-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Umwandlung von Abwärme.
-
Im
Stand der Technik sind zahlreiche Vorrichtung zur Umwandlung von
Abwärme
bekannt, die üblicherweise
nach den ihnen zugrunde liegenden thermodynamischen Kreisprozessen
klassifiziert werden. So werden typischerweise die in den Maschinen
ablaufenden Prozesse mittels so genannter idealisierter Vergleichsprozesse
klassifiziert. Ein solcher idealisierter Vergleichsprozess ist beispielsweise
der Carnot-Prozess, der sowohl im Gasgebiet als prinzipiell auch
im Nassdampfgebiet der Zustanddiagramme ablaufen kann. Dabei erfolgt
im Carnot-Prozess zunächst
eine isentrope Verdichtung, anschließend eine isotherme reversible
Energieübertragung
in Form von Wärme
und Arbeit, anschließend
eine isentrope Entspannung und abschließend eine isotherme reversible
Energieübertragung
in Form von Wärme und
Arbeit. Ein weiterer idealisierter Vergleichsprozess ist der so
genannte Joule-Prozess,
der sich vom Carnot-Prozess dadurch unterscheidet, dass der Energieübertrag
isobar anstatt isotherm verläuft.
Beim Joule-Prozess erfolgt kein Phasenwechsel des Arbeitsmediums.
Einen solchen idealisierten Vergleichsprozess mit Phasenwechsel
des Arbeitsmediums, zum Beispiel im Gas-, Zweiphasen- und Flüssigkeitsgebiet,
beschreibt der so genannte Clausius-Rankine-Prozess. Dieser unterscheidet
sich vom Joule-Prozess dadurch, dass im Verlauf des Prozesses ein
Phasenwechsel des Arbeitsmediums stattfindet. Beim Clausius-Rankine-Prozess
erfolgt zunächst
eine isentrope Druckerhöhung,
anschließend eine
isobare reversible Energieübertragung
in Form von Wärme
mit Phasenwechsel des Arbeitsmediums, dann eine isentrope Druckabsenkung
und schließlich
eine isobare reversible Energieübertragung
in Form von Wärme
mit Phasenwechsel des Arbeitsmediums. Der vierte idealisierte Vergleichsprozess
ist der so genannte Seiliger-Prozess, der speziell als Vergleichsprozess
für in
Verbrennungsmotoren (Otto- und Diesel-Motoren) auftretende Kreisprozesse
eingeführt
wurde. Beim Seiliger-Pozess erfolgt zunächst eine isentrope Verdichtung
des Arbeitsmediums, anschließend
eine isochore reversible Energieübertragung
in Form von Wärme
sowie anschließend
eine isobare reversible Energieübertragung
in Form von Wärme,
sodann eine isentrope Entspannung und abschließend eine isochore reversible
Energieübertragung
in Form von Wärme.
Diese idealisierten Vergleichsprozesse können zum Verständnis der
vorliegenden Erfindung dienen und geben dem Fachmann ein Mittel
an die Hand, das reale Maschinenkonzept gegenüber einer idealisierten Arbeitsmaschine
zu prüfen.
-
Es
besteht ein ständiger
Bedarf an der Bereitstellung mechanischer Energie, sei es zur Bewegung
von Fahrzeugen, zum Antrieb elektrischer Generatoren oder aber zum
Betrieb von Arbeitsmaschinen wie etwa Bohrern, Pumpen oder ähnlichem.
Zurzeit wird ein Großteil
dieser mechanischen Arbeit durch Verbrennungskraftmaschinen bereitgestellt, bei
denen thermische Energie durch die Verbrennung eines Mediums, insbesondere
von Otto- oder Dieselkraftstoff, zugeführt wird. In Anbetracht der
begrenzten Ressourcen fossiler Energieträger sowie des nachteiligen
Einflusses der bei der Verbrennung erzeugten Abgase ist es jedoch
wünschenswert,
die mechanische Arbeit nicht durch eine Verbrennungskraftmaschine
sondern durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von Abwärme bereitzustellen,
der thermische Energie in Form eines äußeren Wärmeübergangs zugeführt wird.
Auf diese Weise können
beispielsweise natürliche
Wärmequellen
genutzt werden. Ebenfalls können
durch Vorrichtungen zur Umwandlung von Abwärme die Wärmemengen, die beispielsweise
in Abgasströmen
und/oder dem Kühlwasser
thermischer Anlagen enthalten sind, nutzbar gemacht werden. Insbesondere
ist es in diesem Zusammenhang wünschenswert,
dass eine solche Anlage günstig
hergestellt sowie einfach und mit im Wesentlichen ökologisch
unbedenklichen Arbeitsmedien betrieben werden kann. Zusätzlich wäre es von
Vorteil, wenn eine solche Anlage kompakt baut.
-
Die
DE 10 2006 018 686 beschreibt
ein kolbenloses System, das nach dem Stirlingprinzip arbeitet. Vor
diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine Wärmekraftmaschine
bereitzustellen, die einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
-
Im
Hinblick darauf schlägt
die vorliegende Erfindung ein System nach Anspruch 1, eine Anlage nach
Anspruch 27 sowie ein Verfahren zur Umwandlung von Abwärme nach
Anspruch 35 vor. Weitere Aspekte, Vorteile und Einzelheiten der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der
Beschreibung sowie den beigefügten
Zeichnungen.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
umfaßt eine
Vorrichtung zur Umwandlung von Abwärme einen Heizmittelanschluß, der mit
einer Leitung für
ein Abwärme
tragendes Heizmittel verbindbar ist, einen Kühlmittelanschluß, der mit
einer Leitung für
ein Kühlmittel
verbindbar ist, sowie ein erstes Volumen und ein zweites Volumen,
die ein fluides Arbeitsmedium enthalten und miteinander über eine
Fluidleitung verbindbar sind. Dabei kann das Arbeitsmedium in dem
ersten und in dem zweiten Volumen jeweils abwechselnd mit dem Heizmittel
erwärmt
bzw. mit dem Kühlmittel
abgekühlt
werden, so daß das
Arbeitsmedium in dem ersten Volumen und das Arbeitsmedium in dem
zweiten Volumen einen Druckunterschied aufweisen. Eine Maschine,
die mit der Fluidleitung verbunden ist, ist so eingerichtet, dass
sie mit dem Druckunterschied betrieben werden kann. Insbesondere
kann die Maschine ein elektrischer Generator oder ein Motor sein.
Dabei kann die Maschine nach dem Rotationskolbenprinzip oder ähnlich wie
ein Druckluftmotor aufgebaut sein. Die Maschine kann jedoch auch
eine Turbine sein.
-
Die
oben beschriebene Vorrichtung ist in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern
einsetzbar, nämlich überall dort,
wo Abwärme
bereitsteht. Insbesondere ist dies natürlich bei sämtlichen Verbrennungsprozessen,
bspw. in Motoren, Blockheizkraftwerken, Kraftwerken etc. der Fall.
Abwärme
fällt jedoch
auch bei vielen anderen technischen Prozessen an, bspw. bei der
Stahlherstellung und -verarbeitung, der Kunststoffverarbeitung,
der Zementherstellung. Bei all diesen Prozessen kann die Vorrichtung genutzt
werden, um die oftmals vergeudete Abwärme nutzbar zu machen, Energie
einzusparen und den Wirkungsgrad der Prozesse zu erhöhen. Weiterhin
kann eine solche Vorrichtung bei Baumaschinen und in Schiffen gut
verwendet werden. Insbesondere kann die Vorrichtung auch für die Nutzung
von Abwärme
bei Heizungssystemen im Wohnbereich, etwa Zentralheizungen oder ähnlichem,
eingesetzt werden. Bei solchen Anlagen wird eine Brennertemperatur
von 800–900°C erreicht,
wobei typische Vorlauftemperaturen für Raumheizkörper bei lediglich 60°C liegen.
Die hohe Temperaturdifferenz kann man mittels des Druckerzeugers
zur Stromerzeugung nutzbar machen. Gleichermaßen anwendbar ist der oben beschriebene
Druckerzeuger im Bereich der Verbrennung von nachwachsenden Rohstoffen,
insbesondere Holzpellet- oder Holzheizungen oder Kaminen. Auch die
Verbrennung von Holzgas kann zur Erzeugung der benötigten Abwärme dienen.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass selbstverständlich nicht
nur Abwärme
sondern Wärme
in jeglicher Form, d. h. auch Primärwärme, in einer solchen Wärmekraftmaschine
genutzt werden kann. Wenn also in dieser Anmeldung von Abwärme die
Rede ist, dann sind damit selbstverständlich auch alle anderen Formen
von in der vorliegenden Wärmekraftmaschine
nutzbarer Wärme
mit umfaßt.
-
Insbesondere
kann eine solche Vorrichtung und sämtliche aus ihr abgeleiteten
Systeme und/oder Anlagen zur Nachverstromung von Abwärme in einem
Kraftwerk, insbesondere einem Blockheizkraftwerk, verwendet werden.
