DE102008010370A1 - Wärmekraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit zumindest einem Arbeitszylinder, der einen Arbeitsraum aufweist und mit einem Speicher für mechanische Energie verbunden ist. Dabei ist erfindungsgemäß der Arbeitsraum mit einer Arbeitsflüssigkeit mit niedriger Verdampfungsenthalpie geladen. Diese wird durch Erwärmung bzw. Abkühlung im Arbeitsraum verdampft bzw. kondensiert, und die dabei auftretende Bewegungsenergie dem Energiespeicher zugeführt. Besonders durch Einsatz einer Arbeitsflüssigkeit mit niedriger Verdampfungsenthalpie kann im Vergleich zu einem Heißgas-Motor bei gleichem Volumen d Leistung und damit des Wirkungsgrades erzielt werden. Bei einer vorteilhaften Weiterführung der Erfindung ist ein von einer Wärmeleitflüssigkeit durchströmter Hohlraum vorhanden. Zur Zu- bzw. Abführung der Wärmeleitflüssigkeit in den bzw. aus dem Hohlraum sind weiterhin zwei umschaltbare Dreiwegeventile derart angeordnet, dass abwechselnd ein geschlossener Kreislauf der Wärmeleitflüssigkeit durch den Hohlraum und eine Wärmestrecke bzw. den Hohlraum und eine Kältestrecke einschaltbar ist. Diese Ausführung hat den besonderen Vorteil, dass die von der Wärmekraftmaschine erzeugte Leistung durch Vorgabe eines entsprechenden Ansteuertaktes der Dreiwegeventile einstellbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit zumindest einem Arbeitszylinder, der einen Arbeitsraum aufweist und mit einem Speicher und/oder Verbraucher für mechanische Energie verbunden ist.
  • Wärmekraftmaschinen dieser Art sind seit langem in unterschiedlichsten Bauformen bekannt. Dabei wird die zur Erzeugung von mechanischer Energie eingesetzte Wärmeenergie vielfach durch die Verbrennung von Ausgangsstoffen, d. h. einer Art von Treibstoff, bereitgestellt, z. B. von Öl, Gas, Kohle, Müll, Holz, Biomassen u. s. w. Bei diesen Verbrennungsprozessen treten in der Regel hohe Temperaturen auch bei den zum Betrieb der jeweiligen Wärmekraftmaschine benötigten Arbeitsmedien, z. B. Dampf, auf. Dies ist bekanntlich aufwendig und mit relativ hohen Verlusten behaftet.
  • Neben diesen häufig in der Industrie und Prozesstechnik eingesetzten Anwendungen besteht auch ein Bedarf an Wärmekraftmaschinen, welche selbst bei niedrigen Temperaturunterschieden noch wirtschaftlich betrieben werden können. Bei Wärmekraftmaschinen dieser Art kann dann u. U. auf einen separaten, vorgelagerten Verbrennungsprozess zur Bereitstellung der notwendigen Wärmeenergie verzichtet werden. Vielmehr können derartige Wärmekraftmaschinen u. U. mit Abwärme betrieben werden, welche z. B. beim Betrieb von industriellen Prozessen, bei der Klimatisierung von Gebäuden, in Verkehrsmitteln anfällt und häufig nicht genutzt wird.
  • Als ein Beispiel für eine Wärmekraftmaschine, bei der keine Verbrennung eines Treibstoffes zur Erzeugung der eingesetzten Wärmeenergie erforderlich ist, sei beispielhaft der bekannte Stirlingmotor genannt. Hierbei kann jede Wärmequelle zum Betrieb genutzt werden, z. B. auch Solarenergie oder Erdwärme. Das Prinzip des Stirlingmotors, auch Heißgas-Motor genannt, besteht darin, dass in der Art eines geschlossenen Kreisprozesses zyklisch ein Arbeitsgas in einem heißen Bereich expandiert und in einem kalten Bereich komprimiert wird. Die dabei auftretende Arbeit wird auf einen Kolben übertragen und kann als mechanische Arbeit genutzt werden, z. B. zum Betrieb eines Generators zur Erzeugung von elektrischer Energie.
