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Bei
der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Wärmekraftmaschine,
die einen Kreisprozess mit sechs Zustandsänderungen (zwei
Isobaren, zwei isochoren und zwei Isothermen) ausführt. Insbesondere
bezieht sie sich auf eine derartige Wärmekraftmaschine
mit einem vereinfachten mechanischen Aufbau.
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Dampf-
und Gasturbinen, Blockheizkraftwerke und Stromaggregate mit Diesel-
oder Ottomotoren sind die zur Zeit vorwiegend zur Stromerzeugung
eingesetzten Wärmekraftmaschinen. Die genannten Stromerzeuger
können, bis auf Dampfturbinen, nur im geringen Maße
mit regenerativen Brennstoffen betrieben werden.
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Alle
diese Wärmekraftmaschinen haben eines gemeinsam. Sie können
nur einen relativ geringen Teil der eingesetzten Energie, ca. 30–40%,
in mechanische Arbeit und somit auch in Strom umsetzen. Die restlichen
60–70% der Primärenergie gehen als Wärmeenergie
verloren, wenn sie nicht als Heizwärme genutzt werden können.
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Um
bei nicht bestehendem Heizbedarf diese überschüssige
Energie zu nutzen, wurden verschiedene Wärmekraftmaschinen
entwickelt, die auch bei niedrigen Temperaturen mit einem hinnehmbaren Wirkungsgrad
arbeiten. Zu diesen Entwicklungen zählt auch der ”Organic
Rankine Cycle” (ORC), bei dem anstelle des Wassers und
Wasserdampfes organische Verbindungen als Arbeitsstoff genutzt werden,
deren Verdampfungstemperaturen und Dampfdrücke einen Betrieb
bei niedrigen Temperaturen zulassen. In der jüngsten Vergangenheit
sind einige ORC-Anlagen in Betrieb genommen worden. Mit den ORC-Anlagen
kann auch regenerierbare Energie, wie zum Beispiel Erdwärme
aus geothermischen Quellen, in Arbeit umgesetzt werden.
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Zum
Stand der Technik sei auf die Druckschrift
DE 102005013287 B3 mit
dem Titel ”Wärmekraftmaschine” hingewiesen,
aus der eine Wärmekraftmaschine mit Wärmeüberträgern
bekannt ist, die mit externer Wärmequelle Arbeit verrichtet.
Die Arbeit wird in einem Kreisprozess erzeugt, der aus sechs Zustandsänderungen
besteht: zwei Isobaren, zwei Isochoren, zwei Isothermen. In der
Wärmekraftmaschine finden vorzugsweise mehrere derartige
Kreisprozesses gleichzeitig statt, sie sind jedoch zeitlich versetzt.
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Die
Wärmetauscher dieser bekannten Wärmekraftmaschine
bestehen aus zwei Teilen. Der eine Teil ist ein Verflüssiger,
der gekühlt wird, und der andere Teil ist ein Verdampfer,
der beheizt wird. Alle Wärmetauscher sind sternförmig
um die Mittelachse des Arbeitszylinders angeordnet und rotieren
um diese herum.
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Die
Wärmekraftmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung weist auch im Niedertemperaturbereich einen relativ hohen
Wirkungsgrad auf. Mit dieser Wärmekraftmaschine soll unter
anderem ein Teil der Abwärme aus Industrie oder Kraftanlagen
zurück gewonnen werden, die durch Auslass von warmer Abluft
oder warmer Flüssigkeit verloren gehen würde.
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Ebenfalls
kann allgemein Energie aus Flüssigkeiten und Gasen zurück
gewonnen werden, die über regenerative Energiequellen auf
ein niedriges Temperaturniveau aufgeheizt wurden. Vor allem soll ein
Teil der Wärme, welche üblicher Weise bisher wegen
des niedrigen Temperaturniveaus nicht wirtschaftlich genutzt werden
kann, mittels der hier offenbarten Wärmekraftmaschine in
Strom oder Arbeit umgesetzt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den konstruktiven Aufwand
einer Wärmekraftmaschine zu verringern, die den Energiegehalt
eines warmen Mediums durch eine bessere Ausnutzung der isochoren
Zustandsänderungen nutzt.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch eine Wärmekraftmaschine
erreicht, die mindestens ein Wärmetauscherpaar, das einen
Verflüssiger und einen Verdampfer aufweist, mindestens
einen Arbeitsstoffüberträger, der zwischen dem
Verflüssiger und dem Verdampfer des Wärmetauscherpaars
angeordnet ist, mindestens einen durch Arbeitsstoff angetriebenen
Arbeitsmotor mit einer Verbindungsleitung zwischen dem Verflüssiger
und dem Arbeitsmotor und einer Verbindungsleitung zwischen dem Verdampfer
und dem Arbeitsmotor sowie Ventilmittel aufweist, die zwischen dem
Wärmetauscherpaar und dem Arbeitsmotor angeordnet sind
und eine Strömungsmittelverbindung dazwischen selektiv öffnen
oder schließen. Der Anzahl der Komponenten wird so verringert
und die Abdichtung der einzelnen Bauteile wird dadurch vereinfacht.
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Vorzugsweise
weisen die Ventilmittel ein Ventil, das in der Verbindungsleitung
zwischen dem Verflüssiger und dem Arbeitsmotor angeordnet
ist; und ein Ventil auf, das in der Verbindungsleitung zwischen
dem Verdampfer und dem Arbeitsmotor angeordnet ist, um eine flexible
Steuerung des Betriebsablaufes zu gestatten.
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Der
Verflüssiger definiert einen abgeschlossenen Innenraum,
und vorzugsweise ist der Arbeitsstoffüberträger
mit dem untersten Teil des Innenraums verbunden, um möglichst
vollständig kondensierten Arbeitsstoff zu sammeln.
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Der
Verdampfer definiert einen abgeschlossenen Innenraum, und vorzugsweise
ist der Arbeitsstoffüberträger mit dem oberen
Teil des Innenraums verbunden, um eingeleiteten kondensierten Arbeitsstoff
möglichst gleichmäßig über den
gesamten Verdampfer zu verteilen.
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Der
Arbeitsstoffüberträger weist vorteilhafterweise
mindestens einen umschaltbaren Arbeitsstofftransportraum auf, der
in einer ersten Stellung selektiv mit dem Verdampfer verbunden ist,
der in einer zweiten Stellung mit dem Verflüssiger verbunden ist,
und der in einer dritten Stellung sowohl zum Verdampfer als auch
zum Verflüssiger hin abgeschlossen ist. So wird ein Über strömen
oder ein Druckausgleich zwischen Verdampfer und Verflüssiger
vermieden, um Verluste zu minimieren.
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Der
Arbeitsmotor enthält vorzugsweise einen Arbeitskolben,
der in dem Arbeitsmotor einen variablen Arbeitsraum definiert, um
durch die Druckunterschiede in Verflüssiger und Verdampfer
direkt Arbeit zu erzeugen.
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Weiterhin
enthält der Arbeitsmotor vorteilhafterweise einen Arbeitskolben,
der mit dem Arbeitszylinder einen ersten und einen zweiten variablen
Arbeitsraum definiert, um zu ermöglichen, dass der Arbeitskolben
von zwei Seiten angetrieben wird, was den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine
verbessert.
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Die
Verbindungsleitung zwischen dem Verflüssiger und dem Arbeitsmotor
und die Verbindungsleitung zwischen dem Verdampfer und dem Arbeitsmotor
sind vorteilhafterweise beide mit dem Arbeitsraum verbunden, um
die Verrohrung zu vereinfachen.
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Vorteilhafterweise
ist eine Vielzahl von Wärmetauscherpaaren vorgesehen, deren
Verflüssiger und Verdampfer mit dem einen Arbeitsraum verbunden
sind. So können schnellere Taktzeiten erreicht werden,
da in den Wärmetauscherpaaren gleichzeitig verschiedene
Takte der thermischen Zyklus (Verdampfung und Kondensation) ablaufen
können.
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Vorteilhafterweise
sind mindestens zwei Wärmetauscherpaare vorgesehen, deren
Wärmetauscherpaare mit jeweils einem der ersten und zweiten Arbeitsräume
verbunden sind, um zu ermöglichen, den Arbeitskolben von
zwei Seiten anzutreiben. So wird eine größere
Leistung der Wärmekraftmaschine erreicht.
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Vorzugsweise
ist eine Vielzahl von Wärmetauscherpaaren vorgesehen, deren
Verflüssiger und Verdampfer mit dem ersten Arbeitsraum
verbunden sind, und eine weitere Vielzahl von Wärmetauscherpaaren,
deren Verflüssi ger und Verdampfer mit dem zweiten Arbeitsraum
verbunden sind. So können schnellere Taktzeiten erreicht
werden, da in den Wärmetauscherpaaren gleichzeitig verschiedene
Takte des thermischen Zyklus (Verdampfung und Kondensation) ablaufen
können. Gleichzeitig wird auch eine größere
Leistung der Wärmekraftmaschine erreicht.
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Vorteilhafterweise
sind in den Verdampfern Mittel zur Verteilung des Arbeitsstoffes
angeordnet, um eine bessere Verteilung und damit eine schnellere
Verdunstung des eingeleiteten kondensierten Arbeitsstoffes zu erreichen.
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Die
Mittel zur Verteilung sind vorzugsweise geeignet, den Arbeitsstoff über
eine große Oberfläche zu verteilen, um einen schnellen
Wärmeübergang auf den Arbeitsstoff vorzusehen
und so schnelle Taktzeiten zu gestatten. Die Mittel zur Verteilung weisen
eine Einspritzvorrichtung, Metallwolle, Metallfäden, Oberflächenstrukturen,
oder Wärmeübertragungsfinnen auf, um eine schnelle
Verdampfung des Arbeitsstoffes zu erreichen.
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Alternativ
wird das Ziel der Erfindung durch eine Wärmekraftmaschine
erreicht, die weiter folgendes aufweist: eine Vielzahl von Wärmetauscherpaaren,
die jeweils einen Verflüssigen und einen Verdampfer aufweisen;
eine Vielzahl von Arbeitsstoffüberträgern, die
jeweils zwischen dem Verflüssiger und dem Verdampfer jedes
Wärmetauscherpaars angeordnet sind; mindestens einen Arbeitsmotor
mit ersten und zweiten Arbeitsräumen, wobei eine erste Gruppe
von Wärmetauscherpaaren mit dem ersten Arbeitsraum verbunden
ist, und wobei eine zweite Gruppe von Wärmetauscherpaaren
mit dem zweiten Arbeitsraum verbunden ist. Verbindungsleitungen sind
zwischen den Verflüssigern der ersten Gruppe von Wärmetauscherpaaren
und dem ersten Arbeitsraum des mindestens einen Arbeitsmotors angeordnet,
und weitere Verbindungsleitungen sind zwischen den Verflüssigern
der zweiten Gruppe von Wärmetauscherpaaren und dem zweiten
Arbeitsraum des Arbeitsmotors angeordnet. Eine Vielzahl von Ventilen ist
vorgesehen, wobei jeweils eines davon in der Verbindungsleitung
zwischen jedem Verflüssiger und dem daran angeschlossenen
Arbeitsraum des mindestens einen Ar beitsmotors angeordnet ist. Weiterhin
sind Verbindungsleitungen zwischen den Verdampfern der ersten Gruppe
von Wärmetauscherpaaren und dem ersten Arbeitsraum des
mindestens einen Arbeitsmotors angeordnet, und weitere Verbindungsleitungen
sind zwischen den Verdampfern der zweiten Gruppe von Wärmetauscherpaaren
und dem zweiten Arbeitsraum des mindestens einen Arbeitsmotors angeordnet.
Eine Vielzahl von Ventilen ist vorgesehen, wobei jeweils eines davon
in der Verbindungsleitung zwischen jedem Verdampfer und dem daran
angeschlossenen Arbeitsraum des mindestens einen Arbeitsmotors angeordnet
ist. So ergibt sich der Vorteil, dass gleichzeitig eine Vielzahl
von Takten des thermischen Zyklus ablaufen kann und schnellere Taktzeiten
erreicht werden können.
