DE102008048639A1

DE102008048639A1 - Wärmekraftmaschine und Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE102008048639A1
Application number: DE200810048639
Authority: DE
Inventors: Raimund Wuerz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: DE102008048639B4

Abstract

Eine Wärmekraftmaschine (1000) umfaßt ein erstes Volumen (100), das eingerichtet ist, abwechselnd erwärmt und abgekühlt zu werden, ein zweites Volumen (200), das eingerichtet ist, abwechselnd erwärmt und abgekühlt zu werden, ein Arbeitsmedium (10), das in dem ersten und in dem zweiten Volumen (100, 200) enthalten ist, und eine Fluidleitung (400), über die das erste Volumen (100) und das zweite Volumen (200) miteinander verbunden sind, wobei eine mit dem Arbeitsmedium betreibbare Maschine (300) zwischen dem ersten Volumen (100) und dem zweiten Volumen (200) mit der Fluidleitung (400) verbunden ist, wobei die Wärmekraftmaschine (1000) so eingerichtet ist, daß in einem ersten Zustand das Arbeitsmedium (10) in dem ersten Volumen (100) erwärmt wird während das Arbeitsmedium (10) in dem zweiten Volumen (200) abgekühlt wird und in einem zweiten Zustand das Arbeitsmedium (10) in dem ersten Volumen (100) abgekühlt wird während das Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen (200) erwärmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Wärmekraftmaschine.
Im Stand der Technik sind zahlreiche Wärmekraftmaschinen 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 Seliger-Prozess, der speziell als Vergleichsprozess für in Verbrennungsmotoren (Otto- und Diesel-Motoren) auftretende Kreisprozesse eingeführt wurde. Beim Seiliger-Prozess 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 Wärmekraftmaschine bereitzustellen, der thermische Energie in Form eines äußeren Wärmeübergangs zugeführt wird. Auf diese Weise können beispielsweise natürliche Wärmequellen genutzt werden. Ebenfalls können durch Wärmekraftmaschinen 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.
Im Hinblick darauf schlägt die vorliegende Erfindung eine Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1 sowie eine Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine nach Anspruch 38 vor. Weitere Aspekte, Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Wärmekraftmaschine bereitgestellt, die ein erstes Volumen umfasst, das eingerichtet ist, abwechselnd erwärmt und abgekühlt zu werden, und die ebenfalls ein zweites Volumen umfasst, das auch eingerichtet ist, abwechselnd erwärmt und abgekühlt zu werden. Weiterhin umfasst die Wärmekraftmaschine ein Arbeitsmedium, das in dem ersten und in dem zweiten Volumen enthalten ist sowie eine Fluidleitung, über die das erste Volumen und das zweite Volumen miteinander verbunden sind. Dabei ist eine mit dem Arbeitsmedium betreibbare Maschine zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen mit der Fluidleitung verbunden. Die Wärmekraftmaschine ist weiterhin so eingerichtet, dass in einem ersten Zustand das Arbeitsmedium in dem ersten Volumen erwärmt wird, während das Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen abgekühlt wird und in einem zweiten Zustand das Arbeitsmedium in dem ersten Volumen abgekühlt wird, während das Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen erwärmt wird.