  • Ein wesentlicher Nachteil des Stirling Motors wird in der nur geringen erzielbaren Leistung bei großem Volumen und hohem Eigengewicht gesehen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Wärmekraftmaschine anzugeben, welche ebenfalls nach dem Prinzip eines geschlossenen Kreisprozesses arbeitet und ohne einen Verbrennungsprozess vorhandene Wärme, wie z. B. Abwärme aller Art, nutzen kann, dabei aber im Vergleich zum Stirlingmotor einen höheren Wert an Leistung pro Volumen bzw. Gewicht aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit der in Anspruch 1 angegebenen Wärmekraftmaschine gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Wärmekraftmaschine sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine ist der Arbeitsraum mit einer Arbeitsflüssigkeit mit niedriger Verdampfungsenthalpie geladen. Diese wird durch eine insbesondere zyklische Erwärmung bzw. Abkühlung im Ar beitsraum verdampft bzw. kondensiert, und die dabei am Arbeitszylinder auftretende Bewegungsenergie dem mechanischen Energiespeicher zugeführt.
  • Besonders durch den Einsatz einer Arbeitsflüssigkeit mit niedriger Verdampfungsenthalpie kann im Vergleich zu Heißgas-Motoren, wie z. B. dem Stirlingmotor, bei gleichem Volumen des Arbeitszylinders eine erhebliche Steigerung der Leistung und damit des Wirkungsgrades erzielt werden. Dies ist einerseits darauf zurückzuführen, dass eine Flüssigkeit als Arbeitsmedium – gegenüber einem Gas – über eine erheblich bessere Wärmeleitfähigkeit verfügt. Zudem wird erfindungsgemäß eine Flüssigkeit mit einer niedrigen Verdampfungsenthalpie verwendet, so dass diese beim Erhitzen im Arbeitszylinder verdampft. Es tritt dabei im Vergleich zu einem Gas ein wesentlich höherer Druck bei gleicher Temperaturdifferenz auf, welcher insbesondere über ein Kolbensystem im Arbeitszylinder wiederum besser in mechanische Energie umgesetzt werden kann.
  • Vorteilhaft ist weiterhin im Arbeitsraum gerade so viel Arbeitsflüssigkeit vorhanden, dass diese mit Hilfe der in einer Phase der Erwärmung während eines ersten Arbeitstaktes der Wärmekraftmaschine zuführbaren Wärme möglichst vollständig im Arbeitsraum verdampft wird. Auf diese Weise geht keine bzw. nur sehr wenig von der in dieser Phase eingebrachten Wärmeenergie dadurch verloren, dass diese lediglich eine einfache Temperaturerhöhung der Arbeitsflüssigkeit hervorruft. Stattdessen kann die eingebrachte Wärmeenergie möglichst zur vollständigen Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit und damit zur Erzeugung eines Überdruckes im Arbeitsraum genutzt werden, welcher wiederum in mechanischer Energie umgesetzt werden kann.
  • Entsprechend kommt eine genaue Abstimmung der Menge der Arbeitsflüssigkeit im Arbeitsraum und der im Einzelfall praktisch zu- bzw. abführbaren Wärmemenge dem Betrieb der Wärmekraftmaschine natürlich auch in einer Phase der Abkühlung während eines zweiten Arbeitstaktes der Wärmekraftmaschine zu Gute. Kann auch in diesem Zustand dem System gerade die zur möglichst vollständigen Kondensation der dampfförmigen Arbeitsflüssigkeit erforderliche Wärme entzogen werden, so trägt auch dies zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei.
  • Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der Arbeitszylinder so angeordnet, dass sich die Arbeitsflüssigkeit im kondensierten Zustand in einem Boden des Arbeitsraumes sammelt.
  • Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Arbeitsflüssigkeit während eines Bewegungsablaufes des Arbeitszylinders nicht umgewälzt wird. Vielmehr ist ein in der flüssigen Phase befindlicher Anteil der Arbeitsflüssigkeit von beweglichen Teilen des Arbeitszylinders, z. B. von einem Kolben, ständig durch einen in der gasförmigen Phase befindlichen Anteil der Arbeitsflüssigkeit getrennt. Bewegliche Teile des Arbeitszylinders können somit weitgehend unbeeinträchtigt von verflüssigten Anteilen der Arbeitsflüssigkeit reibungsarm angetrieben werden, z. B. in einem Zylinder hin- und herlaufen. Diese Wirkung tritt besonders dann ein, wenn der Arbeitszylinder vertikal so angeordnet ist, dass sich dessen Boden im unteren Bereich der Maschine befindet. Die Arbeitsflüssigkeit sammelt sich dann auf Grund der Gravitation von selbst an diesem tiefsten Punkt. Eine derartige Anordnung wird am Beispiel der 1 und 2 nachfolgend noch näher beschrieben.
  • Gemäß einer weiteren Ausfürungsform der Erfindung weist die Wärmekraftmaschine zumindest einen Hohlraum auf, insbesondere einen Behälter, der von einer Wärmeleitflüssigkeit so durchströmt wird, dass zur Erwärmung bzw. Abkühlung des Arbeitsraumes eine Wärmeleitung mit einer Wand und/oder einem Boden des Arbeitszylinders auftritt. Vorteilhaft besteht der Behälter aus einem Kunststoff. Eine solche Ausführung trägt zur Isolation der durchströmenden Wärmeleitflüssigkeit bei, und damit zur Reduktion von Wärmeverlusten während der Erwärmung bzw. Abkühlung. Weiterhin ist ein aus Kunststoff bestehender Behälter auf Grund seiner elastischen Eigenschaften robuster gegenüber Ausdehnungen, welche bei der Erwärmung bzw. Abkühlung auftreten.
  • Zur weiteren Verbesserung des leitenden Kontaktes mit der Wärmeleitflüssigkeit können die Wand und/oder der Boden des Arbeitszylinders im Bereich des Hohlraums eine vergrößerte Oberfläche aufweisen und vorteilhaft zusätzlich aus Kupfer bestehen.
  • Ein derartiger Hohlraum kann vorteilhaft in unterschiedlichen Formen ausgeführt werden. Einerseits können z. B. die Wand und/oder der Boden des Arbeitszylinders zweischalig ausgeführt sein, so dass der dadurch entstehende Zwischenraum zur Durchleitung der Wärmeleitflüssigkeit genutzt werden kann. Hiermit kann eine besondere effektive Ein- bzw. Ableitung von Wärmeenergie aus dem bzw. in den Arbeitsraum erzielt werden.
  • Andererseits kann der Hohlraum auch durch ein separates Bauteil z. B. in Form eines von der Wärmeleitflüssigkeit durchströmten Behälters ausgeführt werden. Ein derartiger, zum zyklischen Umtemperieren des Arbeitszylinders und der darin geladenen Arbeitsflüssigkeit dienender Behälter kann abhängig von der jeweiligen konstruktiven Ausführung an einer Stelle der Wärmekraftmaschine angebracht werden, an der ein besonders effektiver Wärmeübergang zum Arbeitsraum möglich ist. Bei einer besonders vorteilhaften, im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 dargestellten Ausführung ist der Behälter zentral unter dem Boden des Arbeitszylinders platziert. Eine solche Maßnahme trägt zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine bei. Dieser kann weiter dadurch verbessert werden, dass die Wand und/oder der Boden des Arbeitszylinders der Wärmekraftmaschine im Bereich des Hohlraums eine vergrößerte Oberfläche zur Verbesserung des Wärme leitenden Kontaktes mit der Wärmeleitflüssigkeit aufweist. Besonders vorteilhaft sind hierzu die jeweiligen Oberflächen in Form eines Wärmetauschers ausgeführt.