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Alternativ
wird das Ziel der Erfindung durch eine Wärmekraftmaschine
erreicht, die weiter folgendes aufweist: eine Vielzahl von Wärmetauscherpaaren,
die jeweils einen Verflüssiger und einen Verdampfer aufweisen;
eine Vielzahl von Arbeitsstoffüberträgern, die
jeweils zwischen dem Verflüssiger und dem Verdampfer jedes
Wärmetauscherpaars angeordnet sind, mindestens einen Arbeitsmotor
mit ersten und zweiten Arbeitsräumen, wobei eine erste Gruppe
von Wärmetauscherpaaren mit dem ersten Arbeitsraum verbunden
ist, und wobei eine zweite Gruppe von Wärmetauscherpaaren
mit dem zweiten Arbeitsraum verbunden ist. Eine Verbindungsleitung zwischen
den Verflüssigern der ersten Gruppe von Wärmetauscherpaaren
und dem ersten Arbeitsraum des Arbeitsmotors ist vorgesehen, wobei
die einzelnen Verflüssiger jeweils über eine Abzweigungsleitung
an die Verbindungsleitung angeschlossen sind. Weiterhin ist eine
Verbindungsleitung zwischen den Verflüssigern der zweiten
Gruppe von Wärmetauscherpaaren und dem zweiten Arbeitsraum
des Arbeitsmotors vorgesehen, wobei die einzelnen Verflüssiger
jeweils über eine Abzweigungsleitung an die Verbindungsleitung
angeschlossen sind. Eine Vielzahl von Ventilen ist jeweils einzeln
in den Abzweigungsleitungen zwischen jedem Verflüssiger
und der daran angeschlossenen Verbindungsleitung angeordnet. Zusätzlich
ist eine Verbindungsleitung zwischen den Verdampfern der ersten
Gruppe von Wärmetauscherpaaren und dem ersten Arbeitsraum
des Arbeitsmotors angeordnet, wobei die ein zelnen Verdampfer jeweils über
eine Abzweigungsleitung an die Verbindungsleitung angeschlossen
sind. Es sind dabei Verbindungsleitungen zwischen den Verdampfern
der zweiten Gruppe von Wärmetauscherpaaren und dem zweiten
Arbeitsraum des Arbeitsmotors angeordnet, wobei die einzelnen Verdampfer
jeweils über eine Abzweigungsleitung an die Verbindungsleitung
angeschlossen sind. Eine Vielzahl von Ventilen ist jeweils einzeln
in den Abzweigungsleitungen zwischen jedem Verdampfer und der daran
angeschlossenen Verbindungsleitung angeordnet. So ergibt sich der
Vorteil, dass gleichzeitig eine Vielzahl von Takten des thermischen
Zyklus ablaufen kann und schnellere Taktzeiten erreicht werden können.
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Die
erste Gruppe und die zweite Gruppe von Wärmetauscherpaaren
besteht dabei vorteilhafterweise aus jeweils drei Wärmetauscherpaaren,
so dass die sechs Takte des eingesetzten thermischen Kreislaufs
jeweils um einen Takt verschoben ablaufen können.
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Der
Arbeitsmotor ist vorteilhafterweise ein Kolbenmotor mit sich linear
hin und her bewegenden Kolben, um den Einsatz von bewährten
Dichtungs- und Konstruktionsprinzipien zu ermöglichen.
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Der
Arbeitsmotor ist alternativ vorteilhafterweise ein Drehkolbenmotor
mit sich rotierend bewegenden Kolben, um eine einfache Ableitung
der erzeugten (Dreh-)Leistung zu einem üblichen Elektrogenerator
zu gestatten. Weiterhin ergibt sich beim Einsatz eines Drehkolbenmotors
eine kleinere Baugröße des Arbeitsmotors.
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Vorzugsweise
weist der Arbeitsstoffüberträger zwei Ventile
auf, zwischen denen ein Raum zur Aufnahme von Kondensat angeordnet
ist. So ergibt sich der Vorteil, dass einfach zu steuernde Ventile verwendet
werden können, die in großer Vielfalt als Zukaufteile
erhältlich sind. Somit kann der Konstruktionsaufwand verringert
werden.
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Das
Ziel der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Steuerung einer
oben beschriebenen Wärmekraftmaschine erreicht, bei dem
folgende Schritte vorgesehen sind: a) Schließen des Ventils
zwischen dem Arbeitszylinder und dem Verflüssiger, b) Schließen
des Ventils zwischen dem Arbeitszylinder und dem Verdampfer, c)
Kondensieren eines gasförmigen Arbeitsstoffes im Verflüssiger,
d) Sammeln von kondensiertem flüssigen Arbeitsstoff im
Arbeitsstofftransportraum des Arbeitsstoffüberträgers,
e) Öffnen des Ventils zwischen dem Arbeitszylinder und
dem Verflüssiger, f) Einleiten von gasförmigem
Arbeitsstoff in den Verflüssiger, g) Sammeln von kondensiertem
flüssigem Arbeitsstoff im Arbeitsstofftransportraum des
Arbeitsstoffüberträgers, h) Schließen
des Ventils zwischen dem Arbeitszylinder und dem Verflüssiger,
i) druckdichtes Abriegeln des kondensierten flüssigen Arbeitsstoffes
im Arbeitsstofftransportraum vom Verflüssiger, j) Leiten
des kondensierten flüssigen Arbeitsstoffes in den Verdampfer,
k) Verdampfen des flüssigen Arbeitsstoffes in dem Verdampfer,
l) Öffnen des Ventils zwischen dem Arbeitszylinder und
dem Verdampfer, m) Leiten des verdampften Arbeitsstoffes in den
Arbeitszylinder, n) Schließen des Ventils zwischen dem
Arbeitszylinder und dem Verdampfer, o) erneutes Ausführen
der Schritte ab Schritt c). Dadurch kann vorteilhafterweise ein
hoher Wirkungsgrad des thermischen Kreislaufs ohne Druckverluste
erreicht werden.
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Der
Schritt k) des Verdampfens des Arbeitsstoffes findet vorzugsweise
zumindest teilweise während der folgenden Schritte l) des Öffnens
des Ventils und m) des Leitens in den Arbeitszylinder statt, um den
thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen.
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Vorzugsweise
sind bei einem Verfahren zur Steuerung einer oben beschriebenen
Wärmekraftmaschine folgende Schritte vorgesehen:
- a) Öffnen der Ventile 40A, 41X,
Schließen der Ventile 40B, 40C, 40X, 40Y, 40Z, 41A, 41B, 41C, 41Y, 41Z,
Sammeln von kondensiertem Arbeitsstoff in den Arbeitsstoffüberträgern 30A, 30B, 30C, 30X, 30Z;
- b) Öffnen der Ventile 41B, 40Z, Schließen
der Ventile 40A, 40B, 40C, 40X, 40Y, 41A, 41C, 41Y, 41Y, 41Z,
Sammeln von kondensiertem Arbeits stoff in den Arbeitsstoffüberträgern 30B, 30C, 30X, 30Y, 30Z;
- c) Öffnen der Ventile 40C, 41Y, Schließen
der Ventile 40A, 40B, 40X, 40Y, 40Z, 41A, 41B, 410, 41X, 41Z,
Sammeln von kondensiertem Arbeitsstoff in den Arbeitsstoffüberträgern 30A, 30B, 30C, 30X, 30Y;
- d) Öffnen der Ventile 40X, 41A, Schließen
der Ventile 40A, 40B, 40C, 40Y, 40Z, 41B, 41C, 41X, 41Y, 41Z,
Sammeln von kondensiertem Arbeitsstoff in den Arbeitsstoffüberträgern 30A, 30B, 30X, 30Y, 30Z;
- e) Öffnen der Ventile 40B, 41Z, Schließen
der Ventile 40A, 40C, 40X, 40Y, 40Z, 41A, 41B, 41C, 41X, 41Y,
Sammeln von kondensiertem Arbeitsstoff in den Arbeitsstoffüberträgern 30A, 30B, 30C, 30Y, 30Z;
- f) Öffnen der Ventile 40Y, 41C, Schließen
der Ventile 40A, 40B, 40C, 40X, 40Z, 41A, 41B, 41X, 41Y, 41Z,
Sammeln von kondensiertem Arbeitsstoff in den Arbeitsstoffüberträgern 30A, 30C, 30X, 30Y, 30Z;
- g) Erneutes Ausführen der Schritte a) bis f). Dadurch
kann vorteilhafterweise ein hoher Wirkungsgrad des thermischen Kreislaufs
ohne Druckverluste erreicht werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die
Erfindung sowie weitere Einzelheiten und Vorteile derselben wird
bzw. werden nachfolgend an bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der Wärmekraftmaschine gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2a–2f zeigen
eine schematische Darstellung der Wärmekraftmaschine der 1 in verschiedenen
Takten ihres Betriebsprozesses;
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3 zeigt
eine schematische Darstellung der Wärmekraftmaschine gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 zeigt
eine schematische Darstellung der Wärmekraftmaschine gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5a–5f zeigen
eine schematische Darstellung der Wärmekraftmaschine der 4 in verschiedenen
Takten ihres Betriebsprozesses;
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6 zeigt
eine schematische Darstellung der Wärmekraftmaschine gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt
eine schematische Darstellung der Wärmekraftmaschine gemäß einem
fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8a–8f zeigen
eine schematische Darstellung der Wärmekraftmaschine der 7 in verschiedenen
Takten ihres Betriebsprozesses;
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9 zeigt
ein P-h-Diagramm (Druck-Enthalpie-Diagramm) für den Arbeitsstoff
C2H2F2,
Kältemittel 134a, des Betriebsprozesses, der Wärmekraftmaschine
der vorliegenden Erfindung;
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10 zeigt
ein P-v-Diagramm (Druck-Volumen-Diagramm) für den Arbeitsstoff
C2H2F2,
Kältemittel 134a, des Betriebsprozesses, der Wärmekraftmaschine
der vorliegenden Erfindung bezogen auf das in 6 dargestellte
P-h-Diagramm;
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11 zeigt
ein T-s-Diagramm (Druck-Volumen-Diagramm) für den Arbeitsstoff
C2H2F2,
Kältemittel 134a, des Betriebsprozesses, der Wärmekraftmaschine
der vorliegenden Erfindung bezogen auf das in 6 dargestellte
P-h-Diagramm.
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Detaillierte Beschreibung
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Wärmekraftmaschine 1.
Ausführungsbeispiel
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Die
Wärmekraftmaschine 1 gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Wärmetauscherpaar 10,
einen Zylinder 20, einen Arbeits stoffüberträger 30 und
Ventilmittel 40, 41 auf. Die Ventilmittel bestehen
aus ersten Ventilen bzw. Verflüssigerventilen 40 und
zweiten Ventilen bzw. Verdampferventilen 41. Das Wärmetauscherpaar 10 besteht
aus einem ersten Wärmetauscher bzw. Verflüssiger 11 (folgend
Verflüssiger) und einem zweiten Wärmetauscher
bzw. Verdampfer 12 (folgend Verdampfer). Der Verflüssiger 11 hat
einen unteren Endteil 13, und der Verdampfer hat einen
oberen Endteil 14.
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Der
obere Endteil 14 des Verdampfers 12 sowie die
weiter unten beschriebenen Teile der Wärmekraftmaschine 1 können
jeweils durch eine Isolierung 15 vom Rest des Verdampfers 12 isoliert
sein. Die Isolierung ist aus einem Material, das für die
Drücke und die mechanische Belastung geeignet ist, aber gleichzeitig
ein schlechter Wärmeleiter ist. Die Isolierung 15 wird
zur Minimierung der Wärmeübertragung vom Verdampfer 12 zum
Rest der Wärmekraftmaschine 1 eingesetzt. Weiterhin
wird in Betracht gezogen, den Arbeitsmotor und die Leitungen zum
Verdampfer zu isolieren, um Wärmeverluste und eine Kondensation
von gasförmigem Arbeitsstoff zu vermeiden oder zumindest
zu verringern.