Bei der Wärmekraftmaschine gemäß dem oben beschrieben Ausführungsbeispiel wird also immer abwechselnd in dem ersten Volumen erwärmt und dem zweiten Volumen abgekühlt bzw. in dem ersten Volumen abgekühlt und in dem zweiten Volumen erwärmt. Dabei tritt in dem Volumen, in dem das Arbeitsmedium erwärmt wird, eine Druckerhöhung des Arbeitsmediums auf. Gleichzeitig tritt in dem Volumen, in dem das Arbeitsmedium abgekühlt wird, eine Druckverminderung des Arbeitsmediums auf. Hat sich nun durch Erwärmung und Abkühlung des Arbeitsmediums zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen ein zum Betrieb der Maschine hinreichender Druckunterschied aufgebaut, so kann über die Fluidleitung ein Druckausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen erfolgen. Dabei wird das unter höherem Druck stehende erwärmte Arbeitsmedium in Richtung des Volumens, in dem sich das unter niedrigerem Druck stehende abgekühlte Arbeitsmedium befindet, strömen. Das strömende Arbeitsmedium wird dabei über die Arbeitsmaschine geführt und verrichtet dort mechanisch Arbeit. Im nächsten Arbeitstakt der Wärmekraftmaschine wird nun in dem Volumen, das zuvor abgekühlt wurde, das Arbeitsmedium erwärmt, während es in dem Volumen, das zuvor erwärmt wurde, in diesem Takt abgekühlt wird. Am Ende dieses zweiten Arbeitstaktes haben sich also die Verhältnisse in der Wärmekraftmaschine umgekehrt, sodass in dem zunächst kalten Volumen nun erwärmtes Arbeitsmedium unter hohem Druck und in dem zunächst heißen Volumen abgekühltes Arbeitsmedium unter niedrigem Druck bereitsteht. Es kann nun abermals ein Druckausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen hergestellt werden, wobei wiederum dem strömenden Arbeitsmedium mittels der zwischengeschalteten Maschine mechanische Arbeit entzogen werden kann. Am Ende dieses Druckausgleichs ist die Wärmekraftmaschine wieder in ihrem Ausgangszustand, sodass der Prozess erneut durchgeführt werden kann. Eine nach dem beschriebenen Prinzip arbeitende Wärmekraftmaschine kann, wie weiter unten noch ausgeführt werden wird, verhältnismäßig kostengünstig und in einer kompakten Bauform bereitgestellt werden. Weiterhin lässt sich ein solches System durch geeignete Wahl der Volumina und des Arbeitsmediums auf eine große Bandbreite von Anwendungen anpassen. Insbesondere kann dabei zum Beispiel Helium als Arbeitsmedium verwendet werden. Mit Helium als Arbeitsmedium kann beispielsweise ein Hochtemperatur- und Hochdruckprozess realisiert werden, bei dem Temperaturen im Bereich bis zu mehreren hundert Grad Celsius sowie Drücke bis zu 300 oder sogar 400 bar realisierbar sind. Die oben beschriebene Wärmekraftmaschine ist jedoch gleichfalls geeignet, mit einem ORC-Medium betrieben zu werden. Insbesondere kann dabei eine Phasenumwandlung des ORC-Mediums, zum Beispiel die Verdampfung bei Erwärmung bzw. die Verflüssigung bei Abkühlung des ORC-Mediums, erfolgen. Insbesondere kann in der oben beschriebenen Wärmekraftmaschine ein Niedertemperatur-ORC-Medium verwendet werden, das schon knapp oberhalb Raumtemperatur, beispielsweise bei 40°C, verdampft. Somit kann die Wärmekraftmaschine in ganz unterschiedlichen Druck- und Temperaturbereichen eingesetzt werden. Weiterhin können beispielsweise Stickstoff oder Luft als umweltneutrale gasförmige Arbeitsmedien verwendet werden. Es ist ebenfalls denkbar, Wasserdampf als umweltneutrales Arbeitsmedium zu verwenden. Dabei kann eine Phasenumwandlung zwischen Wasserdampf und flüssigem Wasser auftreten. Weiterhin können auch Gemische aus verschiedenen Arbeitsmedien eingesetzt werden. Insbesondere können Gasgemische oder auch Gemische aus verschiedenen ORC-Medien verwendet werden, um die Prozessparameter in geeigneter Weise anzupassen.
Die oben beschriebene Wärmekraftmaschine ist daher in eine 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 Wärmekraftmaschine genutzt werden, um die oftmals vergeudete Abwärme nutzbar zu machen, Energie einzusparen und den Wirkungsgrad der Prozesse zu erhöhen. Insbesondere kann der Druckerzeuger 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 Rohstroffen, 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.
