 mit einem Generator 14 zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist. Zudem kann die Abwärme der Kraftmaschine effizient zur Speisung eines Kühlkreislaufes (Kondensator) genutzt werden. Vorzugsweise ist das Gehäuse 3 der KWK-Vorrichtung vollständig isoliert, da hierdurch die gesamten Wärmeverluste durch Abwärme am Generator, Reibung und nicht genutzter Wärmeenergie in der Kraftmaschine in der KWK-Vorrichtung verbleiben und am Kondensator zur Speisung des Kühlkreislaufes kontrolliert abgeführt werden kann.
  • Das Gehäuse 3 ist vorzugsweise druckdicht ausgebildet, so dass die darin enthaltenen Elemente gasdicht von der Außenwelt abgekapselt sind. Somit kann das Gehäuse mit einem Medium zum Übertragen von Wärme gefüllt sein, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Dampfmedium ist, das seine Wärme an den Kondensator abgibt.
  • Weiterhin ist vorteilhaft an der erfindungsgemäßen KWK-Vorrichtung, dass die Kraftmaschine unmittelbar auf dem Wärmetauscher angeordnet ist, so dass keine langen Übertragungswege zum Übertragen des Dampfes zwischen dem Wärmetauscher und der Kraftmaschine notwendig sind. Dies macht zudem die gesamte KWK-Vorrichtung sehr kompakt.
  • Die Erfindung ist oben anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert worden. Im Rahmen der Erfindung sind diverse Abwandlungen und alternative Ausgestaltungen möglich.
  • So ist es grundsätzlich möglich, den Rotor innen und den Stator außen vorzusehen. Zum Beispiel kann beim oben erläuterten Ausführungsbeispiel der Stator mit dem Düsenabschnitt drehbar als Rotor ausgebildet sein und der bisherige Rotor feststehend angeordnet sein. Bei einem innen angeordneten Rotor können die Flügel auch als Schieber ausgebildet sein, die durch Fliehkraft ausgestellt werden, bis sie an einem Anschlag anschlagen. Schwenkflügel sind jedoch aufgrund geringer Reibung gegenüber Schieberflügeln bevorzugt.
  • Es ist auch möglich, die Flügel am außen oder innen liegenden Stator anzuordnen, wobei sie dann jedoch nicht durch Fliehkraft betätigbar sind, sondern von einem elastischen Element, insbesondere einem Federelement, zu beaufschlagen sind, wobei sie mit einer Gleitkante oder einem Gleitlager entlang einer Steuerfläche geführt werden, wodurch der Flügel zwischen seiner Ruhestellung und seiner Arbeitsstellung hin und her bewegt wird. Die oben beschriebene Ausgestaltung der Flügel ist jedoch bevorzugt, da eine derartige Steuerung mittels einer Führungsfläche zusätzliche Reibung verursacht.
  • Bei der Erfindung sind die Flügel in der Arbeitsstellung vorzugsweise mit einem kleinen Spalt bezüglich der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche des Arbeitsraums angeordnet, so dass keinerlei Reibung auftritt. Gleiches gilt auch für den Düsenabschnitt und der ihm gegenüberliegenden Fläche. Im Rahmen der Erfindung können diese Spalte jedoch abgedichtet werden. Dies ist insbesondere mittels einer Flüssigkeitsdichtung möglich, die zum Beispiel Glycerin umfasst. Das Glycerin wird der Kraftmaschine einmal zugegeben und dichtet dauerhaft die Spalte zwischen den Flügeln und den an den Flügeln angrenzenden Flächen ab. Aufgrund der Zentrifugalkräfte gelangt die Flüssigkeit nicht durch die Auslassöffnungen in den Wärmetauscher. Die Flüssigkeit besitzt einen höheren Siedepunkt als das Dampfmedium, so dass sie nicht verdampft und ein dünner Flüssigkeitsfilm die Spalte im Arbeitsraum abdichtet.
  • Die Spalte, insbesondere zwischen den Flügeln und der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche, können auch mittels Kunststoffdichtungen, Metalldichtungen (z. B. Federblech) abgedichtet werden, solange sichergestellt ist, dass diese Dichtungen keine hohe Reibung verursachen.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die Flügel am Stator anzuordnen. Dann sind die Düsen am Rotor anzuordnen, so dass im Betrieb immer die Flügel und die Düsen relativ zueinander bewegt werden.
  • Vorzugsweise ist der Arbeitsraum durch eine innere Begrenzungsfläche und eine äußere Begrenzungsfläche (im obigen Ausführungsbeispiel: Innenfläche der Isolierung) begrenzt, die im wesentlichen parallel zueinander ausgebildet sind, so dass der Arbeitsraum über seine gesamte Längserstreckung im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche aufweist.