Weiterhin kann eine solche Vorrichtung und sämtliche aus ihr abgeleiteten
Systeme und/oder Anlagen zur Nutzung der Abwärme eines Industrieprozesses
verwendet werden. Ebenfalls kann eine solche Vorrichtung und sämtliche
aus ihr abgeleiteten Systeme und/oder Anlagen zur Abwärmeverstromung
in einer Heizungsanlage verwendet werden. Ein anderes Einsatzgebiet
einer solchen Vorrichtung und sämtlicher
aus ihr abgeleiteten Systeme und/oder Anlagen ist der Kraftfahrzeugbereich. So
kann eine solche Vorrichtung und sämtliche aus ihr abgeleiteten
Systeme und/oder Anlagen in einem Kraftfahrzeug zur Unterstützung des
Antriebsmotors, zur Stromerzeugung oder zum Betrieb einer Kältemaschine,
etwa eines Kühlzuges,
verwendet werden. Insbesondere Anwendungen im LKW-Bereich kommen
hierbei in Frage. Weiterhin ist eine Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung für
Anwendungen bei Baumaschinen und in Schiffen sehr gut geeignet.
-
Gemäß einer
Weiterbildung umfaßt
ein System gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung eine erste oben beschriebene Vorrichtung
und zumindest eine zweite oben beschriebene Vorrichtung, wobei der
Heizmittelanschluß der zweiten
Vorrichtung mit einem Heizmittelauslass der ersten Vorrichtung verbunden
ist.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist dabei die erste Vorrichtung für einen Hochtemperaturprozess
eingerichtet ist. Typischerweise kann die erste Vorrichtung dabei
für Heizmitteleingangstemperaturen
im Bereich von ungefähr
400°C bis
ungefähr
900°C eingerichtet
sein. Gemäß einer
Weiterbildung kann die erste Vorrichtung für Heizmittelausgangstemperaturen
im Bereich von ungefähr
200°C bis
ungefähr
400°C eingerichtet
sein. Auf diese Weise können
hohe Temperaturdifferenzen ΔT
in der Vorrichtung genutzt werden. Insbesondere kann dabei die erste
Vorrichtung mit einem Gas betrieben werden, wobei das Gas beispielsweise
Helium oder Stickstoff ist.
-
Gemäß noch einer
Ausführungsform
kann die zweite Vorrichtung für
einen Prozess eingerichtet sein, der im Vergleich zur ersten Vorrichtung
eine niedrigere Prozesstemperatur aufweist. Es kann selbstverständlich auch
gleich die erste Vorrichtung anstatt für einen Hochtemperaturprozess
für einen solchen
Prozess mittlerer Temperatur eingerichtet sein. Dabei kann die zweite
Vorrichtung bzw. die erste Vorrichtung für Heizmitteleingangstemperaturen im
Bereich von ungefähr
200°C bis
ungefähr
350°C eingerichtet
sein. Gemäß einer
Weiterbildung kann die zweite Vorrichtung bzw. die erste Vorrichtung
für Heizmittelausgangstemperaturen
im Bereich von ungefähr
100°C bis
ungefähr
200°C eingerichtet
ist. Die dabei erzielbaren Temperaturdifferenzen ΔT können beispielsweise
effizient durch den Betrieb der Vorrichtung mit einem ORC-Medium
genutzt werden. Dabei ist die zweite Vorrichtung bzw. die erste
Vorrichtung typischerweise so ausgelegt, dass eine Phasenumwandlung
bei dem ORC-Medium herbeigeführt
wird. Anstatt eines ORC-Mediums können auch andere Arbeitsmedien,
wie etwa Wasser, verwendet werden.
-
Gemäß noch einer
Weiterbildung umfaßt
das System weiterhin eine dritte Vorrichtung bzw. eine zweite Vorrichtung,
wobei der Heizmittelanschluß der dritten
Vorrichtung bzw. der zweiten Vorrichtung mit einem Heizmittelauslass
der zweiten Vorrichtung bzw. der ersten Vorrichtung verbunden ist
und die dritte Vorrichtung bzw. die zweite Vorrichtung für einen
Prozess eingerichtet ist, der im Vergleich zur zweiten Vorrichtung
bzw. zur ersten Vorrichtung eine niedrigere Prozesstemperatur aufweist.
Dabei kann die dritte Vorrichtung bzw. die zweite Vorrichtung für Heizmitteleingangstemperaturen
im Bereich von ungefähr
80°C bis
ungefähr
200°C eingerichtet
sein. Weiterhin kann die dritte Vorrichtung bzw. die zweite Vorrichtung
für Heizmittelausgangstemperaturen
im Bereich von ungefähr
20°C bis
ungefähr
100°C eingerichtet
sein. Für
den Betrieb der dritten Vorrichtung bzw. der zweiten Vorrichtung
kann in diesem Temperaturbereich insbesondere ein Niedertemperatur-ORC-Medium verwendet
werden. In diesem Fall ist die dritte Vorrichtung bzw. die zweite
Vorrichtung typischerweise ausgelegt, eine Phasenumwandlung bei
dem Niedertemperatur-ORC-Medium
herbeizuführen.
-
Die
oben beschriebenen kaskadierten Systeme nutzen zwei, drei oder noch
mehr Stufen, wobei jeweils die Abwärme, die noch in dem aus einer
Stufe austretenden abgekühlten
Heizmittel enthalten ist, in der nächsten Stufe genutzt wird.
Dabei sind die verschiedenen Stufen so aufeinander abgestimmt, daß die jeweils
nachfolgende Stufe von ihrem Prozess her auf die Temperatur des
aus der vorhergehenden Stufe austretenden Heizmittels angepaßt ist.
Insbesondere werden dabei die Arbeitsmedien aufeinander abgestimmt.
Jedoch können
selbstverständlich auch
die Mengen, Volumina, Geometrien und/oder die Bauweisen der jeweiligen
Stufen auf die jeweiligen Prozesstemperaturen einer Stufe angepaßt sein. Insbesondere
können
sich also die Bauformen und Arbeitsmedien zwischen verschiedenen
Stufen unterscheiden.
-
Gemäß einer
Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann bei einem kaskadierten
System eine jeweilige Vorrichtung einen Motor als Maschine aufweisen,
wobei die jeweiligen Motoren so eingerichtet sind, dass sie dieselbe
Welle antreiben können.
Auf diese Weise tragen alle Motoren zum Antrieb bei. Alternativ
können
auch die jeweiligen Vorrichtungen mit derselben Maschine verbunden
sein. In dieser Bauweise ist es also nicht erforderlich, mehrere
Maschinen bereitzustellen sondern es muss lediglich eine Fluidverbindung
einer jeweiligen Vorrichtung mit der Maschine bereitgestellt werden.
In beiden vorgenannten Ausführungsformen
kann das System eingerichtet sein, dass die erste und die zweite
Vorrichtung und gegebenenfalls die dritte Vorrichtung zueinander
phasenverschoben betrieben werden können. Auf diese Weise können sich
die erste und die zweite Vorrichtung und gegebenenfalls die dritte
Vorrichtung zu einem gegebenen Zeitpunkt in jeweils verschiedenen
Takten des Prozesses befinden. Es kann also bei geschicktem Versatz
der Takte der jeweiligen Vorrichtungen zueinander ständig Druck
an die Maschine abgegeben werden.
-
Gemäß einer
anderen Ausführugsform
kann das System eine erste oben beschriebene Vorrichtung und zumindest
eine zweite oben beschriebene Vorrichtung aufweisen, wobei der Heizmittelanschluß der ersten
Vorrichtung und der Heizmittelanschluß der zweiten Vorrichtung mit
derselben Heizmittelleitung verbunden sind. Weiterhin ist das System
eingerichtet, dass die erste und die zweite Vorrichtung zueinander
phasenverschoben betrieben werden können, so dass sich die erste
Vorrichtung und die zweite Vorrichtung in verschiedenen Takten befinden.
Gemäß einer
Weiterbildung können
dabei jeweils die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung einen Motor
als Maschine aufweist und wobei die jeweiligen Motoren so eingerichtet
sind, dass sie dieselbe Welle antreiben. Es können jedoch auch die erste
Vorrichtung und die zweite Vorrichtung mit derselben Maschine verbunden
sein. In einem solchen System laufen beide Vorrichtungen nebeneinander
auf derselben Stufe, d. h. das Heizmittel weist dieselbe Eingangstemperatur
in beiden Vorrichtungen auf. Nicht notwendig jedoch typisch ist,
dass in diesem Fall in beiden Vorrichtungen derselbe Prozess gefahren wird.
Weiterhin können
selbstverständlich
auch drei oder mehr solcher Vorrichtungen parallel geschaltet bzw.
betrieben werden. Darüber
hinaus kann selbstverständlich
auch jedes der vorherbeschrieben kaskadierten Systeme auf jeder
Stufe mehrere parallel geschaltete Vorrichtungen aufweisen. Dabei
kann die Zahl der parallel geschalteten Vorrichtungen von Stufe
zu Stufe des kaskadierten Systems gleich oder verschieden sein.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel wird
eine Anlage bereitgestellt, die eine Verbrennungskraftmaschine,
insbesondere einen Motor, und eine oben beschriebene Vorrichtung
oder ein oben beschriebenes System umfaßt. In der Anlage ist der Heizmittelanschluss
der Vorrichtung mit einem Abgasauslass der Verbrennungskraftmaschine
verbunden ist. Alternativ kann die Vorrichtung mit einem Heizmittel,
z. B. einem Thermoöl,
betrieben werden, wobei dann mittels eines Wärmetauschers dem Abgas Wärme entzogen
und auf das Heizmittel übertragen
wird. Gemäß einer
Weiterbildung kann weiterhin ein mit der Fluidleitung verbundener
Wärmetauscher bereitgestellt
sein. Dieser Wärmetauscher
kann mit einer Kühlmittelleitung
für erwärmtes Kühlmittel
der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere von Kühlwasser,
verbunden sein. Auf diese Weise kann das Motorkühlwasser zur Zwischenerhitzung
des Arbeitsmediums genutzt werden.