  • Ein solcher, abwechselnd von erwärmter bzw. abgekühlter Wärmeleitflüssigkeit durchströmter Hohlraum stellt z. B. im Vergleich zu einem herkömmlichen Stirlingmotor sowohl die warme als auch kalte Motorseite dar. Eine Wärmekraftmaschine, welche mit einem zentralen Hohlraum ausgestattet ist, weist somit eine sehr kompakte Bauform auf, und damit einen hohen Leistungswert pro Volumen.
  • Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen WLirmekraftmaschine zumindest jeweils eine von der Wärmeleitflüssigkeit durchströmte Wärmestrecke bzw. Kältestrecke vorhanden. Zur Zu- bzw. Abführung der Wärmeleitflüssigkeit in den bzw. aus dem Hohlraum ist weiterhin jeweils ein umschaltbares Dreiwegeventil derart angeordnet, dass abwechselnd ein geschlossener Kreislauf der Wärmeleitflüssigkeit durch den Hohlraum und die Wärmestrecke bzw. durch den Hohlraum und die Kältestrecke einschaltbar ist.
  • Diese Ausführung hat den besonderen Vorteil, dass die von der Wärmekraftmaschine erzeugte Leistung durch Vorgabe eines entsprechenden Ansteuertaktes der Dreiwegeventile einstellbar ist. Zudem kann z. B. im Falle eines befürchteten Schweranlaufes der Wärmekraftmaschine, etwa bei einer großen mechanischen Last, durch eine vorübergehende Verringerung des Ansteuertaktes eine allmähliche Drehzahlsteigerung vorgegeben werden.
  • Vorteilhaft ist ein Speicher für mechanische Energie als ein Speicher für kinetische Energie ausgeführt, insbesondere als ein vom Arbeitszylinder angetriebenes rotierendes Schwungrad. An diesem wiederum kann ein Verbraucher oder eine mechanische Last angekoppelt sein. Bei einer anderen Ausführung der Erfindung kann der Arbeitszylinder auch direkt mit einem Verbraucher für mechanische Energie verbunden sein, z. B. mit einem Lineargenerator. Hiermit können Energieverluste, insbesondere Reibungsverluste, die beim Übergang der Bewegungsenergie vom Arbeitszylinder in den Energiespeicher und von diesem auf einen Verbraucher auftreten, vermieden werden.
  • Als Arbeitsflüssigkeit für die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine kann bevorzugt eine unpolare Flüssigkeit eingesetzt werden. Besonders geeignet sind z. B. Flüssigkeiten mit einem möglichst geringen Siedepunkt, z. B. Aceton oder Schwefelkohlenstoff. Dies hat den Vorteil, dass nur wenig Energie benötigt wird, um diese von der flüssigen und die gasförmige Phase zu überführen. In der Heizphase kann somit zur Erwärmung des Arbeitszylinders der Wärmekraftmaschine problemlos Abwärme herangezogen werden.
  • Grundsätzlich kann als Arbeitsflüssigkeit bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine auch ein Flüssiggas eingesetzt werden, z. B. Kohlendioxid, Propan oder Lachgas. Stoffe dieser Art haben einen besonders niedrigen Wert an Verdampfungsenthalpie. Allerdings muss die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine bei einem Einsatz derartiger Stoffe auf Grund der dabei auftretenden hohen Drücke besonders robust ausgeführt werden.