  • Im Rahmen der Erfindung können die Düsen auch an anderer Stelle, insbesondere an Wandungen, die den Arbeitsraum seitlich begrenzen, angeordnet werden. Die im oben dargelegten Ausführungsbeispiel gezeigte Anordnung am in Drehrichtung rückwertigen Ende des Arbeitsraumes ist jedoch bevorzugt, da sie einen maximalen Arbeitsweg der Flügel unter Druck ermöglicht.
  • Es ist auch möglich, die Kraftmaschine mit einem einzigen Arbeitsraum auszubilden. Bei Verwendung von zwei diametral gegenüberliegenden Flügel sollte sich der Arbeitsraum über einen Winkelbereich von mehr als 180° erstrecken.
  • Weiterhin ist die Kraftmaschine und/oder die KWK-Vorrichtung mit einer Steuereinrichtung versehen, die die Flüsse, insbesondere des Wärmeträgers und/oder des Dampfmediums, steuert. Durch die Menge des zugeführten Wärmeträgers kann die mechanische Leistung der Kraftmaschine gesteuert werden. Diese KWK-Vorrichtung zeichnet sich andererseits dadurch aus, dass im Strömungsweg des Dampfes keine Ventile, Drosseln und lange Übertragungsleitungen angeordnet sind, was die Kraftmaschine sehr robust und zuverlässig macht. Durch die unmittelbare Anordnung der Kraftmaschine auf dem Wärmeträger entfallen lange Übertragungswege und es sind keine Regelorgane notwendig.
  • Bei einer weiteren Abwandlung kann der Generator mit einer Zuleitung für flüssiges Dampfmedium versehen sein, mit dem der Generator gekühlt wird. Das Dampfmedium wird im Generator verdampft und das gasförmige Dampfmedium nach unten in der KWK-Vorrichtung durch Öffnungen 90 im Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13 in die Regeneratorkammer 27 geführt.
  • Bei einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann der Innenraum des Gehäuses der KWK-Vorrichtung mit Stickstoff gefüllt sein, der im Kreislauf umgewälzt wird und sich am Regenerator und/oder am Kondensator abkühlt und zur Kühlung des Generators und/oder der Kraftmaschine dient.
  • Die Erfindung kann folgendermaßen kurz zusammegefasst werden: Die Erfindung betrifft eine Kraftmaschine und eine KWK-Vorrichtung mit einer solchen Kraftmaschine.
  • Die erfindungsgemäße Kraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass ein Arbeitsraum durch einen ausstellbar gelagerten Flügel begrenzt wird, der mittels eines Anschlages mit minimalem Abstand zu einer gegenüberliegenden Begrenzungsfläche justiert ist, so dass der Flügel von einem in einem Arbeitsraum befindlichen Medium verdrängt wird, um einen Rotor zu bewegen, wobei keine Reibung zwischen dem Flügel und der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche auftritt.
  • Die KWK-Vorrichtung (Kraft-Wärmekopplungs-Vorrichtung) zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Gehäuse eine mit Dampf betriebene Kraftmaschine, ein Generator und ein Wärmetausche angeordnet sind. Durch das Gehäuse sind diese Elemente gegenüber der Umwelt sowohl thermisch als auch druckdicht abgekapselt.
  • 1
    KWK-Vorrichtung
    2
    Kraftmaschine
    3
    Gehäuse
    4
    kreisförmige Deckenwandung
    5
    kreisförmige Bodenwandung
    6
    zylindrische Seitenwandung
    7
    oberer Gehäusebereich
    8
    mittlerer Gehäusebereich
    9
    erste Zwischenwandung
    10
    unterer Gehäusebereich
    11
    zweite Zwischenwandung
    12
    Längsachse
    13
    Wärmetauscher
    14
    Generator
    15
    Stator
    16
    Rotor
    17
    Kondensator
    18
    Dampfmedium
    19
    Mediumsspeicher
    20
    Einlassrohr
    21
    Wärmeträger
    22
    Erhitzerrohrregister
    23
    Erhitzerrohr
    24
    Regeneratorrohr
    25
    Verdampfungskammer
    26
    rohrförmiges Gehäuse
    27
    Regeneratorkammer
    28
    untere Erhitzerlochplatte
    29
    obere Erhitzerlochplatte
    30
    untere Regeneratorlochplatte
    31
    obere Regeneratorlochplatte
    32
    Rohrsegmente
    33
    Zwischenlochplatte
    34
    untere Beschickungskammer
    35
    obere Beschickungskammer
    36
    Auslassrohr
    37
    Dampfmediumzuführöffnung
    38
    Zuführkanal
    39
    Zuführleitung
    40
    Pumpe
    41
    Segment
    42
    Dampfkammer
    43
    Dampfmediumauslassöffnung
    44
    Dampfmediumeinlassöffnung
    45
    Drehrichtung
    46
    obere Begrenzungswandung
    47
    untere Begrenzungswandung
    48
    Innenwandung
    49
    Ringsteg