-
Beispielsweise
kann es sich bei dem Motor um einen Dieselmotor eines Blockheizkraftwerks handeln.
Der Dieselmotor treibt einen elektrischen Generator an und erzeugt
so Strom. Das vom Dieselmotor ausgestoßene Abgas wird als Heizmittel
einem kaskadierten System zugeführt,
wo es mit ca. 450°C in
die erste Stufe eintritt. Dort wird dem Motorabgas Wärme zum
Betreiben der Vorrichtung(en) der ersten Stufe entzogen, so dass
das Abgas mit ca. 250°C
die erste Stufe des Systems verläßt. Beispielsweise kann
in der ersten Stufe des Systems ein reiner Gasprozess mit Helium
oder Stickstoff als Arbeitsmedium gefahren werden. Das Abgas tritt
nun in eine zweite Stufe des Systems mit ungefähr 250°C ein. Dort wird dem bereits
in der ersten Stufe abgekühlten
Motorabgas weitere Wärme
zum Betreiben der Vorrichtung(en) der zweiten Stufe entzogen, so
das das Abgas mit ca. 120°C
die zweite Stufe des Systems verläßt. In der zweiten Stufe kann
beispielsweise ein Hochtemperatur-ORC-Prozess gefahren werden. Hierbei
kommen als Arbeitsmedium Hochtemperatur-ORC-Medien in Betracht, die bei den Prozesstemperaturen
im Bereich von 200°C
noch chemisch stabil sind. Dem Hochtemperatur-ORC-Prozess kann sich
nun eine dritte Stufe anschließen,
in dem ein Niedertemperatur-ORC-Prozess gefahren wird. Das in der
ersten und der zweiten Stufe abgekühlte Abgas tritt nun mit ca.
120°C in
die dritte Stufe ein, wo ihm Wärme
entzogen wird und es mit ca. 70°C
die dritte Stufe verläßt. Dieser
Niedertemperatur-ORC-Prozess
kann mit einem Niedertemperatur-ORC-Medium, das beispielsweise schon
bei ungefähr
20°C bis 50°C verdampft,
betrieben werden. Gemäß einer Weiterbildung
kann in dieser dritten Stufe ein Wärmetauscher bereitgestellt
sein, der vom ungefähr
90°C heißen Motorkühlwasser
durchströmt
wird. Mittels dieses Wärmetauschers
kann das abgekühlte
Arbeitsmedium schon vorerhitzt bzw. zwischenerhitzt werden. Auf
diese Weise kann auch noch ein Teil der im Kühlwasser enthaltenen Abwärme zurückgewonnen
werden. Weiterhin können
in allen oder in einzelnen Stufen auch Regeneratoren verwendet werden, die
Wärme speichern
und zur Vorerwärmung
des abgekühlten
Arbeitsmediums dienen.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
umfaßt ein
Verfahren zur Abwärmenutzung
die Schritte des Bereitstellens einer oben beschriebenen Vorrichtung, das
jeweils abwechselnde Erwärmen
bzw. Abkühlen des
Arbeitsmediums in dem ersten und in dem zweiten Volumen, so daß das Arbeitsmedium
in dem ersten Volumen und das Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen
einen Druckunterschied aufweisen, das Verbinden des ersten Volumens
und des zweiten Volumens über
die Fluidleitung und das Betreiben einer mit der Fluidleitung verbundenen Maschine
mit dem Druckunterschied. Dabei kann gemäß einem Ausführungsbeispiel
ein zum Erwärmen
des Arbeitsmediums verwendetes Heizmittel eine Eingangstemperatur
im Bereich von ungefähr
400°C bis
ungefähr 900°C aufweisen.
Weiterhin kann das Heizmittel nach dem Erwärmen des Arbeitsmediums eine
Temperatur im Bereich von ungefähr
200°C bis
ungefähr 400°C aufweisen.
Beispielsweise kann bei einem solchen Prozess das Arbeitsmedium
ein Gas oder Gasgemisch, insbesondere Helium und/oder Stickstoff, sein.
Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel kann
ein zum Erwärmen
des Arbeitsmediums verwendetes Heizmittel eine Eingangstemperatur
im Bereich von ungefähr
200°C bis
ungefähr
350°C aufweisen.
Weiterhin kann das Heizmittel nach dem Erwärmen des Arbeitsmediums eine
Temperatur im Bereich von 100°C
bis 200°C
aufweisen. Bei einem solchen Prozess kann das Arbeitsmedium beispielsweise
ein ORC-Medium oder ein Dampf sein, wobei typischerweise beim Erwärmen bzw.
beim Abkühlen
des Arbeitsmediums ein Phasenübergang
des Arbeitsmediums herbeigeführt
wird. Gemäß noch einem weiteren
Ausführungsbeispiel
kann ein zum Erwärmen
des Arbeitsmediums verwendetes Heizmittel eine Eingangstemperatur
im Bereich von ungefähr 80°C bis ungefähr 200°C aufweisen.
Weiterhin kann das Heizmittel nach dem Erwärmen des Arbeitsmediums eine
Temperatur im Bereich von ungefähr
20°C bis
ungefähr
100°C aufweisen.
Insbesondere kann bei einem solchen Prozess das Arbeitsmedium ein Niedertemperatur-ORC-Medium
sein, wobei beim Erwärmen
bzw. beim Abkühlen
des Arbeitsmediums ein Phasenübergang
des Arbeitsmediums herbeigeführt
wird. Bei all diesen Prozessen kann abgekühltes Arbeitsmedium in einem
Regenerator vorerwärmt werden.
Zusätzlich
oder alternativ kann abgekühltes Arbeitsmedium
in einem Wärmetauscher
vorerwärmt werden.
Gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
können
bei einem solchen Verfahren mehrere Vorrichtungen zur Druckerzeugung
mit zueinander verschobenem Takt betrieben werden.
-
Anhand
der beigefügten
Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung erläutert.
Dabei zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
2 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
3 eine
schematische Darstellung eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
4 eine
schematische Darstellung eines anderen Systems gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
-
5 eine
schematische Darstellung noch eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
-
6 eine
schematische Darstellung noch eines weiteren Systems gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
7 eine
schematische Darstellung eines Systems gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
-
8 eine
Vorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung in einem ersten Takt.
-
9 die
Vorrichtung gemäß 8 in
einem zweiten Takt.
-
10 eine
weitere Ausführungsform
der Vorrichtung.
-
11 eine
Anlage mit einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
-
12 eine
Querschnittsansicht eines elektrischen Generators, wie er in einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
-
13 eine
Querschnittsansicht eines Rotationskolbenmotors, wie er in einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
-
14 eine
schematische Darstellung einer Anordnung mit zwei hintereinandergeschalteten
Motoren.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1000 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1000 umfasst
dabei ein erstes Volumen 100 und ein zweites Volumen 200.
In dem ersten Volumen 100 und in dem zweiten Volumen 200 ist
jeweils ein Arbeitsmedium 10 enthalten. Bei dem Arbeitsmedium 10 handelt
es sich um ein Fluid, beispielsweise ein Gas, einen Dampf wie etwa
Wasserdampf oder ein ORC-Medium. Beispielsweise kann Helium, Stickstoff
oder Luft oder auch beliebige geeignete Gasgemische als gasförmiges Arbeitsmedium
verwendet werden. Als ORC-Medien können sowohl Hochtemperatur-
als auch Niedertemperatur-ORC-Medien verwendet werden.
-
Das
erste Volumen 100 und das zweite Volumen 200 sind über eine
Fluidleitung 400 miteinander verbunden. Zwischen dem ersten
Volumen 100 und dem zweiten Volumen 200 ist eine
mit dem Arbeitsmedium 10 betreibbare Maschine 300 angeordnet. Weiterhin
ist angezeigt, dass dem ersten Volumen 100 Kühlmittel 20 zugeführt und
dem zweiten Volumen 200 eine Heizmittel 30 zugeführt werden
kann (Pfeile in 1). Weiterhin ist durch die
gestrichelten Pfeile in 1 angedeutet, dass auch umgekehrt dem
ersten Volumen 100 ein Heizmittel 30 und dem zweiten
Volumen 200 ein Kühlmittel 20 zugeführt werden
kann. Darüber
hinaus kann von der Maschine 300 mechanische Arbeit W verrichtet
werden.
-
Das
Arbeitsprinzip der Vorrichtung 1000 wird im Folgenden erläutert. So
werden das erste Volumen 100 und das zweite Volumen 200 zunächst in
einem voneinander getrennten Zustand gehalten. Das in dem ersten
Volumen 100 befindliche Arbeitsmedium 10 wird
durch Zuführen
von Kältemittel 20 abgekühlt. Dadurch
sinkt der Druck im ersten Volumen 100. Gleichzeitig wird
das in dem zweiten Volumen 200 befindliche Arbeitsmedium 10 durch
Zuführen von
Heizmittel 30 erwärmt.
Dadurch steigt der Druck in dem zweiten Volumen 200 an.
Wenn ein gewünschter
Druckunterschied zwischen dem ersten Volumen 100 und dem
zweiten Volumen 200 hergestellt ist, werden die beiden
Volumina über
die Fluidleitung 400 miteinander verbunden und so ein Druckausgleich
zwischen dem ersten Volumen 100 und dem zweiten Volumen 200 erlaubt.