  • Bei einer einfach realisierbaren, robusten Ausführung weist der mindestens eine Arbeitszylinder der erfindungsgemäßen Wrmekraftmaschine einen Kolben auf, der in einem Zylinder vorgeschoben bzw. zurückgezogen werden kann und mit dem Speicher für mechanische Energie verbunden ist. Dabei verdampft die Arbeitsflüssigkeit im Arbeitsraum zwischen Kolben und Zylinder in einer Phase der Erwärmung und der Kolben im Zylinder wird vorgeschoben. In einer Phase der Abkühlung kondensiert die Arbeitsflüssigkeit im Arbeitsraum wieder und der Kolben im Zylinder wird zurückgezogen. Die beim Vorschieben bzw. Zurückziehen des Kolbens auftretende Energie wird schließlich dem mechanischen Energiespeicher zugeführt.
  • In den Zeichnungen ist eine solche Ausführung einer gemäß der Erfindung gestalteten Wärmekraftmaschine beispielhaft dargestellt. Dabei zeigt:
  • 1 die Wärmekraftmaschine zu Beginn eines ersten Arbeitstaktes, in dem der Arbeitszylinder erwärmt und der Kolben im Zylinder vorschoben wird, und
  • 2 die Wärmekraftmaschine zu Beginn eines zweiten Arbeitstaktes, in dem der Arbeitszylinder wieder abgekühlt und der Kolben im Zylinder zurückgezogen wird.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in einem Zustand, in dem ein erster Arbeitstakt beginnt, welcher mit „Heizen" bzw. „Verdampfen" bezeichnet werden kann. Dabei befindet sich ein Kolben 20 eines Arbeitszylinders 2 der Wärmekraftmaschine annähernd im Bereich eines unteren Totpunkts.
  • Der Kolben 20 wird im Inneren eines Zylinders 21 geführt und weist Dichtungen gegenüber der Innenwand 211 des Zylinders 21 auf. Hierdurch wird zwischen dem Zylinderboden 213 und dem Kopf des Kolbens 20 ein gegenüber der Umgebung gasdichteter Arbeitsraum 22 gebildet. In diesem befindet sich erfindungsgemäß eine Arbeitsflüssigkeit 8 mit niedriger Verdampfungsenthalpie, z. B. Aceton. Dieses befindet sich in der Darstellung von 1 noch weitgehend in der flüssigen bzw. kondensierten Phase 81 und hat sich somit auf Grund der annähernd vertikalen Anordnung des Arbeitszylinders 2 am Boden 213 im Inneren des Zylinders 21 gesammelt. Das restliche Volumen des Arbeitsraumes 22 oberhalb dieses Flüssigkeitsstandes ist mit einer kleinen Teilmenge an Arbeitsflüssigkeit 2 gefüllt, welche sich in der gasförmigen bzw. verdampften Phase 82 befindet.
  • Der Kolben 20 im Beispiel der 1 weist eine Pleuelstange 20a auf, und ist über ein Drehlager 13 und eine Umlenkstange 14 mit dem äußeren Rand eines rotierenden Schwungrades 11 verbunden, welches als ein mechanischer Energiespeicher 1 dient. An der Welle 12 des Schwungrades 11 können weitere, in 1 nicht dargestellte Aggregate angeschlossen sein, z. B. ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie.
  • Wird nun der Zylinder 21 insbesondere im Bereich von seinem Boden 213 erwärmt, so verdampft die in der flüssigen Phase 81 befindliche Teilmenge der Arbeitsflüssigkeit 8. Über den dabei auftretenden Dampfdruck wird der Kolben 20 in Richtung des geradlinigen Pfeils nach oben gedrückt und das Schwungrad 1 um die Welle 12 in Richtung des gebogenen Pfeils gedreht. Im Ergebnis wird also die in den Zylinder 21 eingeleitete Wärmeenergie mittels der Verdampfung des Arbeitsmittels 8 und dem dabei durch Volumenausdehnung im Arbeitsraum 22 des Zylinders 21 entstehenden Druck in mechanische Arbeit umgewandelt.
  • Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Beispiel wird die Wärmeenergie mittels eines Behälters 3, welcher den Boden 213 und Teile der Wand 211 des Zylinders umfasst und von einer Wärmeleitflüssigkeit durchströmt wird, in den Arbeitsraum 22 eingebracht. Zur Verbesserung der Wärme austauschenden Wirkung sind in diesem Bereich die Oberflächen von Boden 213 und Wand 211 vorteilhaft mittels Rippen 214 vergrößert, während im oberen Bereich des Zylinders 21 auf der Außenseite der Wand 211 eine Wärmeisolation 212 angebracht ist.
  • Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführung für eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine sind weiterhin eine Kältestrecke 4 und eine Wärmestrecke 5 vorhanden. Die Kältestrecke 4 weist Mittel 41 zur Kühlung der Wärmeleitflüssigkeit, z. B. einen passiven Oberflächenkühler oder ein aktives Kühlaggregat, und einer ersten Umwälzpumpe 42 auf. Entsprechend weist die Wärmestrecke 5 Mittel 51 zur Erwärmung der Wärmeleitflüssigkeit, z. B. einen passiven Verlustwärmekollektor oder eine aktive Heizung, und eine zweite Umwälzpumpe 52 auf.
  • Besonders vorteilhaft sind sowohl die Kältestrecke 4 als auch die Wärmestrecke 5 beidseitig über ein erstes bzw. zweites Dreiwegeventil 6 bzw. 7 mit einer Zu- bzw. Abführung 31 bzw. 32 für Wärmeleitflüssigkeit in den bzw. aus dem Behälter 3 verbunden. Je nach Schaltstellung der beiden Dreiwegeventile 6 bzw. 7 kann dabei entweder ein geschlossener Kreislauf der Wärmeleitflüssigkeit durch den Hohlraum 3 und die Wärmestrecke 4 bzw. durch den Hohlraum 3 und die Kältestrecke 5 eingestellt werden.
  • Bei dem in 1 dargestellten Zustand sind bei Ventil 6 der Einlass 62 für Wärmeleitflüssigkeit von der Wärmestrecke 5 mit dem Auslass 63 in die Zuführung 31 des Behälters 3, und bei Ventil 7 der Einlass 73 für Wärmeleitflüssigkeit von der Abführung 32 des Behälters 3 mit dem Auslass 72 für Wärmeleitflüssigkeit in die Wärmestrecke 5 verbunden. Es stellt sich somit ein geschlossener Kreislauf der Wärmeleitflüssigkeit durch den Hohlraum 3 und die Wärmestrecke 4 ein.
  • Die dabei stattfindende Erwärmung und möglichst vollständige Verdunstung der Arbeitsflüssigkeit 8 führt den Arbeitszylinder 2 kontinuierlich in den in 2 dargestellten Zustand über. So zeigt 2 die beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine von 1 in einem Zustand, in dem ein zweiter Arbeitstakt beginnt, welcher mit „Kühlen" bzw. „Kondensieren" bezeichnet werden kann. Dabei befindet sich der Kolben 20 des Arbeitszylinders 2 der Wärmekraftmaschine annähernd im Bereich eines oberen Totpunkts.
  • Nun werden die Stellungen der beiden Dreiwegeventile 6 bzw. 7 so umgeschaltet, dass sich ein geschlossener Kreislauf der Wärmeleitflüssigkeit durch den Hohlraum 3 und die Kältestrecke 5 einstellt. Hierzu sind bei Ventil 6 der Einlass 61 für Wärmeleitflüssigkeit von der Kältestrecke 4 mit dem Auslass 63 in die Zuführung 31 in den Behälter 3, und bei Ventil 7 der Einlass 73 für Wärmeleitflüssigkeit von der Abführung 32 des Behälters 3 mit dem Auslass 71 für Wärmeleitflüssigkeit in die Kältestrecke 4 verbunden.