    50
    Einlasskanal
    51
    Auslasskanal
    52
    Einlassöffnung
    53
    Düsenkammer
    54
    Leitbleche
    55
    Düsenabschnitt
    56
    Düsenaußenfläche
    57
    rückwärtige konkave Düsenflächen
    58
    vordere konvexe Düsenflächen
    59
    Seitenwandung
    60
    Düse
    61
    Formkörper
    62
    innere Begrenzungsfläche
    63
    Stirnfläche
    64
    Auslassöffnung
    65
    Führungsbleche
    66
    Führungskante
    67
    freie Kante
    68
    Rotorkörper
    69
    unterer Ringvorsatz
    70
    oberer Ringvorsatz
    71
    Isolierung
    72
    Aussparungen
    73
    Flügel
    74
    Basisabschnitt
    75
    kurzer Schenkelabschnitt
    76
    langer Schenkelabschnitt
    77
    Durchgangsbohrung
    78
    Stift
    79
    Anschlagsfläche
    80
    Anschlag
    81
    freie Endkante
    82
    Arbeitsraum
    83
    Deckenwandung
    84
    Welle
    85
    Lager
    86
    Zuleitung
    87
    Ableitung
    88
    Dampfmediumabführöffnung
    89
    Tasche
    90
    Öffnung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 21. Auflage, K. -H. Grote et al., Springer Verlag, ISBN 3-540-22142-5, Kapitel P, insbesondere Seite P2 [0012]

Claims (33)

  1. Kraftmaschine mit einem ortsfesten Stator (16) und einem drehbar gelagerten Rotor (17), mit wenigstens einem Arbeitsraum (82), der zwischen dem Stator (16) und dem Rotor (17) mit einer inneren und äußeren Begrenzungsfläche ausgebildet ist und mit einem eingangsseitigen Einlaß (52) zum Zuführen von Strömungsmittel in den Arbeitsraum (82) versehen ist, und wenigstens einem an einer der Begrenzungsflächen ausstellbar gelagerten Flügel (73) zur Begrenzung des Arbeitsraumes (82) am Einlaß gegenüberliegenden Ende des Arbeitsraumes, wobei der Flügel (73) mit einer freien Endkante (81) in Richtung zur gegenüberliegenden Begrenzungsfläche ausstellbar ist und ein Anschlag (80) derart vorgesehen ist, dass er in seiner ausgestellten Arbeitstellung durch den Anschlag (80) mit seiner freien Endkante (81) exakt auf diese gegenüberliegende Begrenzungsfläche justiert ist.
  2. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (73) in seiner ausgestellten Arbeitsstellung mit seiner freien Endkante (81) parallel zur gegenüberliegenden Begrenzungsfläche bewegt wird.
  3. Kraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und äußere Begrenzungsfläche des Arbeitraumes (82) mit konstantem Abstand ausgebildet sind.
  4. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die dem Flügel (73) gegenüberliegende Begrenzungsfläche ein Kreissegment mit einem Mittelpunkt ausbildet, der sich mit dem Mittelpunkt der Drehung des Rotors (16) deckt.
  5. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaß am Arbeitsraum (82) am jeweiligen Flügel gegenüberliegenden Ende angeordnet ist.
  6. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass zumindest eine Düse (60) aufweist.
  7. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsmittel im Arbeitsraum (82) den wenigstens einen Flügel (73) aus einer Ruhestellung in eine Arbeitsstellung aufstellt und den Rotor (16) in eine Drehbewegung versetzt.
  8. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (16) als Außenläufer ausgebildet ist und der Flügel (73) an der Innenumfangsoberfläche des Rotors (16) nach innen verschwenkbar angeordnet ist.
  9. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (73) mittels eines Federelementes derart an der Innenumfangsoberfläche des Rotors (16) beaufschlagt ist, dass er durch Federvorspannung nach innen in die Arbeitsstellung vorgespannt ist und durch die Fliehkraft ab einer Nenndrehzahl nach außen in eine Ruhestellung druckbar ist.
  10. Kraftmaschine nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ruhestellung der Flügel (73) im Wesentlichen der Kontur der Innenumfangsoberfläche des Rotors (16) angepasst ist.
  11. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet dass in der Ruhestellung der Flügel in einer jeweiligen Ausnehmung der Innenumfangsoberfläche des Rotors versenkbar ist.
  12. Kraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung eine in Richtung des einströmenden Strömungsmittels vorgelagerte Tasche (89) aufweist, in weicher das in den Arbeitsraum einströmende Strömungsmittel angreifen kann, um den Flügel aus der Ruhestellung aufzustellen.