Das Arbeitsmedium 10 im zweiten Volumen 200 wird
aufgrund seines höheren
Drucks über
die Fluidleitung 400 in das erste Volumen 100 einströmen. Das
strömende
Arbeitsmedium 10 verrichtet dabei an der Maschine 300 mechanische
Arbeit. Die Maschine 300 kann dabei als eine mit Druck
betreibbare Maschine und/oder als eine Strömungsmaschine, z. B. eine Turbine,
ausgebildet sein. In einem nächsten
Arbeitstakt der Vorrichtung wird nun dem ersten Volumen 100 Heizmittel 30 zugeführt, wie
durch den gestrichelten Pfeil angedeutet ist. Umgekehrt wird nun
das im zweiten Volumen 200 vorhandene Arbeitsmedium 10 durch
Zuführen eines
Kühlmittels 20 abgekühlt. Am
Ende dieses Arbeitstaktes liegt dann das erwärmte Arbeitsmedium in dem ersten
Volumen 100 unter hohem Druck vor, während das Arbeitsmedium 10 in
dem zweiten Volumen 200 unter niedrigerem Druck vorliegt.
Nun kann wiederum ein Druckausgleich zwischen dem zweiten Volumen 200 und
dem ersten Volumen 100 über
die Fluidleitung 400 erfolgen. Dabei strömt das erwärmte unter
Druck stehende Arbeitsmedium von dem ersten Volumen 100 in
das zweite Volumen 200, wobei es an der Maschine 300 mechanische
Arbeit W verrichtet.
-
In
diesem Zusammenhang wird ergänzend darauf
hingewiesen, dass die Vorrichtung auch so betrieben werden kann,
dass beim Abkühlen
und Erhitzen des Arbeitsmediums jeweils ein Phasenübergang
auftritt. Beispielsweise kann dabei ein ORC-Medium oder Wasser verwendet
werden. Beispielsweise wird das in Gas- oder Dampfphase vorliegende
ORC-Medium beim Abkühlen
verflüssigt. Dadurch
tritt eine dramatische Volumenverminderung des Arbeitsmediums ein,
so dass praktisch in dem abgekühlten
Volumen ein Unterdruck erzeugt wird. Das aus dem heißen Volumen
nachströmende Arbeitsmedium
kondensiert bei Eintritt in den kalten Bereich, so dass im wesentlichen
kein Druckausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen
hergestellt wird. Umgekehrt wird das flüssige Arbeitsmedium beim Erwärmen verdampft,
wodurch sich das Volumen vervielfacht bzw. der Druck erheblich erhöht.
-
Die
oben beschriebene Vorrichtung ist in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern
einsetzbar, nämlich überall dort,
wo Abwärme
bereitsteht. Insbesondere ist dies natürlich bei sämtlichen Verbrennungsprozessen,
bspw. in Motoren, Biogas-Blockheizkraftwerken, Kraftwerken etc.
der Fall. Abwärme fällt jedoch
auch bei vielen anderen technischen Prozessen an, bspw. bei der
Stahlherstellung und -verarbeitung, der Kunststoffverarbeitung,
der Zementherstellung. Bei all diesen Prozessen kann die Vorrichtung
genutzt werden, um die oftmals vergeudete Abwärme nutzbar zu machen, Energie
einzusparen und den Wirkungsgrad der Prozesse zu erhöhen. Insbesondere
kann die Vorrichtung auch für
die Nutzung von Abwärme
bei Heizungssystemen im Wohnbereich, etwa Zentralheizungen oder ähnlichem,
eingesetzt werden. Bei solchen Anlagen wird eine Brennertemperatur
von 800–900°C erreicht,
wobei typische Vorlauftemperaturen für Raumheizkörper bei lediglich 60°C liegen.
Die hohe Temperaturdifferenz kann man mittels des Druckerzeugers
zur Stromerzeugung nutzbar machen. Gleichermaßen anwendbar ist der oben
beschriebene Druckerzeuger im Bereich der Verbrennung von nachwachsenden
Rohstoffen, insbesondere Holzpellet- oder Holzheizungen oder Kaminen.
Auch die Verbrennung von Holzgas kann zur Erzeugung der benötigten Abwärme dienen.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1000 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Dabei ist gezeigt, dass das erste Volumen 100 einen
Heizmittelanschluß 124 aufweist,
der mit einer Leitung für ein
Abwärme
tragendes Heizmittel verbindbar ist. Ebenfalls weist das erste Volumen 100 einen
Kühlmittelanschluß 114 auf,
der mit einer Leitung für
ein Kühlmittel
verbindbar ist. Das Heizmittel kann über einen Heizmittelauslass 128 bzw.
das Kühlmittel über einen
Kühlmittelauslass 118 wieder
aus dem ersten Volumen 100 austreten. Gleichermaßen weist
das zweite Volumen 200 einen Heizmittelanschluß 224 auf,
der mit einer Leitung für
ein Abwärme
tragendes Heizmittel verbindbar ist. Ebenfalls weist das zweite Volumen 200 einen
Kühlmittelanschluß 214 auf,
der mit einer Leitung für
ein Kühlmittel
verbindbar ist. Das Heizmittel kann über einen Heizmittelauslass 228 bzw.
das Kühlmittel über einen
Kühlmittelauslass 218 wieder
aus dem zweiten Volumen 200 austreten. Das erste Volumen 100 und
das zweite Volumen 200 sind über eine Fluidleitung 400 so
miteinander verbunden, dass Arbeitsmedium zwischen den beiden Volumina ausgetauscht
werden kann und dabei an einer Maschine 300 Arbeit verrichtet.
-
3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Dabei umfaßt das System eine erste Vorrichtung 1000 und
eine zweite Vorrichtung 2000. Die erste und die zweite
Vorrichtung 1000, 2000 sind dabei gemäß der in 2 gezeigten Vorrichtung
ausgebildet. Der Heizmittelanschluß 124 des ersten Volumens 100 der
zweiten Vorrichtung 2000 ist mit einem Heizmittelauslass 128 des
ersten Volumens 100 der ersten Vorrichtung 1000 verbunden.
Typischerweise ist im Gegensatz dazu der Kühlmittelanschluß 114 des
ersten Volumens 100 der zweiten Vorrichtung 2000 nicht
mit dem Kühlmittelauslass 118 des
ersten Volumens 100 der ersten Vorrichtung 1000 verbunden.
In gleicher Weise ist der Heizmittelanschluß 224 des zweiten
Volumens 200 der zweiten Vorrichtung 2000 ist
mit dem Heizmittelauslass 228 des zweiten Volumens 200 der
ersten Vorrichtung 1000 verbunden. Ebenfalls ist im Gegensatz
dazu der Kühlmittelanschluß 214 des
ersten Volumens 100 der zweiten Vorrichtung 2000 nicht
mit dem Kühlmittelauslass 218 des
ersten Volumens 100 der ersten Vorrichtung 1000 verbunden.
-
In
einer solchen Anordnung wird dem Heizmittel zunächst in der ersten Vorrichtung 1000 Wärme entzogen
worauf das abgekühlte
Heizmittel in die zweite Vorrichtung 2000 eintritt, in
der ihm nochmals Wärme
entzogen wird. Beispielsweise kann die erste Vorrichtung 1000 für einen
Hochtemperaturprozess eingerichtet sein. Typische Heizmitteleingangstemperaturen
an den Heizmittelanschlüssen 124, 224 eines
solchen Hochtemperaturprozesses liegen im Bereich von ungefähr 400°C bis ungefähr 900°C. Typische
Heizmittelausgangstemperaturen an den Heizmittelauslässen 128, 228 liegen
im Bereich von ungefähr
200°C bis
ungefähr
400°C. Auf
diese Weise können
hohe Temperaturdifferenzen ΔT
in der Vorrichtung genutzt werden. Dies erfolg typischerweise in
einem reinen Gasprozess, beispielsweise mit Helium, und hohen Prozessdrücken im
Bereich mehrer hundert bar.
-
Die
zweite Vorrichtung 2000 ist jedoch für einen Prozess eingerichtet
sein, der im Vergleich zu dem in der ersten Vorrichtung 1000 durchgeführten Prozess
eine niedrigere Prozesstemperatur aufweist. Es kann selbstverständlich auch
gleich die erste Vorrichtung 1000 anstatt für einen
Hochtemperaturprozess für
einen solchen Prozess mittlerer Temperatur eingerichtet sein. Typische
Heizmitteleingangstemperaturen für
einen solchen Prozess im mittleren Temperaturbereich liegen im Bereich
von ungefähr 200°C bis ungefähr 350°C. Typische
Heizmittelausgangstemperaturen liegen dann im Bereich von ungefähr 100°C bis ungefähr 200°C. Die dabei
erzielbaren Temperaturdifferenzen ΔT können beispielsweise effizient
durch den Betrieb der Vorrichtung 2000 mit einem ORC-Medium
genutzt werden. Dabei wird typischerweise eine Phasenumwandlung
des ORC-Mediums während
des Prozesses herbeigeführt.
Anstatt eines ORC-Mediums können
auch andere Arbeitsmedien, wie etwa Wasser, verwendet werden.