  • Auf Grund dieser Kühlwirkung kondensiert die gasförmige Phase 82 der Arbeitsflüssigkeit 8 im Arbeitsraum 22 wieder. Über den dadurch entstehenden Unterdruck wird der Kolben 20 im Zylinder 21 wieder in Richtung des in 2 dargestellten Pfeils zurückgezogen. Auch die dabei auftretende Arbeit wird durch weiteren Antrieb des Schwungrades 1 in mechanische Energie umgewandelt. Schließlich ist der Kolben 20 soweit zurückgezogen, dass er wieder den in 1 dargestellten Zustand einnimmt. Die Arbeitsflüssigkeit 8 ist nun nahezu vollständig kondensiert und der Ausgangszustand des Kreisprozesses ist wieder erreicht.
  • Die in den 1 und 2 dargestellte Ausführung der Erfindung bietet den besonderen Vorteil, dass durch eine geeignete Vorgabe eines Ansteuertaktes zur regelmäßigen Umschaltung der beiden Drehventile 6, 7 zwischen den beiden oben beschriebenen Stellungen die Drehzahl der Wärmekraftmaschine und damit die von erzeugte Leistung eingestellt werden können.
  • 1
    Speicher für mechanische Energie
    11
    rotierendes Schwungrad
    12
    Welle mit angeschlossenem Generator
    13
    Drehlager
    14
    Umlenkstange
    2
    Arbeitszylinder zur Umwandlung hydraulischer in mechanische Energie
    20
    Kolben mit Dichtung
    20a
    Pleuelstange
    21
    Zylinder
    211
    Wand
    212
    Isolation
    213
    Boden
    214
    Mittel zur Wärmeübertragung über Boden und Wand, insbesondere Rippen zur Oberflächenvergrößerung
    22
    Arbeitsraum im zylinder. d. h. Hub- und Ausdehnungsbereich
    3
    Behälter für Wärmeleitflüssigkeit
    31
    Wärmeleitflüssigkeit
    32
    Abführung für Wärmeleitflüssigkeit
    4
    Kältestrecke
    41
    Mittel zur Kühlung der Wärmeleitflüssigkeit, z. B. passiver Oberflächenkühler, aktives Kühlaggregat
    42
    erste Umwälzpumpe
    5
    Wärmestrecke
    51
    Mittel zur Erwärmung der Wärmeleitflüssigkeit, z. B. Heizung, Verlustwärmekollektor
    52
    zweite Umwälzpumpe
    6
    erstes Dreiwegeventil
    61
    Einlasserstes Wärmeleitflüssigkeit von der Kältestrecke
    62
    Einlass für Wärmeleitflüssigkeit von der Wärmestrecke
    63
    Auslass für Wärmeleitflüssigkeit in Zuführung 31 des Behälters 3
    7
    zweites Dreiwegeventil
    71
    Auslass für Wärmeleitflüssigkeit in Kältestrecke
    72
    Auslass für Wärmeleitflüssigkeit in Wärmestrecke
    73
    Einlass für Wärmeleitflüssigkeit von Abführung 32 des Behälters 3
    8
    Arbeitsflüssigkeit
    81
    flüssige Phase
    82
    gasförmige Phase

Claims (16)

  1. Wärmekraftmaschine mit zumindest einem Arbeitszylinder (2), der einen Arbeitsraum (22) aufweist und mit einem Speicher (1) und/oder Verbraucher für mechanische Energie verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (22) mit einer Arbeitsflüssigkeit (8) mit niedriger Verdampfungsenthalpie geladen ist, welche durch eine insbesondere zyklische Erwärmung bzw. Abkühlung im Arbeitsraum (22) verdampft bzw. kondensiert, und wobei die dabei am Arbeitszylinder (2) auftretende Bewegungsenergie dem Speicher und/oder Verbraucher für mechanische Energie (1) zugefürt wird.
  2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei im Arbeitsraum (22) soviel Arbeitsflüssigkeit (8) vorhanden ist, dass diese in einer Phase der Erwärmung möglichst verdampft.
  3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Arbeitszylinder (2) so angeordnet ist, dass sich die Arbeitsflüssigkeit (8) im kondensierten Zustand in einem Boden (213) des Arbeitsraumes (22) sammelt.
