DE102008048633B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Umwandlung von Abwärme - Google Patents

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Abstract

System umfassend
eine erste Vorrichtung (1000) zur Umwandlung von Abwärme, umfassend einen Heizmittelanschluß (124, 224), der mit einer Leitung für ein Abwärme tragendes Heizmittel (30) verbindbar ist, einen Kühlmittelanschluß (114, 214), der mit einer Leitung für ein Kühlmittel (20) verbindbar ist, sowie ein erstes Volumen (100) und ein zweites Volumen (200), die ein fluides Arbeitsmedium (10) enthalten und miteinander über eine Fluidleitung (400) verbindbar sind, wobei das Arbeitsmedium (10) in dem ersten und in dem zweiten Volumen (100, 200) jeweils abwechselnd mit dem Heizmittel (30) erwärmt bzw. mit dem Kühlmittel (20) abgekühlt werden kann, so daß das Arbeitsmedium (10) in dem ersten Volumen (100) und das Arbeitsmedium (10) in dem zweiten Volumen (200) einen Druckunterschied aufweisen, und eine Maschine (300), die mit der Fluidleitung (400) verbunden und so eingerichtet ist, dass sie mit dem Druckunterschied betrieben werden kann
und zumindest eine zweite Vorrichtung (2000) zur Umwandlung von...

Description

  • 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.

Claims (43)