-
Bei
dem in 3 gezeigten kaskadierten System weisen die erste
Vorrichtung 1000 und die zweite Vorrichtung 2000 jeweils
eine Maschine 300 auf. Die Maschinen 300 und/oder
die in den Vorrichtungen 1000, 2000 gefahrenen
Prozesse können
dabei jedoch so aufeinander abgestimmt sein, dass die Maschinen 300 miteinander
harmonisiert bzw. synchronisiert sind. Beispielsweise können die
beiden Maschinen 300 als Motoren ausgebildet sein. Dabei können beide
Motoren 300 so eingerichtet sein, dass sie dieselbe Welle
gemeinsam antreiben.
-
4 eine
schematische Darstellung eines anderen Systems gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Der Grundaufbau des Systems gemäß 4 entspricht
dabei dem in 3 gezeigten System. Jedoch sind
die erste Vorrichtung 1000 und die zweite Vorrichtung 2000 mit
derselben Maschine 300 verbunden. In dieser Bauweise ist
es also nicht erforderlich, mehrere Maschinen bereitzustellen sondern
es muss lediglich eine Fluidverbindung zwischen der Maschine 300 der
ersten und der zweiten Vorrichtung 1000, 2000 bereitgestellt
werden.
-
Sowohl
in der Ausführungsform
gemäß 3 als
auch in der Ausführungsform
gemäß 4 kann
das System eingerichtet sein, dass die erste und die zweite Vorrichtung 1000, 2000 zueinander phasenverschoben
betrieben werden können.
Auf diese Weise können
sich die erste und die zweite Vorrichtung 1000, 2000 zu
einem gegebenen Zeitpunkt in jeweils verschiedenen Takten des Prozesses befinden.
Es kann also bei geschicktem Versatz der Takte der jeweiligen Vorrichtungen
zueinander ständig
Druck an die Maschine(n) 300 abgegeben werden.
-
5 zeigt
eine schematische Darstellung noch eines Systems gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das darin gezeigte System umfaßt noch
eine dritte Vorrichtung 3000, wobei der Heizmittelanschlüsse 124, 224 der
dritten Vorrichtung 3000 mit den Heizmittelauslässen 128, 228 der
zweiten Vorrichtung 2000 verbunden sind. Die dritte Vorrichtung 3000 ist
dabei für
einen Prozess eingerichtet ist, der im Vergleich zur zweiten Vorrichtung 2000 eine
noch niedrigere Prozesstemperatur aufweist. Typische Heizmitteleingangstemperaturen
für diesen
Niedertemperaturprozess liegen im Bereich von ungefähr 80°C bis ungefähr 200°C. Typische
Heizmittelausgangstemperaturen für
diesen Niedertemperaturprozess liegen im Bereich von ungefähr 20°C bis ungefähr 100°C. In diesem
Temperaturbereich kann insbesondere ein Niedertemperatur-ORC-Medium
verwendet werden, wobei das Niedertemperatur-ORC-Medium in dem Prozess eine
Phasenumwandlung durchläuft.
-
Bei
dem in 5 gezeigten kaskadierten System weisen die erste
Vorrichtung 1000, die zweite Vorrichtung 2000 und
die dritte Vorrichtung 3000 jeweils eine Maschine 300 auf.
Die Maschinen 300 und/oder die in den Vorrichtungen 1000, 2000, 3000 gefahrenen
Prozesse können
dabei jedoch so aufeinander abgestimmt sein, dass die Maschinen 300 miteinander
harmonisiert bzw. synchronisiert sind. Beispielsweise können die
drei Maschinen 300 als Motoren ausgebildet sein. Dabei
können
alle Motoren 300 so eingerichtet sein, dass sie dieselbe
Welle gemeinsam antreiben.
-
6 zeigt
eine schematische Darstellung noch eines weiteren Systems gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Der Grundaufbau des Systems gemäß 6 entspricht dabei
dem in 5 gezeigten System. Jedoch sind die erste Vorrichtung 1000,
die zweite Vorrichtung 2000 und die dritte Vorrichtung 3000 mit
derselben Maschine 300 verbunden. In dieser Bauweise ist
es also nicht erforderlich, mehrere Maschinen bereitzustellen sondern
es muss lediglich eine Fluidverbindung zwischen der Maschine 300 der
ersten, der zweiten und der dritten Vorrichtung 1000, 2000, 3000 bereitgestellt
werden.
-
Sowohl
in der Ausführungsform
gemäß 5 als
auch in der Ausführungsform
gemäß 6 kann
das System eingerichtet sein, dass die erste, die zweite und die
dritte Vorrichtung 1000, 2000, 3000 zueinander
phasenverschoben betrieben werden können. Auf diese Weise können sich
die erste, die zweite und die dritte Vorrichtung 1000, 2000, 3000 zu
einem gegebenen Zeitpunkt in jeweils verschiedenen Takten des Prozesses
befinden. Es kann also bei geschicktem Versatz der Takte der jeweiligen Vorrichtungen
zueinander ständig
Druck an die Maschine(n) 300 abgegeben werden.
-
Die
oben beschriebenen kaskadierten Systeme nutzen zwei, drei oder noch
mehr Stufen, wobei jeweils die Abwärme, die noch in dem aus einer
Stufe austretenden abgekühlten
Heizmittel enthalten ist, in der nächsten Stufe genutzt wird.
Dabei sind die verschiedenen Stufen so aufeinander abgestimmt, daß die jeweils
nachfolgende Stufe von ihrem Prozess her auf die Temperatur des
aus der vorhergehenden Stufe austretenden Heizmittels angepaßt ist.
Insbesondere werden dabei die Arbeitsmedien aufeinander abgestimmt.
Jedoch können
selbstverständlich auch
die Mengen, Volumina, Geometrien und/oder die Bauweisen der jeweiligen
Stufen auf die jeweiligen Prozesstemperaturen einer Stufe angepaßt sein. Insbesondere
können
sich also die Bauformen und Arbeitsmedien zwischen verschiedenen
Stufen unterscheiden.
-
7 zeigt
eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Darin weist das System eine erste oben
beschriebene Vorrichtung 1000 und zumindest eine zweite
oben beschriebene Vorrichtung 2000 auf. Weiterhin sind
der Heizmittelanschluß des
ersten Volumens 100 der ersten Vorrichtung 1000 und
der Heizmittelanschluß des
ersten Volumens 100 der zweiten Vorrichtung 2000 mit
derselben Heizmittelleitung 124 verbunden. Weiterhin sind
der Heizmittelanschluß des
zweiten Volumens 200 der ersten Vorrichtung 1000 und
der Heizmittelanschluß des
zweiten Volumens 200 der zweiten Vorrichtung 2000 mit
derselben Heizmittelleitung 124 verbunden. Gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel sind
auch die Heizmittelzuleitung 124 für die ersten Volumina 100 und
die Heizmittelzuleitung 224 für die zweiten Volumina mit
derselben Heizmittelleitung, beispielsweise einer Abgasleitung verbunden.
Weiterhin ist das System eingerichtet, dass die erste und die zweite
Vorrichtung 1000, 2000 zueinander phasenverschoben
betrieben werden können,
so dass sich die erste Vorrichtung 1000 und die zweite
Vorrichtung 2000 in verschiedenen Takten befinden. Dabei
können
dabei jeweils die erste Vorrichtung 1000 und die zweite
Vorrichtung 2000 einen Motor als Maschine aufweisen und
wobei die jeweiligen Motoren so eingerichtet sind, dass sie dieselbe
Welle antreiben. Es können
jedoch auch – wie
in 7 gezeigt – die
erste Vorrichtung 1000 und die zweite Vorrichtung 2000 mit
derselben Maschine 300 verbunden sein. In einem solchen
System laufen beide Vorrichtungen 1000, 2000 nebeneinander
auf derselben Stufe, d. h. das Heizmittel weist dieselbe Eingangstemperatur
in beiden Vorrichtungen 1000, 2000 auf. Nicht
notwendig jedoch typisch ist, dass in diesem Fall in beiden Vorrichtungen 1000, 2000 derselbe
Prozess gefahren wird. Weiterhin können selbstverständlich auch drei
oder mehr solcher Vorrichtungen parallel geschaltet bzw. betrieben
werden. Darüber
hinaus kann selbstverständlich
auch jedes der vorherbeschrieben kaskadierten Systeme auf jeder
Stufe mehrere parallel geschaltete Vorrichtungen aufweisen. Dabei
kann die Zahl der parallel geschalteten Vorrichtungen von Stufe
zu Stufe des kaskadierten Systems gleich oder verschieden sein.
-
8 zeigt
ein konkretes Ausführungsbeispiel
für eine
Vorrichtung gemäß 1.
Die Vorrichtung umfasst dabei ein erstes Volumen 100 sowie eine
zweites Volumen 200. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel
sind das erste Volumen 100 und das zweite Volumen 200 identisch
aufgebaut, was jedoch nicht zwingend notwendig zur Ausführung der
vorliegenden Erfindung ist. Einem kalten Bereich 110 des ersten
Volumens 100 und einem kalten Bereich 210 des
zweiten Volumens 200 kann über Kühlmittelzuflüsse 114, 214 Kühlmittel 20 zugeführt werden.
Dabei können
beispielsweise der kalte Bereich 110 des ersten Volumens 100 und
der kalte Bereich 210 des zweiten Volumens 200 über eine
gemeinsame Kühlmittelleitung 116 versorgt
werden. In der Kühlmittelleitung 116 ist
eine Weiche 170 eingebaut, die den Kühlmittelstrom wahlweise in
das erste Volumen 100 oder das zweite Volumen 200 leiten
kann. Weiterhin verfügt
das erste Volumen 100 über
einen Kühlmittelabfluss 118 und
das zweite Volumen 200 über
einen Kühlmittelabfluss 218.