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Der
Verflüssiger 11 und der Verdampfer 12 sind
jeweils als Rohr 16 mit Lammellen 17 dargestellt.
Es sei jedoch bemerkt, dass auch andere geeigneten Formen von Wärmetauschern
eingesetzt werden können. Es sei weiter darauf hingewiesen, dass
in der Zeichnung nur ein Rohr 16 dargestellt ist, dass
jedoch Wärmetauscher mit einer beliebigen Anzahl von Rohren 16 vorgesehen
sein können. Der Verflüssiger 11 und
der Verdampfer 12 können auch eine geeignete Konstruktion
für einen Wärmeaustausch durch Strahlung haben.
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Im
Verdampfer 12 sind Mittel zur Verteilung des Arbeitsstoffes über
eine große innere Oberfläche angeordnet, um einen
verbesserten Wärmeübergang auf den Arbeitsstoff
vorzusehen. Die Mittel zur Verteilung können beispielsweise
Metallwolle, Metallfäden, Oberflächenstrukturen
oder Wärmeübertragungsfinnen oder andere Oberflächenstrukturen
aufweisen, die im Inneren des Verdampfers angeordnet sind. Der Arbeitsstoff
wird bei feinen Oberflächenstrukturen auch durch Kapillarwirkung
verteilt, was eine bessere Wärmeaufnahme von der Wand des
Verdampfers 12 bewirkt.
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Der
Verflüssiger 11 ist von einem strömenden
Kühlmedium 18 umgeben. Das Kühlmedium 18 kann
gasförmig oder flüssig sein. Der Verdampfer 12 ist
von einem strömenden Heizmedium 19 umgeben, welches
ebenfalls gasförmig oder flüssig sein kann.
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Der
Verflüssiger 11 und der Verdampfer 12 sind
mit einem Arbeitsstoffüberträger 30 verbunden. Der
Arbeitsstoffüberträger 30 weist mindestens
einen Arbeitsstofftransportraum 31 auf, der selektiv mit dem
Verdampfer 12 und mit dem Verflüssiger 11 verbunden
werden kann.
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Der
Arbeitsstoffüberträger 30 kann mindestens
drei Stellungen einnehmen. In der ersten Stellung ist der Arbeitsstofftransportraum 31 mit
dem Verflüssiger 11 zur Aufnahme von Kondensat
verbunden und vom Verdampfer 12 getrennt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Arbeitsstofftransportraum 31 mit dem Verflüssiger 11 an
seinem unteren Endteil 13 verbunden. In der zweiten Stellung
ist der Arbeitsstofftransportraum 31 sowohl vom Verflüssiger 11 als
auch vom Verdampfer 12 getrennt. In der dritten Stellung
ist der Arbeitsstofftransportraum 31 mit dem Verdampfer 12 zur
Einleitung von Kondensat verbunden, jedoch vom Verflüssiger 11 getrennt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Arbeitsstofftransportraum 31 mit
dem Verdampfer 12 an seinem oberen Endteil 14 verbunden.
Der Arbeitsstoffüberträger 30 kann einen
mechanischen, elektrischen, pneumatischen, hydraulischen oder sonstigen
Antrieb aufweisen, der gemäß einem unten genauer
erklärten Betriebsverfahren aktiviert wird.
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Der
Arbeitsstoffüberträger 30 kann jede beliebige
Konstruktion haben, es darf nur beim Übertragen des flüssigen
kondensiertem Arbeitsstoffes zu keinem Druckaustausch zwischen Verflüssiger 11 und
Verdampfer 12 kommen. Der Arbeitsstoffüberträger 30 muss
nur das im Verflüssiger 11 gebildete Kondensat
des Arbeitsstoffes in den Verdampfer 12 übertragen,
ohne dass eine direkte Verbindung zwischen dem Verflüssiger 11 und
dem Verdampfer 12 zustande kommt.
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Die
Wärmekraftmaschine 1 weist weiter den Zylinder 20 auf,
in dem ein Kolben 21 angeordnet ist. Der Zylinder 20 und
der Kolben 21 definieren einen Arbeitsraum 22.
Der Arbeitsraum 22 ist durch eine Verbindungsleitung 24 mit
dem Verflüssiger 11 verbunden. Weiterhin ist der
Arbeitsraum 22 ist durch eine Verbindungsleitung 25 mit
dem Verdampfer 12 verbunden. In der Verbindungsleitung 24 ist
ein Ventil 40 angeordnet, das die Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 22 und
dem Verflüssiger 11 öffnen oder schließen
kann. In der Verbindungsleitung 25 ist ein Ventil 41 angeordnet,
das die Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 22 und dem
Verdampfer 12 öffnen oder schließen kann.
Die Ventile 40, 41 können einen elektrischen,
pneumatischen, hydraulischen oder sonstigen Antrieb aufweisen, der
gemäß einem unten genauer erklärten Betriebsverfahren
aktiviert wird.
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Betrieb Wärmekraftmaschine 1.
Ausführungsbeispiel
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Der
Betrieb des ersten Ausführungsbeispiels der Wärmekraftmaschine 1 läuft
mit den folgenden Zustandsänderungen des Arbeitsstoffes
in einem geschlossenen Kreislauf ab. Während des Betriebs wird
der Verflüssiger 11 von Kühlmedium umströmt, während
gleichzeitig der Verdampfer 12 durch Heizmedium eine Wärmezufuhr
erfährt. Die Zustandsänderungen des Kreislaufs
verlaufen in folgender Reihenfolge (2a–2f):
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1. Isochore Wärmeabgabe (Schritt
1-2 in 9, 2a)
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Der
Arbeitsstoff wird bei konstantem Volumen im Verflüssiger 11 auf
die untere Temperaturebene gekühlt. Das Ventil 40 ist
geschlossen und der Arbeitsstofftransportraum 31 des Arbeitsstoffüberträgers 30 ist
mit dem Verflüssiger 11 verbunden. Das Ventil 41 ist
geschlossen.
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2. Isotherme Verdichtung (Schritt 2-3
in 9, 2b)
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Das
Ventil 40 zwischen dem Zylinder 20 und dem Verflüssiger 11 öffnet
sich, und weiterer Dampf des Arbeitsstoffes strömt, aus
dem Zylinder 20 in den Verflüssiger 11 ein.
Dies geschieht teils durch den Unterdruck im Verflüssiger 11 und
teils durch einen Druck auf den Kolben 21 im Zylinder 20 von
der entgegengesetzten (rechten) Seite (siehe auch zweites und drittes
Ausführungsbeispiel). Wegen der fortlaufenden Kühlung
durch das Kühlmedium wird weiterer Dampf des Arbeitsstoffes
verflüssigt und im Arbeitsstofftransportraum 31 gesammelt.
Es findet eine isotherme Verdichtung statt, da der einströmende
warme Dampf sich durch Abkühlung im Verflüssiger 11 zusammenzieht.
Während der gasförmige Arbeitsstoff aus dem Zylinder 20 in
den Verflüssiger 11 einströmt, wird dem
Verflüssiger 11 nämlich weiter Wärme
entzogen. Das Ventil 41 ist geschlossen.
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3. Isobare Kondensation (Schritt 3-4 in 9, 2c)
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Ist
die Kondensationstemperatur erreicht, verflüssigt sich
der Arbeitsstoff bei konstantem Druck und Temperatur. Wegen der
fortlaufenden Kühlung wird weiterer Dampf des Arbeitsstoffes
kondensiert. Er kondensiert solange bis der Druck im Verflüssiger 11 den
Dampfdruck bei der Verflüssigungstemperatur erreicht hat.
Der Dampf des Arbeitsstoffes kondensiert nicht vollständig,
wird aber bei gleichzeitiger Wärmeabgabe verdichtet. Der
kondensierte flüssige Arbeitsstoff wird im Arbeitsstofftransportraum 31 gesammelt.
Das Ventil 41 ist geschlossen.
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4. Isochore Wärmezufuhr (Schritt
4-5 in 9, 2d)
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Das
Ventil 40 wird geschlossen. Durch Betätigung des
Arbeitsstoffüberträgers 30 läuft
das Kondensat des Arbeitsstoffes in den Verdampfer 12. Durch
die vorherige Verflüssigung des Arbeitsstoffes im Verflüssiger 11 befand
sich zu diesem Zeitpunkt eine größere Menge an
Kondensat im Arbeitsstofftransportraum 31. Dieses Kondensat
gelangt in den warmen Verdampfer 12, dessen Temperatur
(obere Temperaturebene) höher ist als der Siedepunkt des Arbeitsstoffes.
Ein Teil des Arbeitsstoffes verdampft und erzeugt Druck im Verdampfer 12.
Das Ventil 41 zum Arbeitszylinder 20 bleibt während
des Aufheizens geschlossen, somit findet diese Zustandsänderung
bei gleichem Volumen statt. Eine Verdampfung des Arbeitsstoffes
findet solange statt, bis der Dampfdruck bei der oberen Temperaturebene
erreicht ist.
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5. Isobare Verdampfung (Schritt 5-6 in 9, 2e)
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Das
Ventil 41 wird geöffnet. Wegen des Druckes im
Verdampfer 12 strömt der Arbeitsstoff aus dem
Verdampfer 12 in den Arbeitszylinder 20, während
dem Verdampfer 12 von außen weitere Wärme zugeführt
wird. Durch die Volumenvergrößerung und die fortlaufende
Wärmezufuhr verdampft ein weiterer Teil des Kondensates
bei gleichbleibendem Druck.
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6. Isotherme Expansion (Schritt 6-1 in 9, 2f)
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Nachdem
das Kondensat vollständig verdampft ist, expandiert der
gasförmige Arbeitstoff weiter während dem Verdampfer 12 weitere
Wärme zugeführt wird. Es findet eine isotherme
Expansion statt. Das Ventil 41 schließt. Nach
der Expansion wird der Arbeitsstoffüberträger 30 wieder
in die Anfangsstellung gebracht, um das im Verflüssiger
anfallende Kondensat aufzunehmen.
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Der
Verflüssiger 11 und der Verdampfer 12 werden
bei diesem Kreisprozess immer als Paar eingesetzt. Über
den Arbeitsstoffüberträger 30 sind der Verdampfer 11 und
der Verflüssiger 12 eines Wärmetauscherpaares 10 so
miteinander verbunden, dass das flüssige Arbeitsstoffkondensat,
das bei der Kondensation im Verflüssiger 11 entsteht,
durch den Arbeitsstoffüberträger 30 zum
Verdampfer 12, ohne Druckausgleich, übertragen
werden kann. An jedem Verflüssiger 11 ist immer
ein Verdampfer 12 mit gleicher oder größerer
Wärmeleistung angeschlossen.
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Bei
dieser Erfindung kann der oben beschriebene Kreisprozess in mehreren
Wärmetauscherpaaren 10 gleichzeitig aber zeitlich
versetzt stattfinden. Der Aufbau und die Wirkungsweise einer Wärmekraftmaschine 100 mit
mehreren Wärmetauschern anhand der 3 erläutert.
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Ein
Takt entspricht einer halbe Kolbenperiode. Eine Kolbenperiode (hin
und zurück) entspricht zwei Takten.
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Wärmekraftmaschine 2.
Ausführungsbeispiel
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer Wärmekraftmaschine 100 gemäß der
vorliegenden Erfindung. Die Wärmekraftmaschine 100 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel ist aus ähnlichen Teilen aufgebaut,
wie die Wärmekraftmaschine 1. Daher werden für
entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Für
die Teile auf der linken Seite (3) des Zylinders 20 wird
dem Bezugszeichen ein ”A” angehängt.
Für die Teile auf der rechten Seite (3)
des Zylinders 20 wird dem Bezugszeichen ein ”X” angehängt.
Weiterhin werden die entsprechenden Teile teilweise nicht so ausführlich
beschrieben.
-
Die
Wärmekraftmaschine 100 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung weist zwei Wärmetauscherpaare 10A, 10X,
einen Zylinder 20, zwei Arbeitsstoffüberträger 30A, 30X und
Ventile 40A, 41A und 40X, 41X auf.