  13. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet dass in der Arbeitsstellung der Flügel nach innen ragend derart aufgestellt ist, dass er den Arbeitsraum bis auf einen geringen Spalt zwischen Stator und Flügel abschließt.
  14. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet dass die Arbeitsstellung des Flügels durch einen Anschlag am Rotor definiert ist.
  15. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet dass der Arbeitsraum im Wesentlichen die Form eines Ringabschnitts aufweist.
  16. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel im Querschnitt im Wesentlichen die Form eines stumpfwinkligen Dreiecks mit einer Basis und einer zu der Basis gegenüberliegenden Spitze besitzt.
  17. Kraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel einen Basisabschnitt sowie einen kurzen und einen langen Schenkelabschnitt aufweist, wobei der Flügel im Bereich der Spitze gelagert ist.
  18. Kraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt in der Ruhestellung des wenigstens einen Flügels konform zu der Innenseitenoberfläche des Rotors ist, wobei der Basisabschnitt in Arbeitsstellung auf der zu der Richtung des einströmenden Strömungsmittels abgewandten Seite angeordnet ist, wobei der lange Schenkelabschnitt in Arbeitsstellung auf der zu der Richtung des einströmenden Strömungsmittels zugewandten Seite angeordnet ist, und wobei in Arbeitsstellung der kurze Schenkelabschnitt an einer Anschlagsfläche der Innenumfangsoberfläche des Rotors anliegt, um die Arbeitsstellung des Flügels zu fixieren.
  19. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet dass der Rotor eine ungerade Anzahl von Flügeln, insbesondere drei bis fünfzehn Flügel, aufweist.
  20. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet dass die Kraftmaschine mehrere Arbeitsräume, insbesondere zwei Arbeitsräume und fünf Flügel, aufweist.
  21. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsräume und die Flügel jeweils äquidistant zueinander beabstandet sind.
  22. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet dass der Winkelbereich, über den sich jeweils die den Flügeln (73) gegenüberliegenden Begrenzungsflächen erstrecken, größer als der Winkelabstand benachbarter Flügel ist, so dass kontinuierlich wenigstens einer der Flügel in einem Arbeitsraum in Arbeitsstellung ist.
  23. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet dass das Strömungsmittel ein Dampf ist.
  24. KWK-Vorrichtung, umfassend – eine dampfbetriebene Kraftmaschine (2), – einen Wärmetauscher (13) zum Verdampfen eines Strömungsmittels, um die Kraftmaschine (2) anzutreiben, – einen von der Kraftmaschine (2) angetriebenen Generator (14), und – ein Gehäuse (3), in dem sich die Kraftmaschine, der Wärmetauscher und der Generator befindet.
  25. KWK-Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmaschine (2) unmittelbar auf dem Wärmetauscher (13) angeordnet ist.
  26. KWK-Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (13) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und die Kraftmaschine (2) den Wärmetauscher (13) ringförmig umschließt.
  27. KWK-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (3) ein Kondensator (17) zum Kondensieren des Strömungsmittels angeordnet ist, wobei vom Kondensator (17) ein Kühlkreislauf nach außerhalb des Gehäuses (3) geführt ist.
  28. KWK-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kreislauf zum Umwälzen des Strömungsmittels durch den Wärmetauscher, durch die Kraftmaschine und zum Kondensator ausgebildet ist, wobei dieser Kreislauf fast ausschließlich innerhalb des Gehäuses (3) angeordnet ist.
  29. KWK-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) thermisch isoliert ist.
  30. KWK-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (13) zumindest ein Erhitzerrohr (23) zum Durchführen eines Wärmeträgers, eine an das Erhitzerrohr angrenzende Verdampfungskammer (25) zum Verdampfen eines Strömungsmittels und eine an die Verdampfungskammer (25) angrenzende Regeneratorkammer (27) zum Regenerieren von aus der Kraftmaschine austretendem Strömungsmittel.
  31. KWK-Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (13) ein Erhitzerrohrregister (22) mit mehreren Erhitzerrohren (23) aufweist, wobei ein jedes Erhitzerrohr (23) von einem Regeneratorrohr (24) umgeben ist, wobei zwischen einem jeden Paar aus Erhitzerrohr (23) und Regeneratorrohr (24) eine Regeneratorkammer (27) ausgebildet ist, und der Wärmetauscher (13) ein Gehäuse (26) aufweist, wobei zwischen dem Gehäuse (26) und den Regeneratorrohren (24) die Regeneratorkammer (27) begrenzt ist.
  32. KWK Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 31, dadurch gekennzeichnet. dass im Wärmetauscher (13) eine Regeneratorkammer (27) zum Regenerieren des aus der Kraftmaschine (2) austretenden Dampfes ausgebildet ist.
  33. KWK-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmaschine nach einem der Anspruch 1 bis 23 ausgebildet ist.
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