Beispielsweise können
der Kühlmittelabfluss 118 und
der Kühlmittelabfluss 218 in
eine gemeinsame Kühlmittelleitung
einmünden. Gleichermaßen kann
in einem heißen
Bereich 120 des ersten Volumens 100 und einem
heißen
Bereich 220 des zweiten Volumens 200 ein Heizmittel 30 über eine
Heizmittelleitung 126 bereitgestellt werden. Dabei ist
in die Heizmittelleitung 126 eine Weiche 180 eingefügt, die
das Heizmittel wahlweise über
den Anschluss 124 in die Heizmittelrohre 122 des
ersten Volumens 100 oder über den Anschluss 224 in
die Heizmittelrohre 222 des zweiten Volumens 200 einleiten kann.
Ebenfalls sind Heizmittelabflüsse 128 aus
dem ersten Volumen und 228 aus dem zweiten Volumen bereitgestellt,
wobei die Heizmittelabflüsse 128 und 228 in
eine gemeinsame Heizmittelableitung einmünden können.
-
Im
Folgenden wird nun die Arbeitsweise der in 8 dargestellten
Vorrichtung beschrieben. Zunächst
wird in dem ersten Volumen 100 das in der Kammer 140 des
kalten Bereichs 110 befindliche Arbeitsmedium 10 abgekühlt. Dazu
wird über
die Fluidleitung 116, die Weiche 170 und den Anschluss 114 Kühlmittel 20 in
die Kühlmittelrohre 122 des
ersten Volumens eingeleitet. Ein Ventil 410 sperrt die
Kammer 140 ab und ein Verdrängerkolben 160 ist
im heißen
Bereich 120 des ersten Volumens angeordnet. Das in der
Kammer 140 befindliche Arbeitsmedium gibt nun einen Teil
seiner Wärme
an das die Kühlrohre 112 durchströmende Kühlmittel
ab. Aufgrund des gleich bleibenden Volumens der Kammer 140 und der
gleich bleibenden Masse des Arbeitsmediums 10 in dieser
Kammer 140 sinken Druck und Temperatur des Arbeitsmediums 10.
Wird ein Prozess mit Phasenumwandlung des Arbeitsmediums gefahren,
so werden die gegebenenfalls noch gasförmigen Anteile des Arbeitsmediums,
etwa eines ORC-Mediums, verflüssigt.
Gleichzeitig ist im zweiten Volumen 200 ein Verdrängerkolben 260 in
seiner Endlage im kalten Bereich 210 angeordnet. Hingegen
befindet sich das Arbeitsmedium 10 in der Kammer 250 im
heißen
Bereich 220 des zweiten Volumens 200. Im heißen Bereich 220 wird über eine
Heizmittelleitung 126, die Weiche 180 und den
Heizmittelzufluss 224 ein Heizmittel 30 in den
Heizmittelrohren 222 bereitgestellt. Das Arbeitsmedium 10 nimmt
dann im heißen
Bereich 220 Wärme
aus dem Heizmittel 30 auf. Da dabei das Volumen der Kammer 250 unverändert bleibt, steigen
Druck und Temperatur des Heizmediums 10 im heißen Bereich 220 an.
Insbesondere kann hier bei einem Prozess mit Phasenumwandlung des
Arbeitsmediums ein starker Druckanstieg erfolgen, wenn das flüssige Arbeitsmedium
verdampft. Am Ende dieses ersten Schrittes liegen somit im kalten Bereich 110 des
ersten Volumens 100 kaltes Arbeitsmedium unter relativ
geringem Druck und im heißen Bereich 220 des
zweiten Volumens 200 heißes Arbeitsmedium unter hohem
Druck vor.
-
Anschließend wird
eine Fluidverbindung zwischen dem heißen Bereich 220 des
zweiten Volumens 200 und dem kalten Bereich 110 des
ersten Volumens 100 hergestellt. Aufgrund des Druckunterschieds
strömt
nun das heiße
Arbeitsmedium 10 aus dem heißen Bereich 220 in
den kalten Bereich 110 ein. Dabei verrichtet das strömende Medium
an der Maschine 300 mechanische Arbeit, die so entnommen
werden kann. Nun wird zwischen dem Anschluss 142 des kalten
Bereichs 110 und dem Anschluss 152 des heißen Bereichs 120 eine
Fluidverbindung hergestellt. Gleichermaßen wird zwischen dem heißen Bereich 220 und
dem kalten Bereich 210 eine Fluidverbindung hergestellt.
-
Wie
in 9 gezeigt wird sodann im ersten Volumen 100 der
Verdrängerkolben 160 von
der heißen
Seite 120 auf die kalten Seite 110 verfahren.
Das zuvor im kalten Bereich 110 befindliche Arbeitsmedium
wird dabei über
die hergestellte Fluidverbindung in den heißen Bereich 120 des
ersten Volumens verschoben. Umgekehrt wird nun im zweiten Volumen 200 der
Verdrängerkolben 260 vom
kalten Bereich 210 in den heißen Bereich 220 verfahren.
Das Arbeitsmedium 10 wird dabei von dem heißen Bereich 220 in
den kalten Bereich 210 verschoben. Weiterhin wird nun die
Weiche 170 umgeschaltet, sodass das Kühlmittel 20 über den
Anschluss 214 in die Kühlmittelrohre 212 des
kalten Bereichs 210 eingeleitet wird. Gleichermaßen wird
die Weiche 180 umgeschaltet, sodass das Heizmittel 30 nun über den
Anschluss 124 in die Heizmittelrohre 122 des heißen Bereichs 120 eingeleitet
wird. In Umkehrung des in 8 gezeigten
Vorgangs, wird nun das Arbeitsmedium im ersten Volumen erwärmt, nämlich im
heißen
Bereich 120, und im zweiten Volumen abgekühlt, nämlich im kalten
Bereich 210. Am Ende dieses Vorgangs liegt somit im heißen Bereich 120 des
ersten Volumens 100 heißes und unter hohem Druck stehendes
Arbeitsmedium vor, während
im kalten Bereich 210 des zweiten Volumens 200 kaltes
und unter niedrigem Druck stehendes Arbeitsmedium vorliegt. In dem
nun folgenden Arbeitstakt wird der Anschluss 152 des heißen Bereichs 120 des
ersten Volumens mit dem Hochdruckeingang 310 der Maschine 300 verbunden.
Gleichzeitig wird der Anschluss 242 des kalten Bereichs 210 mit
der Niederdruckseite 320 der Maschine verbunden. Aufgrund
des Druckunterschieds zwischen dem unter Hochdruck stehenden Arbeitsmedium
im heißen
Bereich 120 und dem unter Niederdruck stehenden Arbeitsmedium
im kalten Bereich 210 strömt das Arbeitsmedium vom heißen Bereich 120 in
den kalten Bereich 210 bis der Druckunterschied ausgeglichen
ist. Dabei verrichtet das strömende
Arbeitsmedium mechanische Arbeit an der Maschine 300, die
dort entnommen werden kann.
-
Im
Folgenden wird nun die Wirkungsweise der Regeneratoren 146, 246 erläutert. Strömt heißes Arbeitsmedium
vom heißen
Bereich 220 in den kalten Bereich 110, so strömt es über den
Regenerator 146, der dabei Wärme aufnimmt und speichert.
Wird nun abgekühltes
Arbeitsmedium vom kalten Bereich 110 in den heißen Bereich 120 verschoben,
so wird das abgekühlte
Arbeitsmedium über
den Regenerator 146 geführt.
Dabei nimmt das Arbeitsmedium bereits Wärme auf und wird so vorerwärmt, bevor
es in den heißen
Bereich 120 eintritt. Ist das Arbeitsmedium beispielsweise
ein ORC-Medium, insbesondere ein Niedertemperatur-ORC-Medium, so
kann schon im Regenerator 146 eine zumindest teilweise
Verdampfung des ORC-Mediums erfolgen. Gleichfalls wird der Generator 146 wieder
abgekühlt.
Auf dieselbe Weise wird beim Strömen
des heißen
Arbeitsmediums vom heißen
Bereich 120 des ersten Volumens 100 zum kalten
Bereich 210 des zweiten Volumens 200 der Regenerator 246 durchströmt und nimmt
dabei Wärme
auf und speichert sie. Wird nun das abgekühlte Arbeitsmedium vom kalten
Bereich 210 in den heißen Bereich 220 verschoben,
so nimmt es vom Regenerator 246 dort gespeicherte Wärme auf,
kühlt diesen ab
und erreicht den heißen
Bereich 220 vorerwärmt. Durch
den Einsatz der Regeneratoren 146, 246 kann der
Wirkungsgrad der Vorrichtung erhöht
werden.
-
10 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Dabei sind Wärmetauscher 148, 248 bereitgestellt.
Diese Wärmetauscher 148, 248 sind
von einem Heizmittel durchströmt,
das typischerweise eine niedrigere Temperatur aufweist, als das
Heizmittel in den heißen
Bereichen 120, 220. Beispielsweise kann der Wärmetauscher
mit dem erwärmten
Kühlwasser
eines Motors durchströmt
sein. Der bzw. die Wärmetauscher 148, 248 können dabei
alternativ oder zusätzlich
zu den Regeneratoren 146, 246 vorgesehen werden.