Die Wärmetauscherpaare 10A, 10X bestehen
jeweils aus einem ersten Wärmetauscher bzw. Verflüssiger 11A, 11X (folgend
Verflüssiger) und einem zweiten Wärmetauscher
bzw. Verdampfer 12A, 12X (folgend Verdampfer).
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel hat jeder Verflüssiger 11A, 11X einen
unteren Endteil 13, und jeder Verdampfer 12A, 12X hat
einen oberen Endteil 14.
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Der
obere Endteil 14 sowie die weiter unten beschriebenen Teile
der Wärmekraftmaschine 100 können jeweils
durch eine Isolierung 15 vom Rest der Verdampfer 12A, 12X isoliert
sein. Die Isolierung ist aus einem Material, das für die
Drücke und die mechanische Belastung geeignet ist, aber
gleichzeitig ein schlechter Wärmeleiter ist. Die Isolierung 15 wird zur
Minimierung der Wärmeübertragung von den Verdampfern 12A, 12X zum
Rest der Wärmekraftmaschine 100 eingesetzt.
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Die
Verflüssiger 11A, 11X und die Verdampfer 12A, 12X sind
jeweils als Rohr 16 mit Lammellen 17 dargestellt.
Es sei jedoch bemerkt, dass auch andere geeigneten Formen von Wärmetauschern
eingesetzt werden können. Es sei weiter darauf hingewiesen,
dass in der Zeichnung nur ein Rohr 16 dargestellt ist,
dass jedoch Wärmetauscher mit einer beliebigen Anzahl von
Rohren 16 vorgesehen sein können. Die Wärmetauscherpaare 10A, 10X können auch
eine geeignete Konstruktion für einen Wärmeaustausch
durch Strahlung haben.
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In
den Verdampfern 12A, 12X sind Mittel zur Verteilung
des Arbeitsstoffes über eine große Oberfläche
angeordnet, um einen verbesserten Wärmeübergang
auf den Arbeitsstoff vorzusehen. Die Mittel zur Verteilung können
beispielsweise Metallwolle, Metallfäden, Oberflächenstrukturen
oder Wärmeübertragungsfinnen aufweisen, die im
Inneren des Verdampfers angeordnet sind. Der Arbeitsstoff wird bei
feinen Oberflächenstrukturen auch durch Kapillarwirkung
verteilt, was eine bessere Wärmeaufnahme von der Wand des
Verdampfers bewirkt.
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Die
Verflüssiger 11A, 11X sind von einem strömenden
Kühlmedium 18 umgeben. Das Kühlmedium 18 kann
gasförmig oder flüssig sein. Die Verdampfer 12A, 12X sind
von einem strömenden Heizmedium 19 umgeben. Das
Heizmedium 19 kann ebenfalls gasförmig oder flüssig
sein.
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Die
unteren Endteile 13 der Verflüssiger 11A, 11X und
die oberen Endteile 14 der Verdampfer 12A, 12X sind
jeweils mit einem Arbeitsstoffüberträger 30A, 30X verbunden.
Der jeweilige Arbeitsstoffüberträger 30A, 30X weist
mindestens einen Arbeitsstofftransportraum 31 auf, der
selektiv mit dem entsprechenden Verdampfer 12A, 12X und
mit dem entsprechenden Verflüssiger 11A, 11X verbunden
werden kann.
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Wie
beim ersten Ausführungsbeispiel kann jeder Arbeitsstoffüberträger 30A, 30X mindestens drei
Stellungen einnehmen. In der ersten Stellung ist der Arbeitsstofftransportraum 31 mit
dem unteren Endteil 13 des Verflüssigers verbunden.
In der zweiten Stellung ist der Arbeitsstofftransportraum 31 vom Verflüssiger
und vom Verdampfer getrennt. In der dritten Stellung ist der Arbeitsstofftransportraum 31 mit
dem oberen Endteil 14 des Verdampfers verbunden. Die Arbeitsstoffüberträger 30A, 30X können
einen elektrischen, pneumatischen, hydraulischen oder sonstigen
Antrieb aufweisen, der gemäß einem unten genauer
erklärten Betriebsverfahren aktiviert wird.
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Die
Wärmekraftmaschine 100 weist weiter den Zylinder 20 auf,
in dem ein Kolben 21 angeordnet ist. Anders als im ersten
Ausführungsbeispiel definieren der Zylinder 20 und
der Kolben 21 zwei Arbeitsräume 22, 23.
Die Arbeitsräume sind rechts und links (in 3)
vom Kolben 21 angeordnet.
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Beim
zweiten Ausführungsbeispiel ist der erste Arbeitsraum 22 durch
Verbindungsleitungen 24A, 24X, 25A, 25X mit
dem ersten Wärmetauscherpaar 10A verbunden, und
der zweite Arbeitsraum 23 ist mit dem zweiten Wärmetauscherpaar 10X verbunden.
D. h. die Arbeitsräume 22, 23 sind jeweils
mit einer Verbindungsleitung 24A, 24X mit dem
Verflüssiger des jeweiligen Wärmetauscherpaars 10A, 10X verbunden.
Weiterhin sind die Arbeitsräume 22, 23 jeweils
durch eine Verbindungsleitung 25A, 25X mit dem
Verdampfer des jeweiligen Wärmetauscherpaars 10A, 10X verbunden.
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In
den Verbindungsleitungen 24A, 24X ist jeweils
ein Ventil 40A, 40X angeordnet, das die Verbindung
zwischen dem Arbeitsraum 22, 23 und dem dazugehörigen
Verflüssiger öffnen oder schließen kann.
In der Verbindungsleitung 25A, 25X ist jeweils ein
Ventil 41A, 41X angeordnet, das die Verbindung zwischen
dem Arbeitsraum 22, 23 und dem dazugehörigen
Verdampfer öffnen oder schließen kann. Die Ventile 40A, 40X, 41A, 41X können
einen elektrischen, pneumatischen, hydraulischen oder sonstigen
Antrieb aufweisen, der gemäß einem unten genauer
erklärten Betriebsverfahren aktiviert wird.
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Betrieb Wärmekraftmaschine 2.
Ausführungsbeispiel
-
Der
Betrieb der Wärmekraftmaschine 100 des zweiten
Ausführungsbeispiels läuft nach dem gleichen Prinzip
ab, wie jener des ersten Ausführungsbeispiels. Daher wird
nicht der gesamte Prozess erneut beschrieben.
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Da
der Zylinder 20 beim zweiten Ausführungsbeispiel
zwei Arbeitsräume 22, 23 definiert, finden
im ersten (linken) Wärmetauscherpaar 10A und im
zweiten (rechten) Wärmetauscherpaar 10X zeitlich
versetzte Kreisläufe statt, die sich gegenseitig verstärken.
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Beispielsweise
wird der Kolben 21 während den Takten 5 (Isobare
Verdampfung) und 6 (Isotherme Expansion) des rechten Wärmetauscherpaars 10X nach
links gedrückt. Entsprechend finden im linken Wärmetauscherpaar 10A die
Takte 2 und 3 statt, die den Kolben 21 nach links ziehen.
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Durch
die Kühlung des linken Verflüssigers 11A ist
der eingeschlossene gasförmige Arbeitsstoff auf die untere
Temperaturebene abgekühlt, und der Druck innerhalb des
Verflüssigers 11A entspricht maximal dem Dampfdruck
des Arbeitstoffes bei der Temperatur des Kühlmediums. Ebenso
ist der im rechten Verdampfer 12X eingeschlossene gasförmige
Arbeitsstoff durch die andauernde Aufheizung des Verdampfers 12X aufgeheizt.
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Der
Kolben 21 befindet sich auf der rechten Seite. Das Ventil 40A am
Verflüssiger 11A und das Ventil 41X am
Verdampfer 12X öffnen gleichzeitig. Der niedrige
Druck im linken Verdampfer 11A und der hohe Druck im rechten
Verflüssiger 12X wirken durch die jeweiligen Verbindungsrohre 24A, 25X auf
den Kolben 21. Durch den Druckunterschied der nun auf den
beiden Seiten des Kolbens 21 besteht, wird der Kolben 21 nach
links gedrückt.
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Wenn
der Kolben 21 die Endposition auf der linken Seite erreicht
hat, werden die Ventile 40A und 41X geschlossen.
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Weiterhin
laufen die jeweiligen Kreisprozesse in den linken und rechten Wärmetauscherpaaren 10A, 10X entsprechend
der oben dargestellten Reihenfolge ab (siehe erstes Ausführungsbeispiel).
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Wärmekraftmaschine 3.
Ausführungsbeispiel
-
4 zeigt
eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels
einer Wärmekraftmaschine 200 gemäß der
vorliegenden Erfindung. Ähnlich wie beim zweiten Ausführungsbeispiel
definiert der Zylinder 20 zwei Arbeitsräume 22, 23.
Beim dritten Ausführungsbeispiel ist der linke Arbeitsraum 22 mit
drei Wärmetauscherpaaren 10A, 10B, 10C verbunden,
und der rechte Arbeitsraum 23 mit drei Wärmetauscherpaaren 10X, 10Y, 10Z verbunden. Die
Seite des Zylinders 20, an der sich die Wärmetauscherpaare 10A, 10B und 10C befinden,
wird nachfolgend ”linke Seite” genannt, die Seite
mit den Wärmetauscherpaaren 10X, 10Y und 10Z wird ”rechte
Seite” genannt.
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Die
Wärmekraftmaschine 200 gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel ist aus ähnlichen Teilen aufgebaut,
wie die Wärmekraftmaschine 100. Daher werden für
entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Für
die Teile auf der linken Seite (4) des Zylinders 20 wird
dem Bezugszeichen ein ”A”, ein ”B” oder
ein ”C” angehängt (entsprechend den Wärmetauscherpaaren).
Für die Teile auf der rechten Seite (4)
des Zylinders 20 wird dem Bezugszeichen entsprechend ein ”X”,
ein ”Y” oder ein ”Z” angehängt.
Weiterhin werden die entsprechenden Teile teilweise nicht so ausführlich
beschrieben.
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Die
Wärmekraftmaschine 200 gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel der Erfindung weist sechs Wärmetauscherpaare 10A, 10B, 10C, 10X, 10Y, 10Z einen
Zylinder 20, sechs Arbeitsstoffüberträger 30A, 10B, 30C, 30X, 30Y, 30Z und
Ventile 40A, 40B, 40C, 40X, 40Y, 40Z, 41A, 41B, 41C, 41X, 41Y, 41Z auf.
Die Wärmetauscherpaare 10A–10Z bestehen
jeweils aus einem ersten Wärmetauscher bzw. Verflüssiger 11–11Z (folgend
Verflüssiger) und einem zweiten Wärmetauscher
bzw. Verdampfer 12A–12Z (folgend Verdampfer).
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel hat jeder Verflüssiger 11A–11Z einen
unteren Endteil 13, und jeder Verdampfer 12A–12Z hat
einen oberen Endteil 14.
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Es
sei bemerkt, dass eine Wärmekraftmaschine allgemein auch
mit mehr oder weniger Wärmetauscherpaaren ausgeführt
werden kann. Die Anzahl der Wärmetauscherpaare sollte jedoch
eine gerade Zahl sein.
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Der
obere Endteil 14 sowie die weiter unten beschriebenen Teile
der Wärmekraftmaschine 200 können jeweils
durch eine Isolierung 15 vom Rest der Verdampfer 12A–12Z isoliert
sein. Die Isolierung ist aus einem Material hergestellt, das für
die Drücke und die mechanische Belastung geeignet ist,
aber gleichzeitig ein schlechter Wärmeleiter ist. Die Isolierung 15 wird
zur Minimierung der Wärmeübertragung von den Verdampfern 12A–12Z zum
Rest der Wärmekraftmaschine 200 eingesetzt.