  1. System umfassend eine erste Vorrichtung (1000) zur Umwandlung von Abwärme, umfassend einen Heizmittelanschluß (124, 224), der mit einer Leitung für ein Abwärme tragendes Heizmittel (30) verbindbar ist, einen Kühlmittelanschluß (114, 214), der mit einer Leitung für ein Kühlmittel (20) verbindbar ist, sowie ein erstes Volumen (100) und ein zweites Volumen (200), die ein fluides Arbeitsmedium (10) enthalten und miteinander über eine Fluidleitung (400) verbindbar sind, wobei das Arbeitsmedium (10) in dem ersten und in dem zweiten Volumen (100, 200) jeweils abwechselnd mit dem Heizmittel (30) erwärmt bzw. mit dem Kühlmittel (20) abgekühlt werden kann, so daß das Arbeitsmedium (10) in dem ersten Volumen (100) und das Arbeitsmedium (10) in dem zweiten Volumen (200) einen Druckunterschied aufweisen, und eine Maschine (300), die mit der Fluidleitung (400) verbunden und so eingerichtet ist, dass sie mit dem Druckunterschied betrieben werden kann und zumindest eine zweite Vorrichtung (2000) zur Umwandlung von Abwärme, umfassend einen Heizmittelanschluß (124, 224), der mit einer Leitung für ein Abwärme tragendes Heizmittel (30) verbindbar ist, einen Kühlmittelanschluß (114, 214), der mit einer Leitung für ein Kühlmittel (20) verbindbar ist, sowie ein erstes Volumen (100) und ein zweites Volumen (200), die ein fluides Arbeitsmedium (10) enthalten und miteinander über eine Fluidleitung (400) verbindbar sind, wobei das Arbeitsmedium (10) in dem ersten und in dem zweiten Volumen (100, 200) jeweils abwechselnd mit dem Heizmittel (30) erwärmt bzw. mit dem Kühlmittel (20) abgekühlt werden kann, so daß das Arbeitsmedium (10) in dem ersten Volumen (100) und das Arbeitsmedium (10) in dem zweiten Volumen (200) einen Druckunterschied aufweisen, und eine Maschine (300), die mit der Fluidleitung (400) verbunden und so eingerichtet ist, daß sie mit dem Druckunterschied betrieben werden kann, wobei der Heizmittelanschluß (124, 224) der zweiten Vorrichtung (2000) mit einem Heizmittelauslass (128, 228) der ersten Vorrichtung (1000) verbunden ist, und wobei die zweite Vorrichtung (2000) für einen Prozeß eingerichtet ist, der im Vergleich zur ersten Vorrichtung (1000) eine niedrigere Prozeßtemperatur aufweist, bzw. in dem die erste Vorrichtung (1000) für einen Prozeß mittlerer Temperatur eingerichtet ist.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Maschine ein elektrischer Generator ist.
  3. System nach Anspruch 1, wobei die Maschine ein Motor ist.
  4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maschine nach dem Rotationskolbenprinzip aufgebaut ist.
  5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Maschine eine Turbine ist.
  6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Vorrichtung (1000) für einen Hochtemperaturprozess eingerichtet ist.
  7. System nach Anspruch 6, wobei die erste Vorrichtung für Heizmitteleingangstemperaturen im Bereich von 400°C bis 900°C eingerichtet ist.
  8. System nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste Vorrichtung für Heizmittelausgangstemperaturen im Bereich von 200°C bis 400°C eingerichtet ist.
  9. System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die erste Vorrichtung mit einem Gas betreibbar ist.
  10. System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Gas Helium oder Stickstoff ist.
  11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Vorrichtung bzw. die erste Vorrichtung für Heizmitteleingangstemperaturen im Bereich von 200°C bis 350°C eingerichtet ist.
  12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Vorrichtung bzw. die erste Vorrichtung für Heizmittelausgangstemperaturen im Bereich von 100°C bis 200°C eingerichtet ist.
  13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Vorrichtung bzw. die erste Vorrichtung für den Betrieb mit einem ORC-Medium ausgelegt ist.
  14. System nach Anspruch 13, wobei die zweite Vorrichtung bzw. die erste Vorrichtung ausgelegt ist, eine Phasenumwandlung bei dem ORC-Medium herbeizuführen.
  15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine dritte Vorrichtung (1000) bzw. eine zweite Vorrichtung (2000), wobei der Heizmittelanschluß (124, 224) der dritten Vorrichtung (3000) bzw. der zweiten Vorrichtung (2000) mit einem Heizmittelauslass (128, 228) der zweiten Vorrichtung (2000) bzw. der ersten Vorrichtung (1000) verbunden ist und die dritte Vorrichtung (3000) bzw. die zweite Vorrichtung (2000) für einen Prozess eingerichtet ist, der im Vergleich zur zweiten Vorrichtung bzw. zur ersten Vorrichtung eine niedrigere Prozesstemperatur aufweist.
  16. System nach Anspruch 15, wobei die dritte Vorrichtung bzw. die zweite Vorrichtung für Heizmitteleingangstemperaturen im Bereich von 80°C bis 200°C eingerichtet ist.
  17. System nach Anspruch 15 oder 16, wobei die dritte Vorrichtung bzw. die zweite Vorrichtung für Heizmittelausgangstemperaturen im Bereich von 20°C bis 100°C eingerichtet ist.
  18. System nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die dritte Vorrichtung bzw. die zweite Vorrichtung für den Betrieb mit einem Niedertemperatur-ORC-Medium ausgelegt ist.
  19. System nach Anspruch 18, wobei die dritte Vorrichtung bzw. die zweite Vorrichtung ausgelegt ist, eine Phasenumwandlung bei dem Niedertemperatur-ORC-Medium herbeizuführen.