In einem Ausführungsbeispiel
sind sowohl Regeneratoren als auch Wärmetauscher vorgesehen. Dabei kann
beispielsweise das im kalten Bereich 110 abgekühlte Arbeitsmedium
beim Verschieben über
den Generator 146 auf eine Temperatur von beispielsweise
60°C gebracht
werden. Das den zusätzlichen Wärmetauscher 148 durchströmende Heizmittel,
z. B. Kühlwasser,
weist ungefähr
eine Temperatur im Bereich von 90°C
auf. Wird nun das auf 60°C
erwärmte
Arbeitsmedium zusätzlich über den
Wärmetauscher 148 geführt, so
kann eine Vorerwärmung des
Arbeitsmediums vor Eintritt in den heißen Bereich 120 auf
ungefähr
80°C erreicht
werden. Auf diese Weise kann zum einen dem Kühlwasser weitere Wärme entzogen
werden und auf der anderen Seite das Arbeitsmedium schon vorerwärmt werden.
Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad eines Gesamtprozesses deutlich
gesteigert werden. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die oben
genannten Zahlenbeispiele nur exemplarisch zu verstehen sind und insbesondere
keine Festlegung auf bestimmte Temperatur und/oder Druckbereiche
und/oder Arbeitsmedien bedeuten. Ebenso wie bei der Zuleitung von Heiz- und Kühlmittel
zu den heißen
und kalten Bereichen kann auch hier eine Weiche (nicht gezeigt)
bereitgestellt werden, die das zweite Heizmittel jeweils abwechselnd
an einen der Wärmtauscher 148, 248 bereitstellt,
wenn des dort gerade benötigt
wird.
-
11 zeigt
eine Anlage gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung. Die Anlage umfaßt eine Verbrennungskraftmaschine 1100,
insbesondere einen Motor, und eine oben beschriebene Vorrichtung oder
ein oben beschriebenes System. Über
eine Brennstoffzuführung 1110 wird
Brennstoff in die Verbrennungskraftmaschine 1100 zugeführt und
dort verbrannt. Die Verbrennungskraftmaschine treibt eine externe
Maschine G an. Das bei der Verbrennung erzeugte Abgas wird über einen
Abgasauslass 1120 in die Heizmittelleitung 126 eingespeist,
wo die in ihm enthaltene Abwärme
anschließend
in der oben beschriebenen Weise durch die nachgeschaltete Vorrichtung
bzw. das System genutzt wird. Wie durch den gestrichelten Kasten
angedeutet kann das Abgas auch alternativ in einen weiteren Wärmetauscher 1140 geführt werden,
in dem das Abgas das eigentliche Heizmittel für die nachgeschaltete Vorrichtung erhitzt.
Das Abgas wird dann über
eine konventionelle Auspuffanlage abgeführt. Beispielsweise kann als Heizmittel
Wasser oder insbesondere ein Thermoöl verwendet werden, wobei dann
typischerweise ein Gegenstromwärmetauscher
verwendet wird. Durch Zwischenschalten des Wärmetauschers kann so zum einen
vermieden werden, dass das Motorabgas die Wärmetauscher der nachgeschalteten
Vorrichtung verschmutzt. Insbesondere wenn der Motor ein mit Biodiesel
betriebener Motor 1100 verwendet wird, ist eine solche
Verschmutzung praktisch nicht zu vermeiden. Zum anderen können Temperaturspitzen
im Abgas durch das Thermoöl
aufgefangen werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn
in der nachgeschalteten Vorrichtung ein ORC-Prozess gefahren wird.
Es bestünde
sonst nämlich
die Gefahr, dass sich das ORC-Medium bei solchen Temperaturspitzen
zersetzt, wenn die Vorrichtung direkt mit dem Abgas beschickt würde.
-
Weiterhin
weist die Verbrennungskraftmaschine 1100 einen Kühler 1130 auf.
Das im Kühler
erhitzte Kühlmittel,
beispielsweise Kühlwasser,
wird über
eine Kühlwasserleitung 1135 zu
den Wärmetauschern 148, 248 geleitet.
Auf diese Weise kann das Motorkühlwasser
zur Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums genutzt werden.
-
In
einem nicht gezeigten Beispiel ist die Verbrennungskraftmaschine 1100 ein
Dieselmotor eines Blockheizkraftwerks. Der Dieselmotor 1100 treibt
einen elektrischen Generator G an und erzeugt so Strom. Das vom
Dieselmotor 1100 ausgestoßene Abgas wird als Heizmittel
einem kaskadierten System zugeführt,
wo es mit ca. 450°C
in die erste Stufe eintritt. Dort wird dem Motorabgas Wärme zum
Betreiben der Vorrichtung(en) der ersten Stufe entzogen, so dass
das Abgas mit ca. 250°C
die erste Stufe des Systems verläßt. Das
Abgas tritt nun in eine zweite Stufe des Systems mit ungefähr 250°C ein. Dort
wird dem bereits in der ersten Stufe abgekühlten Motorabgas weitere Wärme zum
Betreiben der Vorrichtung(en) der zweiten Stufe entzogen, so das
das Abgas mit ca. 120°C
die zweite Stufe des Systems verläßt. In der zweiten Stufe wird
ein Hochtemperatur-ORC-Prozess mit Hochtemperatur-ORC-Medien, die bei den
Prozesstemperaturen im Bereich von 200°C noch chemisch stabil sind,
gefahren. Dem Hochtemperatur-ORC-Prozess kann sich nun eine dritte
Stufe anschließen,
in dem ein Niedertemperatur-ORC-Prozess gefahren wird. Das in der
ersten und der zweiten Stufe abgekühlte Abgas tritt nun mit ca.
120°C in
die dritte Stufe ein, wo ihm Wärme
entzogen wird und es mit ca. 70°C
die dritte Stufe verläßt. Dieser
Niedertemperatur-ORC- Prozess
wird mit einem Niedertemperatur-ORC-Medium, das beispielsweise schon
bei ungefähr
20°C bis
50°C verdampft,
gefahren. In dieser dritten Stufe werden Wärmetauscher 148, 248 vom
ungefähr
90°C heißen Motorkühlwasser
durchströmt.
Mittels dieser Wärmetauschers
kann das abgekühlte
Arbeitsmedium schon vorerhitzt bzw. zwischenerhitzt werden. Auf
diese Weise kann auch noch ein Teil der im Kühlwasser enthaltenen Abwärme zurückgewonnen
werden. Weiterhin können
in allen oder in einzelnen Stufen auch Regeneratoren verwendet werden,
die Wärme speichern
und zur Vorerwärmung
des abgekühlten Arbeitsmediums
dienen.
-
12 zeigt
eine Querschnittsansicht eines elektrischen Generators 300,
wie er in einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung als Maschine verwendet werden kann. Der
elektrische Generator 300 weist dabei eine Kolbenkammer 610 auf,
die eine Einlassöffnung 612 und
eine Auslassöffnung 614 aufweist.
Die Kolbenkammer 610 ist in der gezeigten Querschnittsansicht
kreisringförmig.
In der Kolbenkammer ist weiterhin ein Kolben 620 angeordnet,
der um den Mittelpunkt des Kreisrings drehbar gelagert ist. Der
Kolben 620 weist eine Druckseite 622 auf, die
mit dem unter Druck stehenden Arbeitsmedium, das über die
Einlassöffnung 612 in
die Kolbenkammer 610 eingelassen werden kann, beaufschlagt
werden kann.
-
Der
Kolben 620 ist mit einem drehbar gelagerten Ring 635 verbunden.
An dem Ring 635 sind Magnete 630 angeordnet, wobei
sich die Magnetpole von im Umfangsrichtung nebeneinander liegenden Magneten
abwechseln. Dies ist in 12 durch
die entsprechenden Pfeile angedeutet. Die Magnete 630 können dabei
an dem Ring 635 befestigt oder in diesen integriert sein.
Weiterhin können
die Magnete 630 als Permanentmagnete oder als Elektromagnete ausgebildet
sein. Im letzteren Fall verfügt
der elektrische Generator 300 über eine Stromzuführung zu den
Elektromagneten 630. Diese kann beispielsweise über Schleifringe
und Bürsten
geschehen. Der Ring 635 ist am inneren Umfang der Kolbenkammer 610 angeordnet.
Ihm gegenüberliegend
sind Spulen 640 angeordnet. Werden nun die Magnete 630 an den
Spulen 640 vorbeibewegt, so induzieren sie in diesen Spulen
eine Spannung. Diese Spannung kann abgegriffen und dem elektrischen
Generator 600 somit elektrische Leistung entnommen werden.