Gemäß einer Ausführungsform der Wärmekraftmaschine weist das erste und/oder das zweite Volumen einen heißen Bereich und einen kalten Bereich auf. Auf diese Weise kann das abwechselnde Erwärmen und Abkühlen des Arbeitsmediums in dem jeweiligen Volumen auf einfache Weise sichergestellt werden. Es wird dann nämlich das Arbeitsmedium jeweils in dem heißen Bereich bzw. dem kalten Bereich des Volumens bereitgestellt werden, je nachdem ob das Arbeitsmedium in diesem Volumen gerade erwärmt oder abgekühlt werden soll. Dabei kann gemäß einem Ausführungsbeispiel in dem kalten Bereich ein Kühlmittel bereitgestellt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann in dem heißen Bereich ein Heizmittel bereitgestellt werden. Typischerweise können dabei das Kühlmittel und/oder das Heizmittel in jeweiligen Wärmetauschern bereitgestellt werden. Insbesondere kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowohl das erste Volumen als auch das zweite Volumen jeweils einen ersten Wärmetauscher im kalten Bereich und einen zweiten Wärmetauscher im heißen Bereich aufweisen. Auf diese Weise kann die Erwärmung bzw. die Abkühlung des Arbeitsmediums auf besonders einfache Weise erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführung kann der jeweils erste Wärmetauscher jeweils mehrere im Wesentlichen parallel verlaufende Rohre für das Kühlmittel aufweisen. Weiterhin weist der jeweils erst Wärmetauscher typischerweise einen Kühlmittelzufluss sowie einen Kühlmittelabfluss auf. Gleichermaßen weist gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der jeweils zweite Wärmetauscher jeweils mehrere im Wesentlichen parallel verlaufende Rohre für das Heizmittel auf. Typischerweise weist der jeweils zweite Wärmetauscher ebenfalls jeweils einen Heizmittelzufluss sowie einen Heizmittelabluss auf. Durch die Anordnung mehrer parallel verlaufender Rohre wird die zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche im Wärmetauscher vergrößert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden dabei mehrere Rohre mit verhältnismäßig kleinem Querschnitt nebeneinander angeordnet und miteinander verbunden, beispielsweise durch Verschweißen. Alternativ kann auch eine ähnliche Struktur durch Bereitstellen eines einzelnen größeren Rechteckprofils, in das Trennwände eingebracht werden, realisiert werden. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass durch die relativ kleinen Einzelquerschnitte die Rohre gegenüber dem insbesondere beim Erwärmen des Arbeitsmediums auftretenden Umgebungsdrücken druckfest sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein jeweiliger Wärmetauscher mehrere solcher Rohrbündel aufweisen, die beabstandet zueinander nebeneinander angeordnet sind. Auf diese Weise kann das Arbeitsmedium in die Zwischenräume zwischen den jeweiligen Rohrbündeln strömen und dort an der Oberfläche der jeweiligen Rohrbündel Wärme aus einem Heizmittel aufnehmen bzw. Wärme an ein Kühlmittel abgeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der heiße und der kalte Bereich eines jeweiligen Volumens voneinander thermisch isoliert. Auf diese Weise kann ein unerwünschter Wärmeübertrag vorn heißen Bereich auf den kalten Bereich vermindert bzw. vermieden werden, sodass der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine gesteigert wird. Beispielsweise können dabei die Rohre eines ersten Wärmetauschers und die Rohre eines zweiten Wärmetauschers voneinander jeweils mittels einer Isolierung thermisch isoliert sein. Insbesondere kann gemäß einer Ausführungsform jeweils eine thermische Isolierung zwischen den Rohren des ersten Wärmetauschers und den Rohren des zweiten Wärmetauschers angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann in der Wärmekraftmaschine der Kühlmittelzufluss zum ersten Volumen und der Kühlmittelzufluss zum zweiten Volumen über eine Weiche mit einer Kühlmittelleitung verbunden sein, wobei die Weiche eingerichtet ist, dass Kühlmittel entweder in das erste Volumen oder in das zweite Volumen zu leiten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann in der Wärmekraftmaschine der Heizmittelzufluss zum ersten Volumen und der Heizmittelzufluss zum zweiten Volumen über eine Weiche mit einer Heizmittelleitung verbunden sein, wobei die Weiche eingerichtet ist, das Heizmittel entweder in das erste Volumen oder in das zweite Volumen zu leiten. Auf diese Weise kamen ein einziger Kühlmittelstrom bzw. ein einziger Heizmittelstrom über die jeweiligen Weichen so geleitet werden, dass das Kühlmittel jeweils nur in dem Volumen bereitgestellt wird, in dem das Arbeitsmedium abgekühlt werden soll, und das Heizmittel jeweils nur in dem Volumen bereitgestellt wird, in dem das Arbeitsmedium erwärmt werden soll. Insbesondere können so die jeweiligen Wärmetauscher in dem kalten oder dem heißen Bereich eines jeweiligen Volumens immer nur dann mit Kühlmittel oder Heizmittel beschickt werden, wenn dieses in dem jeweiligen Arbeitstakt auch tatsächlich in diesem Volumen benötigt wird. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass Heizmittel bzw. Kühlmittel ungenutzt durch einen Wärmetauscher geleitet werden, weil das Heizmittel bzw. das Kühlmittel in dem jeweiligen Takt in dem Volumen gerade nicht benötigt werden.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform können der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher jeweils eine erste Gruppe von Rohrleitungen und eine zweite Gruppe von Rohrleitungen umfassen, die über eine Fluidverbindung miteinander verbunden sind. Die Rohrleitungen sind innerhalb des Volumens so angeordnet, dass sie in zueinander entgegen gesetzter Richtung von dem Heizmittel und/oder dem Kühlmittel durchströmt werden. Beispielsweise können die erste Gruppe von Rohrleitungen und die zweite Gruppe von Rohrleitungen zusammen mit der Fluidverbindung im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sein. An einem Ende der ersten Gruppe der Rohrleitungen kann beispielsweise ein Kühlmittel- oder Heizmitteleinlass vorgesehen sein. An einem zweiten Ende der zweiten Gruppe von Rohrleitungen kann beispielsweise ein Kühlmittel- oder Heizmittelauslass vorgesehen sein. Wenn nun Kühlmittel oder Heizmittel über den Einlass in die erste Gruppe von Rohrleitungen in einer ersten Richtung einströmt, so kann sie über die Fluidverbindung beispielsweise um ungefähr 90° umgelenkt und dann wiederum um 90° in die zweite Gruppe von Rohrleitungen einströmen. Das Heizmittel bzw. das Kühlmittel strömen dann über den Auslass aus der zweiten Gruppe von Rohrleitungen aus. Aufgrund der zweifachen Umlenkung in der Fluidverbindung um jeweils 90° Grad durchströmen das Heizmittel bzw. das Kühlmittel die erste Gruppe von Rohrleitungen und die zweite Gruppe von Rohrleitungen in zueinander entgegengesetzter Richtung. Durch eine solche Anordnung im Wärmetauscher kann zum einen die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert und zum anderen die Zeit, in der das Heizmittel bzw. das Kühlmittel den Wärmetauscher durchströmt, verlängert werden. Auf diese Weise wird der Wärmeaustausch effizienter und der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine verbessert.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Arbeitsmedium auch mittels elektromagnetischer Strahlung erhitzt werden. Insbesondere kann hierbei Sonnenlicht zum Erhitzen des Arbeitsmediums verwendet werden. Als Arbeitsmedium kommen dabei sowohl gasförmige als auch ORC-Medien in Betracht. Auf diese Weise kann eine Wärmekraftmaschine geschaffen werden, die einfach mit Hilfe des Sonnenlichts betreibbar ist und keiner sonstigen Wärmezufuhr bedarf. Weiterhin ist denkbar, einen externen Erhitzer zur Bereitstellung eines Heizmittels vorzusehen. Beispielsweise könnte in einem solchen externen Erhitzer ein Thermoöl durch Sonneneinstrahlung erhitzt werden und dann einem Wärmetauscher zugeführt werden. Als Kühlmittel einer solchen autarken Anlage käme gegebenenfalls die Umgebungsluft oder aber Kühlwasser, wie es etwa durch Seen oder Bäche zur Verfügung stehen kann, in Betracht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Wärmekraftmaschine weiterhin einen Verdrängerkolben, der zwischen dem kalten Bereich und dem heißen Bereich verfahrbar angeordnet ist. Typischerweise ist der Verdrängerkolben aus einem thermisch isolierenden Material ausgebildet, sodass der Verdrängerkolben keinen bzw. kaum Wärmeübertrag vom heißen auf den kalten Bereich gestattet. Beispielsweise kann der Verdrängerkolben Kunststoff oder Holz umfassen. Gemäß einer Ausführungsform ist der Verdrängerkolben aus Polytetraflourethylen (PTFE), besser bekannt unter dem Markennamen Teflon^®, oder zumindest mit Teflon^® beschichtet. Auf diese Weise weist der Verdrängerkolben eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie hervorragende Gleiteigenschaften auf. Der Verdrängerkolben ist typischerweise so ausgebildet, dass er den Zwischenraum im Wärmetauscher praktisch vollständig ausfüllt. Insbesondere kann der Verdrängerkolben gemäß einer Ausführungsform eine kammartige Struktur aufweisen, die zwischen den Heizmittel- bzw. Kühlmittelrohren verläuft. Weiterhin kann für den Verdrängerkolben eine Endlagendämpfung vorgesehen werden. Gemäß einer Ausführungsform ist der Verdrängerkolben extern antreibbar. Beispielsweise kann der Verdrängerkolben über einen elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Antrieb zwischen dem heißen und dem kalten Bereich verschoben werden.
Der oben beschriebene Verdrängerkolben gestattet es, das Arbeitsmedium aus dem heißen oder dem kalten Bereich eines jeweiligen Volumens herauszudrücken. Weiterhin ist der Verdrängerkolben typischerweise so ausgebildet, dass er das gesamte zwischen dem Wärmetauscher zur Verfügung stehende Volumen des heißen bzw. kalten Bereichs ausfüllt. Auf diese Weise steht dem Arbeitsmedium jeweils nur der Teil eines jeweiligen Volumens zur Verfügung, in dem sich der Verdrängerkolben nicht befindet.