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Die
Verflüssiger 11A–11Z und die
Verdampfer 12A–12Z sind jeweils als Rohr 16 mit
Lammellen 17 dargestellt. Es sei jedoch bemerkt, dass auch
andere geeigneten Formen von Wärmetauschern eingesetzt
werden können. Es sei weiter darauf hingewiesen, dass in
der Zeichnung nur ein Rohr 16 dargestellt ist, dass jedoch
Wärmetauscher mit einer beliebigen Anzahl von Rohren 16 vorgesehen
sein können. Die Wärmetauscherpaare 10A–10Z können auch
eine geeignete Konstruktion für einen Wärmeaustausch
durch Strahlung haben.
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In
den Verdampfern 12A–12Z sind Mittel zur Verteilung
des Arbeitsstoffes über eine große Oberfläche
angeordnet, um einen verbesserten Wärmeübergang
auf den Arbeitsstoff vorzusehen. Die Mittel zur Verteilung können
beispielsweise Metallwolle, Metallfäden, eine Oberflächenstruktur
oder Wärmeübertragungsfinnen aufweisen, die im
Inneren des Verdampfers angeordnet sind. Der Arbeitsstoff wird bei
feinen Oberflächenstrukturen auch durch Kapillarwirkung
verteilt, was eine bessere Wärmeaufnahme von der Wand des
Verdampfers bewirkt. Der Arbeitsstoff wird bei feinen Oberflächenstrukturen
auch durch Kapillarwirkung verteilt, was eine bessere Wärmeaufnahme
von der Wand des Verdampfers bewirkt.
-
Die
Verflüssiger 11A–11Z sind von
einem strömenden Kühlmedium 18 umgeben.
Das Kühlmedium 18 kann gasförmig oder
flüssig sein. Die Verdampfer 12A–12Z sind
von einem strömenden Heizmedium 19 umgeben. Das
Heizmedium 19 kann ebenfalls gasförmig oder flüssig
sein.
-
Die
unteren Endteile 13 der Verflüssiger 11A–11Z und
die oberen Endteile 14 der Verdampfer 12A–12Z sind
jeweils mit einem Arbeitsstoffüberträger 30A–30Z verbunden.
Der jeweilige Arbeitsstoffüberträger 30A–30Z weist
mindestens einen Arbeitsstofftransportraum 31 auf, der
selektiv mit dem entsprechenden Verdampfer 12A–12Z und
mit dem entsprechenden Verflüssiger 11A–11Z verbunden
werden kann.
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Wie
beim ersten Ausführungsbeispiel kann jeder Arbeitsstoffüberträger 30A–30Z mindestens drei
Stellungen einnehmen. In der ersten Stellung ist der Arbeitsstofftransportraum 31A–31Z mit
dem jeweiligen Verflüssiger 11A–11Z verbunden,
jedoch vom Verdampfer 12A–12Z getrennt.
In der zweiten Stellung ist der Arbeitsstofftransportraum 31A–31Z vom
Verflüssiger 11A–11Z und vom
Verdampfer 12A–12Z getrennt. In der dritten
Stellung ist der Arbeitsstofftransportraum 31A–31Z mit
dem Verdampfer 12A–12Z verbunden, jedoch
vom Verflüssiger 11A–11Z getrennt.
Die Arbeitsstoffüberträger 30A–30Z können
einen mechanischen, elektrischen, pneumatischen, hydraulischen oder
sonstigen Antrieb aufweisen, der gemäß einem unten
genauer erklärten Betriebsverfahren aktiviert wird.
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Die
Wärmekraftmaschine 200 weist weiter den Zylinder 20 auf,
in dem ein Kolben 21 angeordnet ist. Genauso wie im zweiten
Ausführungsbeispiel definieren der Zylinder 20 und
der Kolben 21 zwei Arbeitsräume 22, 23.
Die Arbeitsräume 22, 23 sind rechts und
links (in 4) vom Kolben 21 angeordnet.
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Beim
dritten Ausführungsbeispiel ist der erste Arbeitsraum 22 mit
den Wärmetauscherpaaren 10A, 10B, 10C (linke
Gruppe) verbunden, und der zweite Arbeitsraum 23 ist mit
den Wärmetauscherpaaren 10X, 10Y, 10Z (rechte
Gruppe) verbunden.
-
Jeweils
eine Verbindungsleitung 24 verläuft von den Arbeitsräumen 22, 23 in
Richtung der Verflüssiger 11A–11Z der
rechten und linken Gruppen von Wärmetauscherpaaren. Weiterhin
verläuft jeweils eine Verbindungsleitung 25 von
den Arbeitsräumen 22, 23 in Richtung
der Verdampfer 12A–12Z der rechten und
linken Gruppen von Wärmetauscherpaaren. Die Verflüssiger 11A–11Z sind
mit den entsprechenden linken und rechten Verbindungsleitungen 24 durch
Anschlussleitungen 24A–24Z verbunden.
Die Verdampfer 12A–12Z sind mit den entsprechenden linken
und rechten Verbindungsleitungen 25 durch Anschlussleitungen 25A–25Z verbunden.
Die Verbindungsleitungen 24, 25 sind somit als
Sammelleitungen ausgeführt.
-
In
den Anschlussleitungen 24A–24Z ist jeweils
ein Ventil 40A–40Z angeordnet, das die
Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 22, 23 und
dem dazugehörigen Verflüssiger öffnen
oder schließen kann. In der Anschlussleitungen 25A–25Z ist
jeweils ein Ventil 41A–41Z angeordnet,
das die Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 22, 23 und
dem dazugehörigen Verdampfer öffnen oder schließen
kann. Die Ventile 40A–40Z und 41A–41Z können
einen mechanischen, elektrischen, pneumatischen, hydraulischen oder
sonstigen Antrieb aufweisen, der gemäß einem unten
genauer erklärten Betriebsverfahren aktiviert wird.
-
Eine
weitere Variante zur Verbindung der Verflüssiger 11A–11Z und
der Verdampfer 12A–12Z mit den Arbeitsräumen 22, 23 wird
jedoch auch in Betracht gezogen: Die Verflüssiger 11A–11Z könnten
jeweils durch eine eigene Verbindungsleitung 24A–24Z direkt
mit dem entsprechenden Arbeitsraum verbunden sein. Genauso könnten
die Verdampfer 12A–12Z jeweils durch
eine eigene Verbindungsleitung 25A–25Z direkt
mit dem ent sprechenden Arbeitsraum verbunden sein. Die Ventile 40A–40Z und 41A–41Z wären
dann direkt in den Verbindungsleitungen 24A–24Z bzw. 25A–25Z angeordnet.
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Betrieb Wärmekraftmaschine 3.
Ausführungsbeispiel
-
5a bis 5f zeigen
schematisch den Kreislauf der Wärmekraftmaschine 200 aus 4 mit
sechs Wärmetauscherpaaren. Es sei bemerkt, dass ein angepasster
Betriebsablauf auch mit mehr oder weniger Wärmetauscherpaaren
ausgeführt werden kann. Die Anzahl der Wärmetauscherpaare
sollte jedoch eine gerade Zahl sein. Während des Betriebs
werden die Verflüssiger 11A–11Z von
Kühlmedium umströmt, während gleichzeitig
die Verdampfer 12A–12Z durch Heizmedium
eine Wärmezufuhr erfahren.
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Der
Betrieb des dritten Ausführungsbeispiels der Wärmekraftmaschine 200 läuft
mit den gleichen Zustandsänderungen des Arbeitsstoffes
im zuvor beschriebenen geschlossenen Kreislauf ab, wie bei den vorherigen
Ausführungsbeispielen. Daher wird im folgenden hauptsächlich
die Abfolge der Schaltvorgänge der Ventile 40A–40Z, 41A–41Z und
der Arbeitsstoffüberträger 30A–30Z beschrieben.
Um die Beschreibung nicht unnötig zu verlängern,
werden die Zustandsänderungen in den einzelnen Wärmetauscherpaaren 10A–10Z nur
erwähnt, wo dies die Erklärung erleichtert.
-
Die
Zustandsänderungen bzw. Takte des Kreislaufs verlaufen
in folgender Reihenfolge:
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Takt 1 (5a)
-
Öffnen
der Ventile 40A, 41X, Schließen der Ventile 40B, 40C, 40X, 40Y, 40Z, 41A, 41B, 41C, 41Y, 41Z,
Sammeln von kondensiertem Arbeitsstoff in den Arbeitsstoffüberträgern 30A, 30B, 30C, 30X, 30Z.
-
Der
Arbeitsstoff wird durch die Kühlung der Verflüssiger
bei konstantem Volumen in den Verflüssigern 11B, 11C, 11X, 11Y, 11Z auf
die untere Tempe raturebene gekühlt. Der Arbeitsstoff wird
durch die Beheizung der Verdampfer 12A, 12B, 12C, 12Y, 12Z auf
die obere Temperaturebene (9–11)
aufgeheizt. Die Arbeitsstofftransporträume 31A, 31B, 310, 31X, 31Z der
Arbeitsstoffüberträger sind mit den jeweiligen
Verflüssigern 11A, 11B, 11C, 11X, 11Z verbunden.
Der Druck in den Verflüssigern entspricht maximal dem Dampfdruck
des Arbeitstoffes bei der Kühlmediumtemperatur.
-
Der
Kolben 21 befindet sich auf der rechten Seite. Der Druck
im Verdampfer 12X wird zum rechten Arbeitsraum 23 geleitet.
Der durch isochore Wärmeabgabe entstandene Unterdruck im
Verflüssiger 12A ist mit dem linken Arbeitsraum 22 verbunden. Durch
den Druckunterschied der nun auf den beiden Seiten des Kolbens besteht,
wird der Kolben nach links gedrückt.
-
Während
sich der Kolben 21 bewegt, wird das Kondensat vom Verflüssiger 11Y zum
Verdampfer 12Y durch den Arbeitsstoffüberträger 31Y übertragen.
Wenn der Kolben 21 die Endposition auf der linken Seite
erreicht hat, werden die Ventile 40A und 41X geschlossen
und Takt 1 ist beendet.
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Takt 2 (5b)
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Öffnen
der Ventile 41B, 40Z, Schließen der Ventile 40A, 40B, 40C, 40X, 40Y, 41A, 41C, 41Y, 41Y, 41Z,
Sammeln von kondensiertem Arbeitsstoff in den Arbeitsstoffüberträgern 30B, 30C, 30X, 30Y, 30Z.
-
Der
Arbeitsstoff wird durch die Kühlung der Verflüssiger
bei konstantem Volumen in den Verflüssigern 11A, 11B, 11C, 11X, 11Y auf
die untere Temperaturebene gekühlt. Der Arbeitsstoff wird
durch die Beheizung der Verdampfer 12A, 12C, 12X, 12Y, 12Z auf
die obere Temperaturebene (9–11)
aufgeheizt. Die Arbeitsstofftransporträume 31B, 31C, 31X, 31Y, 31Z der
Arbeitsstoffüberträger sind mit den jeweiligen
Verflüssigern 11B, 11C, 11X, 11Y, 11Z verbunden.
Der Druck in den Verflüssigern entspricht maximal dem Dampfdruck
des Arbeitstoffes bei der Kühlmediumtemperatur.
-
Der
Kolben 21 befindet sich auf der linken Seite. Der Druck
im Verdampfer 12B wird zum linken Arbeitsraum 22 geleitet.
Der durch isochore Wärmeabgabe entstandene Unterdruck im
Verflüssiger 12Z ist mit dem rechten Arbeitsraum 23 verbunden.
Durch den Druckunterschied der nun auf den beiden Seiten des Kolbens
besteht, wird der Kolben nach rechts gedrückt.
-
Während
sich der Kolben 21 bewegt, wird das Kondensat vom Verflüssiger 11A zum
Verdampfer 12A durch den Arbeitsstoffüberträger 31A übertragen.
Wenn der Kolben 21 die Endposition auf der rechten Seite
erreicht hat, werden die Ventile 40Z und 41B geschlossen
und Takt 2 ist beendet.