-
Zwischen
dem Ring 635 und den Spulen 640 ist eine ortsfeste
Dichtung 660 angeordnet. Die ortsfeste Dichtung 660 dichtet
die Kolbenkammer 610 gegenüber den Spulen 640 gasdicht
ab. Weiterhin ist zwischen der Einlassöffnung 612 und der
Auslassöffnung 614 eine
bewegliche Dichtung 650 vorgesehen. Wie durch den Doppelpfeil
in 12 angedeutet kann die bewegliche Dichtung 650 in
radialer Richtung bewegt werden. Dabei kann die bewegliche Dichtung 650 aus
der Kolbenkammer in eine radial außen liegende Aufnahme hineinbewegt
werden und aus dieser wieder in die Kolbenkammer zurück. Die bewegliche
Dichtung 650 ist so eingerichtet, dass sie die Kolbenkammer 610 zwischen
der Einlassöffnung 612 und
der Auslassöffnung 614 im
Wesentlichen druckdicht verschließt. Auf diese Weise wird zwischen
der Druckseite 622 des Kolbens 620 und der beweglichen
Dichtung 650 ein Zwischenraum geschaffen, in den über die
Einlassöffnung 612 ein
Arbeitsmedium eingebracht werden kann. Weiterhin sind in 12 ein
Einlassventil 670 und ein Auslassventil 680 gezeigt. Über das
Einlassventil 670 kann das Einbringen von Arbeitsmedium
in die Kolbenkammer 610 gesteuert werden. Gleichzeitig
kann über
das Auslassventil 680 das Auslassen von Arbeitsmedium aus
der Kolbenkammer 610 gesteuert werden.
-
13 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Rotationskolbenmotors 300,
der gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung als Maschine verwendet werden kann. Der
Rotationskolbenmotor 300 weist dabei eine Kolbenkammer 710 auf,
die eine Einlassöffnung 712 und
eine Auslassöffnung 714 aufweist.
Die Kolbenkammer 710 ist in der gezeigten Querschnittsansicht
kreisringförmig. In
der Kolbenkammer ist weiterhin ein Kolben 720 angeordnet,
der um den Mittelpunkt des Kreisrings drehbar gelagert ist. Der
Kolben 720 weist eine Druckseite 722 auf, die
mit einem unter Druck stehenden Arbeitsmedium, das über die
Einlassöffnung 712 in
die Kolbenkammer 710 eingelassen werden kann, beaufschlagt
werden kann.
-
Der
Kolben 720 ist mit einem drehbar gelagerten Kolbenring 735 verbunden.
An dem Kolbenring 735 sind erste Magnete 730 angeordnet,
wobei sich die Magnetpole von im Umfangsrichtung nebeneinander liegenden
Magneten abwechseln. Dies ist in 13 durch
die entsprechenden Pfeile angedeutet. Die ersten Magnete 730 können dabei
an dem Kolbenring 735 befestigt oder in diesen integriert sein.
Weiterhin können
die ersten Magnete 730 als Permanentmagnete oder als Elektromagnete
ausgebildet sein. Im letzteren Fall verfügt der Rotationskolbenmotor 300 über eine
Stromzuführung
zu den Elektromagneten 730. Diese kann beispielsweise über Schleifringe
und Bürsten
geschehen. Der Kolbenring 735 ist am inneren Umfang der
Kolbenkammer 710 angeordnet. Ihm gegenüberliegend sind zweite Magnete 740 angeordnet.
Die zweiten Magnete 740 sind an einem Antriebsring 745 angeordnet, wobei
sich die Magnetpole von im Umfangsrichtung nebeneinander liegenden
zweiten Magneten abwechseln. Die zweiten Magnete 740 überdecken
den vollständigen Umfang
des Antriebsrings 745. Gemeinsam bilden die ersten Magneten 730 und
die zweiten Magnete 740 eine Magnetkupplung. Werden nun
die ersten Magnete 730 bezüglich der zweiten Magnete 740 rotiert,
so nehmen die ersten Magnete die zweiten Magnete aufgrund der zwischen
ihnen wirkenden Magnetkräfte
mit. Auf diese Weise läßt sich
die Drehung des Kolbens 720 auf den Antriebsring 745 übertragen.
-
Der
Antriebsring 745 bildet in dem in 13 gezeigten
Ausführungsbeispiel
das Hohlrad eines Planetengetriebes, welches weiterhin die Planetenräder 746 sowie
das Sonnenrad 748 umfaßt.
Mit dem Sonnenrad 748 ist eine Motorwelle 770 verbunden. Mithin
treibt der Rotationskolben 720 die Motorwelle 770 über die
Magnetkupplung 735, 745 und das Planetengetriebe 745, 746, 748 an.
Mit Hilfe des Planetengetriebes können gewünschte Über- oder Untersetzungen zwischen Kolben 720 und
Motorwelle 770 eingestellt werden. Beispielsweise kann
mittels des Getriebes an der Motorausgangswelle eine Drehzahl im
Bereich von 1.500 U/min bereitgestellt werden, die zum Antrieb herkömmlicher
elektrischer Generatoren geeignet ist.
-
Zwischen
dem Kolbening 735 und dem Antriebsring 745 ist
eine ortsfeste Dichtung 760 angeordnet. Die ortsfeste Dichtung 760 dichtet
die Kolbenkammer 710 gegenüber dem Antriebsring 745 gasdicht
ab. Weiterhin ist zwischen der Einlassöffnung 712 und der
Auslassöffnung 714 eine
bewegliche Dichtung 750 vorgesehen. Wie durch den Doppelpfeil
in 13 angedeutet kann die bewegliche Dichtung 750 in
radialer Richtung bewegt werden. Dabei kann die bewegliche Dichtung 750 aus
der Kolbenkammer in eine radial außen liegende Aufnahme hineinbewegt
werden und aus dieser wieder in die Kolbenkammer zurück. Die
bewegliche Dichtung 750 ist so eingerichtet, dass sie die
Kolbenkammer 710 zwischen der Einlassöffnung 712 und der
Auslassöffnung 714 im
Wesentlichen druckdicht verschließt. Auf diese Weise wird zwischen
der Druckseite 722 des Kolbens 720 und der beweglichen
Dichtung 750 ein Zwischenraum geschaffen, in den über die
Einlassöffnung 712 ein
Arbeitsmedium eingebracht werden kann. Weiterhin sind in 13 ein
Einlassventil 790 und ein Auslassventil 795 gezeigt. Über das
Einlassventil 790 kann das Einbringen von Arbeitsmedium
in die Kolbenkammer 710 gesteuert werden. Gleichzeitig
kann über
das Auslassventil 795 das Auslassen von Arbeitsmedium aus
der Kolbenkammer 710 gesteuert werden.
-
14 zeigt
eine schematische Darstellung einer Anordnung, bei der zwei Motoren 800, 900 der vorbeschriebenen
Art hintereinander geschaltet sind. Anstatt eines einzelnen Motors 700 kann
in Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung selbstverständlich auch eine Kombination
aus zwei oder mehr Motoren oder auch zwei oder mehr Generatoren
eingesetzt werden. Bei der in 14 gezeigten Ausführungsform
ist der Auslass 814 des ersten Motors 800 mit
dem Einlass 914 des zweiten Motors 900 verbunden.
Auf diese Weise kann das aus dem ersten Motor 800 ausströmende Arbeitsmedium
noch in dem zweiten Motor 900 verwendet werden, um eine gemeinsame
Motorwelle anzutreiben. Beispielsweise ist es möglich, den ersten Motor 800 leistungsoptimiert
zu betreiben, sodass das aus dem ersten Motor 800 austretende
Arbeitsmedium im Wesentlichen einen ähnlichen Druck aufweist wie
bei Einströmen
in diesen ersten Motor 800. Der zweite Motor 900 kann nun
wirkungsgradoptimiert betrieben werden, sodass das unter Druck stehende
Arbeitsmedium im zweiten Motor 900 möglichst vollständig entspannt
wird. Dazu können
beispielsweise die Querschnitte bzw. Volumina der beiden Motoren
in geeigneter Weise aufeinander angepasst sein. So kann der mit
hoher Leistung und hohem Druck betriebene Motor 800 einen
kleinen Querschnitt der Kolbenkammer aufweisen, wohingegen der Querschnitt
der Kolbenkammer des zweiten Motors 900 entsprechend größer ist,
um die Menge an Arbeitsmedium aus dem ersten Motor 800 aufzunehmen
und zu entspannen. Selbstverständlich
können
auch mehr als zwei Motoren in geeigneter Weise hintereinander geschaltet
werden, wobei die jeweiligen Querschnitte/Volumina bzw. Motordurchmesser
aufeinander abzustimmen sind. Insbesondere können solche mehrstufigen Motoren
in einem einzigen Gehäuse
angeordnet werden, sodass eine kompakte mehrstufige Bauform bereitgestellt
wird. Zusätzlich
zur Abstimmung der jeweiligen Querschnitte, Radien und Volumina
aufeinander können
selbstverständlich
auch die Steuerungen der Einlass- und Auslassventile sowie gegebenenfalls die
Steuerungen der Erregerströme
für Magnetspulen
aufeinander abgestimmt werden. Eine solche mehrstufige Bauform kann
in weiten Druckbereichen betrieben werden und die verschiedenen
Betriebsparameter können
fast beliebig eingestellt werden. Weitere Freiheitsgrade des Systems
können
beispielsweise durch das Vorsehen einer Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums
zwischen zwei Motorstufen oder ähnliche
vergleichbare Maßnahmen
eingestellt werden. Selbstverständlich
kann ein solches Konzept auf bei zwei hintereinandergeschalteten
Generatoren in gleicher oder ähnlicher
Weise umgesetzt werden.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese
Ausführungsbeispiele
sollen keinesfalls als einschränkend für die vorliegende
Erfindung verstanden werden. Insbesondere können einzelne Merkmale der
verschiedenen Ausführungsbeispiele
in andere Ausführungsformen übernommen
werden oder verschiedene Ausführungsbeispiele
miteinander kombiniert werden, solange sich die kombinierten Merkmale nicht
technisch bedingt gegenseitig ausschließen.