  4. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, mit zumindest einem Hohlraum, insbesondere einem Behälter (3), der von einer Wärmeleitflüssigkeit so durchströmt wird, dass zur Erwärmung bzw. Abkühlung des Arbeitsraumes (22) eine Wärmeleitung mit einer Wand (211) und/oder einem Boden (213) des Arbeitszylinders (2) auftritt.
  5. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, wobei der Behälter (3) aus einem Kunststoff besteht.
  6. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Wand (211) und/oder der Boden (213) des Arbeitszylinders (21) im Bereich des Hohlraums (3) zur Verbesserung des leitenden Kontaktes mit der Wärmeleitflüssigkeit eine vergrößerte Oberfläche aufweisen.
  7. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei die Wand (211) und/oder der Boden (213) des Arbeitszylinders (21) im Bereich des Hohlraums (3) zur Verbesserung des leitenden Kontaktes mit der Wärmeleitflüssigkeit aus Kupfer bestehen.
  8. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, wobei – zumindest jeweils eine von der Wärmeleitflüssigkeit (8) durchströmte Wärmestrecke (5) bzw. Kältestrecke (4) vorhanden ist, und – zur Zuführung bzw. Abführung (31, 32) der Wärmeleitflüssigkeit in den bzw. aus dem Hohlraum (3) jeweils ein umschaltbares Dreiwegeventil (6, 7) derart angeordnet ist, dass abwechselnd ein geschlossener Kreislauf der Wärmeleitflüssigkeit durch den Hohlraum (3) und die Wärmestrecke (5) bzw. durch den Hohlraum (3) und die Kältestrecke (4) einschaltbar ist.
  9. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Speicher (1) für mechanische Energie als ein Speicher für kinetische Energie (11) ausgeführt ist.
  10. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 9, wobei der Speicher für kinetische Energie als ein vom Arbeitszylinder (2) angetriebenes rotierendes Schwungrad (11) ausgeführt ist.
  11. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Verbraucher für mechanische Energie als ein Lineargenerator ausgeführt ist.
  12. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer unpolaren Flüssigkeit als Arbeitsflüssigkeit (8).
  13. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit Aceton oder Schwefelkohlenstoff als Arbeitsflüssigkeit (8).
  14. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einem Flüssiggas, besonders Kohlendioxid oder Lachgas, als Arbeitsflüssigkeit (8).
  15. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zur Erwärmung des Arbeitszylinders (2) Abwärme eingesetzt wird.
  16. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei – der Arbeitszylinder (2) einen Kolben (20) aufweist, der in einem Zylinder (21) vorgeschoben bzw. zurückgezogen werden kann und mit dem Speicher (1) für mechanische Energie verbunden ist, – die Arbeitsflüssigkeit (8) im Arbeitsraum (22) zwischen Kolben (20) und Zylinder (21) – in einer Phase der Erwärmung im Arbeitsraum (22) verdampft und der Kolben (20) im Zylinder (21) vorgeschoben wird, bzw. – in einer Phase der Abkühlung im Arbeitsraum (22) kondensiert und der Kolben (20) im Zylinder (21) zurückgezogen wird, und – die beim Vorschieben bzw. Zurückziehen des Kolbens (20) auftretende Energie dem mechanischen Energiespeicher (1) zugeführt wird.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3899888A (en) * 1972-02-18 1975-08-19 Mark Schuman Oscillating piston apparatus
DE2539878C2 (de) * 1974-11-14 1981-10-08 André Louis Paris Kovacs Thermodynamische Maschine mit geschlossenem Kreislauf
DE3416271A1 (de) * 1984-05-03 1985-11-07 Friedrich 6900 Heidelberg Becker Heissgasmotor
DE102005013287B3 (de) * 2005-01-27 2006-10-12 Misselhorn, Jürgen, Dipl.Ing. Wärmekraftmaschine

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