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Takt 3 (5c)
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Öffnen
der Ventile 40C, 41Y, Schließen der Ventile 40A, 40B, 40X, 40Y, 40Z, 41A, 41B, 41C, 41X, 41Z,
Sammeln von kondensiertem Arbeitsstoff in den Arbeitsstoffüberträgern 30A, 30B, 30C, 30X, 30Y.
-
Der
Arbeitsstoff wird durch die Kühlung der Verflüssiger
bei konstantem Volumen in den Verflüssigern 11A, 11B, 11X, 11Y, 11Z auf
die untere Temperaturebene gekühlt. Der Arbeitsstoff wird
durch die Beheizung der Verdampfer 12A, 12B, 12C, 12X, 12Z auf
die obere Temperaturebene (9–11)
aufgeheizt. Die Arbeitsstofftransporträume 31A, 31B, 31C, 31X, 31Y der
Arbeitsstoffüberträger sind mit den jeweiligen
Verflüssigern 11A, 11B, 11C, 11X, 11Y verbunden.
Der Druck in den Verflüssigern entspricht maximal dem Dampfdruck
des Arbeitstoffes bei der Kühlmediumtemperatur.
-
Der
Kolben 21 befindet sich auf der rechten Seite. Der Druck
im Verdampfer 12Y wird zum rechten Arbeitsraum 23 geleitet.
Der durch isochore Wärmeabgabe entstandene Unterdruck im
Verflüssiger 12C ist mit dem linken Arbeitsraum 22 verbunden. Durch
den Druckunterschied der nun auf den beiden Seiten des Kolbens besteht,
wird der Kolben nach links gedrückt.
-
Während
sich der Kolben 21 bewegt, wird das Kondensat vom Verflüssiger 11Z zum
Verdampfer 12Z durch den Arbeitsstoffüberträger 31Z übertragen.
-
Wenn
der Kolben 21 die Endposition auf der linken Seite erreicht
hat, werden die Ventile 40C und 41Y geschlossen
und Takt 3 ist beendet.
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Takt 4 (5d)
-
Öffnen
der Ventile 40X, 41A, Schließen der Ventile 40A, 40B, 40C, 40Y, 40Z, 41B, 41C, 41X, 41Y, 41Z,
Sammeln von kondensiertem Arbeitsstoff in den Arbeitsstoffüberträgern 30A, 30B, 30X, 30Y, 30Z.
-
Der
Arbeitsstoff wird durch die Kühlung der Verflüssiger
bei konstantem Volumen in den Verflüssigern 11A, 11B, 11C, 11Y, 11Z auf
die untere Temperaturebene gekühlt. Der Arbeitsstoff wird
durch die Beheizung der Verdampfer 12B, 12C, 12X, 12Y, 12Z auf
die obere Temperaturebene (9–11)
aufgeheizt. Die Arbeitsstofftransporträume 31A, 31B, 31X, 31Y, 31Z der
Arbeitsstoffüberträger sind mit den jeweiligen
Verflüssigern 11A, 11B, 11X, 11Y, 11Z verbunden.
Der Druck in den Verflüssigern entspricht maximal dem Dampfdruck
des Arbeitstoffes bei der Kühlmediumtemperatur.
-
Der
Kolben 21 befindet sich auf der linken Seite. Der Druck
im Verdampfer 12A wird zum linken Arbeitsraum 22 geleitet.
Der durch isochore Wärmeabgabe entstandene Unterdruck im
Verflüssiger 12X ist mit dem rechten Arbeitsraum 23 verbunden.
Durch den Druckunterschied der nun auf den beiden Seiten des Kolbens
besteht, wird der Kolben nach rechts gedrückt.
-
Während
sich der Kolben 21 bewegt, wird das Kondensat vom Verflüssiger 11C zum
Verdampfer 12C durch den Arbeitsstoffüberträger 31C übertragen.
Wenn der Kolben 21 die Endposition auf der rechten Seite
erreicht hat, werden die Ventile 40X und 41A geschlossen
und Takt 4 ist beendet.
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Takt 5 (5e)
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Öffnen
der Ventile 40B, 41Z, Schließen der Ventile 40A, 40C, 40X, 40Y, 40Z, 41A, 41B, 41C, 41X, 41Y,
Sammeln von kondensiertem Arbeitsstoff in den Arbeitsstoffüberträgern 30A, 30B, 30C, 30Y, 30Z.
-
Der
Arbeitsstoff wird durch die Kühlung der Verflüssiger
bei konstantem Volumen in den Verflüssigern 11A, 11C, 11X, 11Y, 11Z auf
die untere Temperaturebene gekühlt. Der Arbeitsstoff wird
durch die Beheizung der Verdampfer 12A, 12B, 12C, 12X, 12Y auf
die obere Temperaturebene (9–11)
aufgeheizt. Die Arbeitsstofftransporträume 31A, 31B, 31C, 31Y, 31Z der
Arbeitsstoffüberträger sind mit den jeweiligen
Verflüssigern 11A, 11B, 11C, 11Y, 11Z verbunden.
Der Druck in den Verflüssigern entspricht maximal dem Dampfdruck
des Arbeitstoffes bei der Kühlmediumtemperatur.
-
Der
Kolben 21 befindet sich auf der rechten Seite. Der Druck
im Verdampfer 12Z wird zum rechten Arbeitsraum 23 geleitet.
Der durch isochore Wärmeabgabe entstandene Unterdruck im
Verflüssiger 12B ist mit dem linken Arbeitsraum 22 verbunden. Durch
den Druckunterschied der nun auf den beiden Seiten des Kolbens besteht,
wird der Kolben nach links gedrückt.
-
Während
sich der Kolben 21 bewegt, wird das Kondensat vom Verflüssiger 11X zum
Verdampfer 12X durch den Arbeitsstoffüberträger 31X übertragen.
Wenn der Kolben 21 die Endposition auf der linken Seite
erreicht hat, werden die Ventile 40B und 41Z geschlossen
und Takt 5 ist beendet.
-
Takt 6 (5f)
-
Öffnen
der Ventile 40Y, 41C, Schließen der Ventile 40A, 40B, 40C, 40X, 40Z, 41A, 41B, 41X, 41Y, 41Z,
Sammeln von kondensiertem Arbeitsstoff in den Arbeitsstoffüberträgern 30A, 30C, 30X, 30Y, 30Z.
-
Der
Arbeitsstoff wird durch die Kühlung der Verflüssiger
bei konstantem Volumen in den Verflüssigern 11A, 11B, 11C, 11X, 11Z auf
die untere Temperaturebene gekühlt. Der Arbeitsstoff wird
durch die Beheizung der Verdampfer 12A, 12B, 12X, 12Y, 12Z auf
die obere Temperaturebene (9–11)
aufgeheizt. Die Arbeitsstofftransporträume 31A, 31C, 31X, 31Y, 31Z der
Arbeitsstoffüberträger sind mit den jeweiligen
Verflüssigern 11A, 11C, 11X, 11Y, 11Z verbunden.
Der Druck in den Verflüssigern entspricht maximal dem Dampfdruck
des Arbeitstoffes bei der Kühlmediumtemperatur.
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Der
Kolben 21 befindet sich auf der linken Seite. Der Druck
im Verdampfer 12C wird zum linken Arbeitsraum 22 geleitet.
Der durch isochore Wärmeabgabe entstandene Unterdruck im
Verflüssiger 12Y ist mit dem rechten Arbeitsraum 23 verbunden.
Durch den Druckunterschied der nun auf den beiden Seiten des Kolbens
besteht, wird der Kolben nach rechts gedrückt.
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Während
sich der Kolben 21 bewegt, wird das Kondensat vom Verflüssiger 11B zum
Verdampfer 12B durch den Arbeitsstoffüberträger 31B übertragen.
Wenn der Kolben 21 die Endposition auf der rechten Seite
erreicht hat, werden die Ventile 40Y und 41CA geschlossen
und Takt 6 ist beendet.
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Danach
werden die Takte 1 bis 6 erneut ausgeführt.
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Wärmekraftmaschine 4.
Ausführungsbeispiel
-
6 zeigt
eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels
einer Wärmekraftmaschine 300 gemäß der
vorliegenden Erfindung. Anders als beim dritten Ausführungsbeispiel
ist anstelle des Zylinders 20 ein Drehkolbenmotor vorgesehen.
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Durch
das Gehäuse 50 des Drehkolbenmotors und den dreieckigen
Rotor 51 werden drei Arbeiträume definiert. Weil
durch die ungleiche Anzahl der Arbeitsräume die Verteilung
der Räume immer wechselseitig im Bezug auf die Anschlüsse
der Verbindungsrohre unterschiedlich sind, werden zwei Arbeitsräume 22 und 23 definiert,
wobei immer einer dieser Arbeiträume in zwei separate Räume
unterteilt ist. Der geteilte Arbeitsraum wird dann mit den Anhängen ”a” und ”b” bezeichnet.
Die Arbeitsräume sind somit die Räume 23, 22a und 22b,
oder die Arbeitsräume sind die Räume 22, 23a und 23b.
In 6 wird der ”oben” angeordnete
Arbeitraum mit 22 und der ”untere” Arbeitsraum
mit 23 bezeichnet.
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Beim
vierten Ausführungsbeispiel ist der obere Arbeitsraum 22 mit
dem Verflüssiger 11A und dem Verdampfer 12X verbunden.
Der untere Arbeitsraum 23b ist mit dem Verflüssiger 11X verbunden, und
der Arbeitsraum 23a ist mit dem Verdampfer 12A verbunden.
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Der
Rest der Wärmekraftmaschine 300 gemäß dem
vierten Ausführungsbeispiel ist aus ähnlichen
Teilen aufgebaut, wie die Wärmekraftmaschine 200.
Daher werden für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen
verwendet. Für die Teile auf der linken Seite (der 6)
des Drehkolbenmotors 50 wird dem Bezugszeichen ein ”A” angehängt,
und für die Teile auf der rechten Seite (der 6)
des Zylinders 20 wird dem Bezugszeichen entsprechend ein ”X” angehängt.
Weiterhin werden die entsprechenden Teile teilweise nicht so ausführlich
beschrieben.
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Die
Wärmekraftmaschine 300, gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel der Erfindung, weist zwei Wärmetauscherpaare 10A und 10X,
einen Drehkolbenmotor 50, zwei Arbeitsstoffüberträger 30A und 30X und
vier Ventile 40A, 40X, 41A und 41X auf.
Die Wärmetauscherpaare 10A und 10X bestehen
jeweils aus einem ersten Wärmetauscher bzw. Verflüssiger 11A und 11X (folgend
Verflüssiger) und jeweils einem zweiten Wärmetauscher
bzw. Verdampfer 12A und 12X (folgend Verdampfer).
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel hat jeder Verflüssiger 11A, 11X einen
unteren Endteil 13, und jeder Verdampfer 12A, 12X hat
einen oberen Endteil 14.
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Der
obere Endteil 14 der einzelnen Verdampfer, sowie die weiter
unten beschriebenen Teile der Wärmekraftmaschine 200 können
jeweils durch eine Isolierung 14A und 14X vom
Rest der Verflüssiger 12A–12X isoliert
sein. Die Isolierung ist aus einem Material, das für die
Drücke und die mechanische Belastung geeignet ist, aber
gleichzeitig ein schlechter Wärmeleiter ist. Die Isolierung 14A, 14X wird
zur Minimierung der Wärmeübertragung von den Verdampfern 12A, 12X zum
Rest der Wärmekraftmaschine 300 eingesetzt.
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Die
Verflüssiger 11a und 11X und die Verdampfer 12A und 12X sind
jeweils als Rohr 16 mit Lammellen 17 dargestellt.
Es sei jedoch bemerkt, dass auch andere geeigneten Formen von Wärmetauschern
eingesetzt werden können. Es sei weiter darauf hingewiesen,
dass in der Zeichnung nur ein Rohr 16 dargestellt ist,
das jedoch Wärmetauscher mit einer beliebigen Anzahl von
Rohren 16 vorgesehen sein können. Die Wärmetauscherpaare 10A und 10X können
auch eine geeignete Konstruktion für einen Wärmeaustausch
durch Strahlung haben.