  20. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin in zumindest einer Vorrichtung ein Wärmetauscher (148, 248) zur Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums mittels eines weiteren Heizmittels mit der Fluidleitung verbunden ist.
  21. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine jeweilige Vorrichtung einen Motor als Maschine aufweist und wobei die jeweiligen Motoren so eingerichtet sind, dass sie dieselbe Welle antreiben können.
  22. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine jeweilige Vorrichtung mit derselben Maschine verbunden ist.
  23. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System eingerichtet ist, dass die erste und die zweite Vorrichtung (1000, 2000) und gegebenenfalls die dritte Vorrichtung (3000) zueinander phasenverschoben betrieben werden können, so dass sich die die erste und die zweite Vorrichtung und gegebenenfalls die dritte Vorrichtung zu einem gegebenen Zeitpunkt in jeweils verschiedenen Takten des Prozesses befinden.
  24. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System eingerichtet ist, daß die erste und die zweite Vorrichtung (1000, 2000) zueinander phasenverschoben betrieben werden können, so das sich die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung in verschiedenen Takten befinden.
  25. System nach Anspruch 24, wobei 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 können.
  26. System nach Anspruch 24, wobei die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung mit derselben Maschine verbunden sind.
  27. Anlage, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine (1100), insbesondere einen Motor, und ein System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Heizmittelanschluss (124, 224) der ersten Vorrichtung mit einem Abgasauslass (1120) der Verbrennungskraftmaschine (1100) verbunden ist.
  28. Anlage nach Anspruch 27, weiterhin umfassend einen mit der Fluidleitung (400) verbundenen Wärmetauscher (148, 248) zur Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums, wobei der Wärmetauscher (148, 248) weiterhin mit einer Kühlmittelleitung (1135) für erwärmtes Kühlmittel der Verbrennungskraftmaschine (1100), insbesondere von Kühlwasser, verbunden ist.
  29. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 26 und/oder einer Anlage nach Anspruch 27 oder 28 zur Nachverstromung von Abwärme in einem Kraftwerk, insbesondere einem Blockheizkraftwerk.
  30. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 26 und/oder einer Anlage nach Anspruch 27 oder 28 zur Nutzung der Abwärme eines Industrieprozesses.
  31. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 26 und/oder einer Anlage nach Anspruch 27 oder 28 zur Abwärmeverstromung in einer Heizungsanlage.
  32. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 26 und/oder einer Anlage nach Anspruch 27 oder 28 in einem Kraftfahrzeug zur Unterstützung des Antriebsmotors.
  33. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 26 und/oder einer Anlage nach Anspruch 27 oder 28 in einem Kraftfahrzeug zur Stromerzeugung.
  34. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 26 und/oder einer Anlage nach Anspruch 27 oder 28 in einem Kraftfahrzeug zum Betrieb einer Kältemaschine.
  35. Verfahren zur Abwärmenutzung, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 26; (b) Zuleiten eines Heizmittels an die erste Vorrichtung (1000) zum Erwärmen des Arbeitsmediums in der ersten Vorrichtung, wobei das Heizmittel eine hohe Eingangstemperatur im Bereich von 400°C bis 900°C bzw. eine mittlere Eingangstemperatur im Bereich von 200°C bis 350°C aufweist; (c) Zuleiten des Heizmittels an die zweite Vorrichtung (2000) zum Erwärmen des Arbeitsmediums in der zweiten Vorrichtung, wobei das Heizmittel eine mittlere Eingangstemperatur im Bereich von 200°C bis 350°C bzw. eine niedrige Eingangstemperatur im Bereich von 80°C bis 200°C aufweist.
  36. Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Arbeitsmedium für eine hohe Arbeitstemperatur ein Gas oder Gasgemisch, insbesondere Helium und/oder Stickstoff, ist.
  37. Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Arbeitsmedium für eine mittlere Eingangstemperatur ein ORC-Medium oder ein Dampf ist.
  38. Verfahren nach Anspruch 37, wobei beim Erwärmen bzw. beim Abkühlen des Arbeitsmediums ein Phasenübergang des Arbeitsmediums herbeigeführt wird.
  39. Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Arbeitsmedium für eine niedrige Eingangstemperatur ein Niedertemperatur-ORC-Medium ist.
  40. Verfahren nach Anspruch 39, wobei beim Erwärmen bzw. beim Abkühlen des Arbeitsmediums ein Phasenübergang des Arbeitsmediums herbeigeführt wird.
  41. Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 40, wobei abgekühltes Arbeitsmedium in einem Regenerator vorerwärmt wird.
  42. Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 41, wobei abgekühltes Arbeitsmedium in einem Wärmetauscher vorerwärmt wird.
  43. Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 42, wobei mehrere Vorrichtungen zur Druckerzeugung mit zueinander verschobenem Takt betrieben werden.
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