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In
den Verdampfern 12A und 12X sind Mittel zur Verteilung
des Arbeitsstoffes über eine große Oberfläche
angeordnet, um einen verbesserten Wärmeübergang
auf den Arbeitsstoff vorzusehen. Die Mittel können beispielsweise
Metallwolle, Metallfäden, Gewebe oder eine Oberflächenstruktur
aufweisen, die im Inneren des Verdampfers angeordnet sind und mittels
Kapillarstruktur den flüssigen Arbeitsstoff gleichmäßig über
die Innenoberfläche verteilen.
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Die
Verflüssiger 11A und 11X sind von einem strömenden
Kühlmedium 18 umgeben. Das Kühlmedium 18 kann
gasförmig oder flüssig sein. Die Verdampfer 12A und 12X sind
von einem strömenden Heizmedium 19 umgeben. Das
Heizmedium 19 kann ebenfalls gasförmig oder flüssig
sein. Die unteren Endteile 13 der Verflüssiger 11A und 11X und
die oberen Endteile 14 der Verdampfer 12A und 12X sind jeweils
mit einem Arbeitsstoffüberträger 30A und 30X verbunden.
Der jeweilige Arbeitsstoffüberträger 30A und 30X weist
mindestens einen Arbeitsstofftransportraum 31 auf, der
selektiv mit dem entsprechenden Verdampfer 12A und 12X und
mit dem entsprechenden Verflüssiger 11A und 11X verbunden
werden kann.
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Wie
beim den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen kann
jeder Arbeitsstoffüberträger 30A und 30X mindestens
drei Stellungen einnehmen. In der ersten Stellung ist der Arbeitsstofftransportraum 31 mit
dem unteren Endteil 13 des Verflüssigers verbunden.
In der zweiten Stellung ist der Arbeitsstofftransportraum 31 vom
Verflüssiger und vom Verdampfer getrennt. In der dritten
Stellung ist der Arbeitsstofftransportraum 31 mit dem oberen Endteil 14 des
Verdampfers verbunden. Die Arbeitsstoffüberträger 30A und 30X können
einen mechanischen elektrischen, pneumatischen, hydraulischen oder
sonstigen Antrieb aufweisen, der zeitabhängig gemäß einem
unten genauer erklärten Betriebsverfahren aktiviert wird.
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Betrieb der Wärmekraftmaschine
im 4. Ausführungsbeispiel
-
Der
Betrieb der Wärmekraftmaschine 300 des vierten
Ausführungsbeispiels läuft anders ab als in den
vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen. Daher wird
der Prozess hier genauer beschrieben.
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Da
der Drehkolben beim vierten Ausführungsbeispiel die drei
Arbeitsräume 23, 22a und 22b oder 22, 23a und 23b definiert,
finden im ersten (linken) Wärmetauscherpaar 10A und
im zweiten (rechten) Wärmetauscherpaar 10X zeitlich
versetzte Kreisläufe statt, die sich gegenseitig verstärken.
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Als
Ausgangspunkt der nachfolgenden Erklärung wird die Darstellung
in 6 zugrunde gelegt. Der Drehkolben befindet sich
in einer Lage, bei der einer der Dreieckspunkte 51A senkrecht
nach unten weist, während sich die Eckpunkte 51B rechts und 51C links
an den Anschlussstellen der Verbindungsleitungen 25X rechts
und 24A links befinden.
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In
der momentanen Darstellung der 6 wird der
Drehkolben 51 wegen seine Exzentrizität zur Antriebswelle 53 während
der Takte 5 (isobare Verdampfung) und 6 (isotherme Expansion) des
linken Verdampfers 12A, die einen Überdruck im
Arbeitsraum 23a erzeugen, gegen den Uhrzeigersinn nach rechts
gedrückt. Entsprechend finden im rechten Verflüssiger 11X die
Takte 2 (isotherme Verdichtung) und 3 (isobare Verflüssigung)
statt, die einen Unterdruck in dem Arbeitsraum 23b erzeugen
und den Drehkolben 51 gegen den Uhrzeigersinn nach rechts
ziehen.
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Bei
einer weiteren Drehung gegen den Uhrzeigersinn, weg von der in 6 dargestellten
Position, werden die Anschlüsse der Verbindungsleitungen 24X und 25X durch
den gleichen Arbeitsraum verbunden. Das Ventil 41X ist
dabei geschlossen, bis die nächste Spitze des Drehkolbens 51A diese
beiden Anschlüsse in zwei unterschiedliche Arbeitsräume
trennt. Unmittelbar nach dem Überfahren des Anschlusses
der Verbindungsleitung 24X auf der rechten Seite (der 6)
durch die Drehkolbenspitze 51A, schließt das Ventil 40X,
damit es beim nachfolgenden Öffnen eines gemeinsamen Arbeitsraum
zu keinem Überströmen zwischen den Anschlüssen
der Verbindungsleitungen 40X und 41X und somit
zwischen dem Verflüssiger 11X und dem Verdampfer 12X kommt.
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Auf
der linken Seite des Drehkolbenmotors bewegt sich gleichzeitig die
Kolbenspitze 51C weg vom Anschluss der Leitung 24A in
Richtung des Anschlusses der Leitung 25A. Das Ventil 41A schließt bevor
die Kolbenspitze 51C den Anschluss der Leitung 25A überfährt,
damit von dem daraus entstehenden gemeinsamen Arbeitsraum kein Kurzschluss bzw. Überströmen
zwischen dem Verflüssiger 11A und Verdampfer 12A verursacht
wird.
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Durch
die Kühlung des linken Verflüssigers 11A ist
der eingeschlossene gasförmige Arbeitsstoff auf die untere
Temperaturebene abgekühlt. Der Druck innerhalb des Verflüssigers 11A entspricht
maximal dem Dampfdruck des Arbeitstoffes bei der Temperatur des
Kühlmediums. Ebenso ist der im rechten Verdampfer 12X eingeschlossene
gasförmige Arbeitsstoff durch die andauernde Aufheizung
des Verdampfers 12X aufgeheizt.
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Der
Kolben 51 definiert nun mit dem Eckpunkt 51B zwei
Arbeitsräume 22a und 22b, (nebst einem
dritten Arbeitsraum 23). Dabei befindet sich der Anschluss
des Verflüssigers 11A im linken Arbeitsraum 22b,
und der Anschluss des Verdampfers 12X befindet sich im
rechten Arbeitsraum 22a. Das Ventil 40A beim Verflüssiger 11A und
das Ventil 41X beim Verdampfer 12X werden geöffnet.
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Der
niedrige Druck im linken Verflüssiger 11A und
der hohe Druck im rechten Verdampfer 12X wirken durch die
jeweiligen Verbindungsrohre 24A, 25X auf den nun
nach oben exzentrisch gelagerten Drehkolben 51. Durch den
Druckunterschied, der nun in den Arbeitsräumen 22a und 22b entsteht,
wird der Drehkolben 51 weiter gegen den Uhrzeigersinn gedreht.
Während dieses Vorganges bleiben die Ventile 41A und 40X geschlossen.
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Bevor
die Drehkolbenecke 51B die Anschlussstelle des Verbindungsrohres 24A überfährt, werden
die Ventile 40A und 41X geschlossen.
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Der
Drehkolben definiert nun wieder zwei Arbeitsräume 23a und 23b ”unten” in 6.
Sobald der Eckpunkt 51B den Anschlusspunkt der Leitung 24A überfahren
hat öffnen sich die Ventile 41A und 40X und
der Vorgang wiederholt sich, wobei sich nun Eckpunkt 51 unten
befindet.
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Wärmekraftmaschine 5.
Ausführungsbeispiel
-
7 zeigt
eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels
einer Wärmekraftmaschine 400 gemäß der
vorliegenden Erfindung. Genauso wie beim vierten Ausführungsbeispiel
ist als Antrieb ein Drehkolbenmotor 50 vorgesehen. Aber
anders als beim vierten Ausführungsbeispiel ist der obere
Arbeitsraum 22 mit mehreren Verflüssigern 11A, 11B und 11C sowie
mit mehreren Verdampfern 12X, 12Y und 12Z verbunden,
und der untere Arbeitsraum 23 mit dem Verflüssiger 11X, 11Y und 11Z sowie
mit Verdampfern 12A, 12B und 12C verbunden.
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Der
Rest der Wärmekraftmaschine 400 gemäß dem
fünften Ausführungsbeispiel ist aus ähnlichen
Teilen aufgebaut, wie die Wärmekraftmaschine 300.
Daher werden für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen
verwendet. Für die Teile auf der linken Seite (6)
des Drehkolbenmotors 50 werden den Bezugszeichen ein ”A”,
ein ”B” oder ein ”C” angehängt
(entsprechend den Wärmetauscherpaaren). und für
die Teile auf der rechten Seite (6) des Drehkolbenmotors
wird dem Bezugszeichen entsprechend ein ”X”, ein ”Y” oder
ein ”Z” angehängt. Weiterhin werden die
entsprechenden Teile teilweise nicht so ausführlich beschrieben.
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Die
Wärmekraftmaschine 400 gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel der Erfindung weist sechs Wärmetauscherpaare 10A, 10B, 10C, 10X, 10Y, 10Z einen
Drehkolbenmotor 50, weiter sechs Arbeitsstoffüberträger 30A, 30B, 30C, 30X, 30Y, 30Z und
zwölf Ventile 40A, 40B, 40C, 40X, 40Y, 40Z, 41A, 41B, 41C, 41X, 41Y, 41Z auf.
Die Wärmetauscherpaare 10A–10Z bestehen
jeweils aus einem ersten Wärmetauscher bzw. Verflüssiger 11A–11Z (folgend
Verflüssiger) und einem zweiten Wärmetauscher
bzw. Verdampfer 12A–12Z (folgend Verdampfer).
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel hat jeder Verflüssiger 11A–11Z einen
unteren Endteil 13, und jeder Verdampfer 12A–12Z hat
einen oberen Endteil 14.
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Der
obere Endteil 14 der einzelnen Wärmetauscher sowie
die weiter unten beschriebenen Teile der Wärmekraftmaschine 400 können
jeweils durch eine Isolierung 15 vom Rest der Verdampfer 12A–12Z isoliert
sein. Die Isolierung ist aus einem Material, das für die
Drücke und die mechanische Belastung geeignet, aber gleichzeitig
ein schlechter Wärmeleiter ist. Die Isolierung 15 wird
zur Minimierung der Wärmeübertragung von den Verdampfern 12A–12Z zum
Rest der Wärmekraftmaschine 400 eingesetzt.
-
Die
Verflüssiger 11–11Z und die
Verdampfer 12A–12Z sind jeweils als Rohr 16 mit
Lammellen 17 dargestellt. Es sei jedoch bemerkt, dass auch
andere geeigneten Formen von Wärmetauschern eingesetzt werden
können. Es sei weiter darauf hingewiesen, dass in der Zeichnung
nur ein Rohr 16 dargestellt ist, wobei jedoch Wärmetauscher
mit einer beliebigen Anzahl von Rohren 16 vorgesehen sein
können. Die Wärmetauscherpaare 10A–10Z können
auch eine geeignete Konstruktion für einen Wärmeaustausch durch
Strahlung haben.
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In
den Verdampfern 12A–12Z sind, wie bei den
anderen Ausführungsbeispielen, Mittel zur Verteilung des
Arbeitsstoffes 25 über eine große Oberfläche
angeordnet, um einen verbesserten Wärmeübergang
auf den Arbeitsstoff vorzusehen.
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Die
Verflüssiger 11A–11Z sind von
einem strömenden Kühlmedium 18 umgeben.
Das Kühlmedium 18 kann gasförmig oder
flüssig sein. Die Verdampfer 12A–12Z sind
von einem strömenden Heizmedium 19 umgeben. Das
Heizmedium 19 kann ebenfalls gasförmig oder flüssig
sein. Die unteren Endteile 13 der Verflüssiger 11A–11Z und
die oberen Endteile 14 der Verdampfer 12A–12Z sind
jeweils mit einem Arbeitsstoffüberträger 30A–30Z verbunden. Der
jeweilige Arbeitsstoffüberträger 30A–30Z weist mindestens
einen Arbeitsstofftransportraum 31 auf, der selektiv mit
dem entsprechenden Verdampfer 12A–12Z und
mit dem entsprechenden Verflüssiger 11A–11Z verbunden
werden kann.
-
Wie
bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen kann
jeder Arbeitsstoffüberträger 30A–30Z mindestens
drei Stellungen einnehmen. In der ersten Stellung ist der Arbeitsstofftransportraum 31 mit
dem unteren Endteil 13 des Verflüssigers verbunden.
In der zweiten Stellung ist der Arbeitsstofftransportraum 31 vom
Verflüssiger 11A–11Z und vom Verdampfer
getrennt. In der dritten Stellung ist der Arbeitsstofftransportraum 31 mit
dem oberen Endteil 14 des Verdampfers 12A–12Z verbunden.
Die Arbeitsstoffüberträger 30A–30Z können
einen mechanischen elektrischen, pneumatischen, hydraulischen oder
sonstigen Antrieb aufweisen, der zeitabhängig gemäß einem
unten genauer erklärten Betriebsverfahren aktiviert wird.
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Betrieb der Wärmekraftmaschine
gemäß dem 5. Ausführungsbeispiel
-
Der
Betrieb der Wärmekraftmaschine im dritten Ausführungsbeispiel
ist schematisch in den 8a bis 8f dargestellt.
-
Takt 1 (8a)
-
Durch
die Kühlung des Verflüssigers 11A ist das
eingeschlossene Arbeitsgas auf die untere Temperaturebene abgekühlt,
und der Druck innerhalb des Verflüssigers 11A entspricht
maximal dem Dampfdruck des Arbeitstoffes bei der Kühlmediumtemperatur.
Ebenso ist der im Verdampfer 12X eingeschlos sener Arbeitsstoff
durch die ständige Beheizung des Verdampfers 12X ausreichend
beheizt.
-
Der
Drehkolben 51 ist, wie in 8a dargestellt,
mit dem Eckpunkt 51A nach oben gerichtet. Die Ventile 40A am
Verflüssiger 11A und 41X am Verdampfer 12X sind
geöffnet. Die Drücke im Verdampfer 11A und
im Verflüssiger 12X setzen sich durch die jeweiligen
Verbindungsrohre 24 und 24A sowie 25 und 25X bis
in die Arbeitsräumen 22a und 22b fort. Durch
den Druckunterschied, der zwischen dem Arbeitsraum 22a und
dem Arbeitsraum 22b auf den beiden Seiten des exzentrischen
Teils des Drehkolbens 51 besteht, wird der Drehkolben gegen
den Uhrzeigersinn gedreht.
-
Während
sich der Drehkolben dreht, wird das Kondensat vom Verflüssiger 11Y zum
Verdampfer 12Y durch den Arbeitsstoffüberträger 30Y übertragen.
Sobald der Eckpunkt 51A des Drehkolbens 51 die
Anschlussstelle des Verbindungsrohrs 24 auf der linken
Seite erreicht, werden die Ventile 40A und 41X geschlossen
und Takt 1 ist beendet.
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Takt 2 (8b)
-
Inzwischen
ist der Arbeitsstoff im Verdampfer 12B ausreichend beheizt,
und der Arbeitsstoff im Verflüssiger 11Z ist ausreichend
gekühlt. Die Ventile 41B am Verdampfer 12B und 40Z am
Verflüssiger 11Z werden gleichzeitig geöffnet,
sobald der Eckpunkt 51A den Anschluss der Leitung 24 auf
der linken Seite überfahren hat und der Eckpunkt 51C den
Anschluss der Leitung 25 auf der rechten Seite überfahren
hat. Die Drücke im Verdampfer und im Verflüssiger
setzen sich durch die jeweiligen Verbindungsrohre 25B sowie 24Z bis
in den Arbeitszylinder 20 fort. Durch den Druckunterschied
der nun zwischen den Arbeitsräumen 23a und 23b auf
den beiden Seiten des Drehkolbens 51 besteht, wird der
Kolben weiter gegen den Uhrzeigersinn gedreht.
-
Während
sich der Drehkolben 51 weiter dreht wird das Kondensat
vom Verflüssiger 11A zum Verdampfer 12A durch
den Arbeitsstoffüberträger 30A übertragen.
Sobald der Eckpunkt 51B des Drehkolbens 51 die
Anschlussstelle des Verbindungsrohrs 24 auf der rechten
Seite erreicht, werden die Ventile 41B und 40Z geschlossen,
und Takt 2 ist beendet.
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Takt 3 (8c)
-
In
gleicher Weise wie in Takt 1 beschrieben, wird in Takt 3 der Drehkolben 51 durch
Einwirken der Drücke aus dem Verdampfer 12Y und
dem Verflüssiger 11C und den daraus resultierenden
Druckunterschied weiter gegen den Uhrzeigersinn gedreht, während
der flüssige kondensierte Arbeitsstoff aus dem Verflüssiger 11Z in
den Verdampfer 12Z übertragen wird.
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Takt 4 (8d)
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Wie
in Takt 2 beschrieben, wird in Takt 4 der Drehkolben 51 durch
Einwirkung der Drücke aus Verdampfer 12A und Verflüssiger 11X und
den daraus resultierenden Druckunterschied, der nun zwischen den
Arbeitsräumen 23a und 23b auf den beiden
Seiten des Drehkolbens 51 entsteht, weiter gegen den Uhrzeigersinn
gedreht, während der flüssige kondensierte Arbeitsstoff
aus dem Verflüssiger 11C in den Verdampfer 12C übertragen
wird.
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Takt 5 (8e)
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In
gleicher Weise wie in Takt 1 beschrieben, wird in Takt 5 der Drehkolben 51 durch
Einwirken der Drücke aus Verdampfer 12Z und Verflüssiger 11B und
den daraus resultierenden Druckunterschied, der nun zwischen den
Arbeitsräumen 22a und 22b auf den beiden
Seiten des Drehkolbens 51 entsteht, weiter gegen den Uhrzeigersinn
gedreht, während der flüssige kondensierte Arbeitsstoff
aus dem Verflüssiger 11X in den Verdampfer 12X übertragen
wird.
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Takt 6 (8f)
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Wie
in Takt 2 beschrieben, wird in Takt 6 der Drehkolben 51 durch
Einwirkung der Drücke aus Verdampfer 12C und Verflüssiger 11Y und
den daraus resultierenden Druckunterschied, der nun zwischen den
Arbeitsräumen 23a und 23b auf den beiden
Seiten des Drehkolbens 51 entsteht, weiter gegen den Uhrzeigersinn
gedreht, während der flüssige kondensierte Arbeitsstoff
aus dem Verflüssiger 11B in den Verdampfer 12B übertragen
wird.
-
Nach
Takt 6 beginnt der Prozess wieder von neuem mit Takt 1.
-
Hier
sei nochmals darauf hingewiesen, dass, obwohl hier in einigen Ausführungsbeispielen
sechs Wärmetauscherpaare 10 beschrieben wurden,
trotzdem eine beliebige Anzahl von Wärmetauschern eingesetzt
werden kann. Die Anzahl der Wärmetauscherpaare auf der
linken Seite muss aber der Anzahl auf der rechten Seite entsprechen.
-
Allgemein
gilt für alle Ausführungsbeispiele der Wärmekraftmaschine,
dass eine schnelle Verdampfung des in einen Verdampfer eingeleiteten Kondensates
vorteilhaft ist, um die Leistung zu erhöhen und die Taktzeiten
zu verringern. Die Mittel zur Verteilung können beispielsweise
Metallwolle, Metallfäden, eine Oberflächenstruktur
oder Wärmeübertragungsfinnen aufweisen, die im
Inneren des Verdampfers angeordnet sind. Weiterhin wird in Betracht
gezogen, das Kondensat in den Verdampfer einzuspritzen.
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Bei
allen gezeigten Ausführungsbeispielen kann die Wärmekraftmaschine 1, 100, 200, 300, 400 eine
Maschine antreiben. In Verbindung mit einem Lineargenerator kann
die Bewegung und Arbeit des Kolbens direkt in elektrischen Strom
umgesetzt werden. Die Kolbenbewegung wird alternativ durch ein Pleuelgestänge
an eine Kurbelwelle mit einem Schwungrad übertragen (beides
nicht gezeigt), so dass die verrichtete Arbeit durch die rotierende
Kurbelwelle abgegeben werden kann. Bei einer Ausführung
der Wärmekraftmaschine 300, 400 mit Drehkolbenmotor
kann die Arbeit durch einen herkömmlichen (rotierenden)
Generator in elektrischen Strom umgesetzt werden.
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Da
die Ausnutzung der Wärme durch eine einzelne Wärmekraftmaschine
durch den erreichbaren Temperaturabfall über die Wärmetauscher 10 begrenzt
ist, wird in Betracht gezogen, eine beliebige Anzahl dieser Wärme kraftmaschinen
in Reihe hintereinander zu schalten. Das Heizmedium durchströmt dabei
die einzelnen Wärmekraftmaschinen kaskadenartig. Ebenso
durchströmt das Kühlmedium hierbei die Wärmekraftmaschinen
in gleicher Weise kaskadenartig aber in entgegengesetzter Richtung
und in umgekehrter Reihenfolge wie das Heizmedium.
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Das
Heizmedium nimmt bei der Durchströmung der einzelnen Wärmekraftmaschinen
an Temperatur ab. Die Temperatur des Kühlmediums nimmt hingegen
beim Durchströmen der einzelnen Wärmekraftmaschinen
zu. Wegen des Gegenstromprinzips bleibt eine Temperaturdifferenz
zwischen Heiz- und Kühlmedium mehr oder weniger erhalten.
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In
den einzelnen in Reihe geschalteten Wärmekraftmaschinen
werden dabei unterschiedliche Arbeitsstoffe eingesetzt, welche jeweils
auf das entsprechende Temperaturniveau abgestimmt sind.
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Es
können alternativ auch mehrere Wärmekraftmaschinen,
durch welche hintereinander warmes Medium fließt, einzeln
durch das Kühlmedium bei jeweils gleicher Temperatur durchströmt
werden.
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Bei
der vorliegenden Erfindung sind die Wärmetauscherpaare
10 stationär
und rotieren nicht, wie in der Druckschrift
DE 102005013287 beschrieben, um
den Arbeitsmotor herum. Die Verflüssiger
11 sind dabei
oben und die Verdampfer
12 unten angeordnet. Der Verflüssiger
11 und
der Verdampfer
12 können ständig von
dem Heiz- bzw. Kühlmedium umströmt werden.
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Die
Innenräume von Verflüssiger und Verdampfer eines
Wärmetauscherpaares
10 sind im Gegensatz zu der
in der Druckschrift
DE 102005013287 beschriebenen
Wärmekraftmaschine nie miteinander verbunden. Aus diesem
Grunde ist für den Verflüssiger
11 und
Verdampfer
12 jeweils ein eigenes Ventil
40 bzw.
41 erforderlich.
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Die
Innenräume der Verflüssiger 11 und Verdampfer 12 sind
durch den Arbeitsstoffüberträger 30 voneinander
getrennt, wobei der Arbeitsstoffüberträger 30 die
kondensierten Arbeitsstoff vom Verflüssiger 11 in
den Verdampfer 12 befördert, ohne dass ein Druckausgleich
zwischen den beiden stattfindet.
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Bei
dieser Erfindung kann ein Drehkolbenmotor, oder eine andere Rotationsmaschine,
an Stelle eines Zylinders mit Kolben eingesetzt werden, bei dem
die einzelnen Zustandsänderungen des Arbeitsstoffes direkt
auf den Drehkolben einwirken.
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Die
Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben. Dem Fachmann sind jedoch zahlreiche Abwandlungen und
Ausgestaltungen möglich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke
verlassen wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005013287
B3 [0005]
- - DE 102005013287 [0172, 0173]