Weiterhin kann eine Fluidverbindung zwischen dem heißen Bereich und dem kalten Bereich des ersten bzw. des zweiten Volumens in der Wärmekraftmaschine bereitgestellt sein. Auf diese Weise kann durch Verschieben des Verdrängerkolben das Arbeitsmedium von dem heißen Bereich in den kalten Bereich bzw. umgekehrt gebracht werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der heiße Bereich und der kalte Bereich eines jeweiligen Volumens auf demselben Druckniveau liegen. Auf diese Weise muss beim Verschieben des Verdrängerkolbens keine Arbeit gegen den Gasdruck aufgewendet werden. Lediglich die Lager und Reibungskräfte des Kolbens sowie die relativ geringen strömungsdynamischen Verluste im Arbeitsmedium müssen zur Verschiebung aufgewendet werden. Auf diese Weise kann in einem jeweiligen Volumen das Arbeitsmedium mit geringem Aufwand von dem heißen Bereich in den kalten Bereich und umgekehrt gebracht werden, so dass das abwechselnde Erwärmen und Abkühlen in dem jeweiligen Volumen realisiert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Wärmekraftmaschine weiterhin zumindest einen Regenerator umfassen, der in der Fluidleitung angeordnet ist. Wird der Regenerator vom heißen Arbeitsmedium durchströmt, so nimmt er einen Teil der Wärmeenergie auf und speichert diesen. In einem späteren Arbeitstakt der Wärmekraftmaschine wird das nun abgekühlte Arbeitsmedium über den Regenerator in den heißen Bereich zur Erwärmung verschoben. Dabei nimmt das kalte Arbeitsmedium bereits Wärme vom Regenerator auf, sodass es den heißen Bereich bereits vorgewärmt erreicht. Auf diese Weise kann der Regenerator der Erhöhung des Wirkungsgrades dienen. Gemäß einer weiteren Bauform kann der Regenerator in einer Gehäusewand des ersten und/oder des zweiten Volumens ausgebildet sein. Insbesondere kann der Regenerator einem Einlass bzw. Auslass für das Arbeitsmedium in das erste und/oder das zweite Volumen vorgeschaltet sein. Auf diese Weise wird eine sehr kompakte Bauform erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das erste Volumen und/oder das zweite Volumen zylinderförmig oder zigarrenförmig ausgebildet sein. Auf diese Weise wird zum einen das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen günstig, sodass die thermische Isolierung des Volumens erleichtert wird. Weiterhin führt dies auch zu einer Verminderung des benötigten Materials.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind das erste Volumen und/oder das zweite Volumen in zumindest einer Dimension deutlich kleiner ausgebildet als in den beiden anderen Dimensionen. Mit anderen Worten können das erste Volumen und das zweite Volumen als sehr flache Elemente bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann die Wärmekraftmaschine beispielsweise am Unterboden von Kraftfahrzeugen, insbesondere LKWs, montiert werden. Als Kühlmittel kann hierbei beispielsweise Luft in Form des Fahrtwinds dienen, wobei als Heizmittel das Abgas des Motors dient. Durch geeignete Materialwahl kann eine solche Wärmekraftmaschine verhältnismäßig leicht gebaut werden. Über diese Wärmekraftmaschine kann ein Hilfsmotor angetrieben werden, sodass Kraftstoffeinsparungen von ca. 12% erreicht werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann bei der Wärmekraftmaschine die Fluidleitung weiterhin eingerichtet sein, eine Fluidverbindung zwischen dem heißen Bereich des ersten Volumens und/oder des zweiten Volumens und einer Hochdruckseite der Arbeitsmaschine bereitzustellen. Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Fluidleitung weiterhin eingerichtet sein, eine Fluidverbindung zwischen dem kalten Bereich des ersten Volumens und/oder des zweiten Volumens und einer Niederdruckseite der Arbeitsmaschine bereitzustellen. Dabei ist gemäß einem Ausführungsbeispiel die Arbeitsmaschine ein Motor. Insbesondere kann die Arbeitsmaschine als druckbetriebener Rotationskolbenmotor ausgebildet sein. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Maschine ein elektrischer Generator. Insbesondere kann der Generator ein mit Druck betriebener elektrischer Generator nach dem Rotationskolbenprinzip sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Maschine eine pneumatische oder hydraulische Maschine sein, wobei der von dem strömenden Arbeitsmedium bereitgestellte Druck zum Betrieb der pneumatischen oder hydraulischen Maschine genutzt wird. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die mit Druck betriebene Maschine eine Pumpe oder auch eine Kältemaschine sein. Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Maschine eine mit Pressluft betriebene Baumaschine, insbesondere ein Presslufthammer, sein.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann in der Fluidleitung zusätzlich ein Wärmetauscher vorgesehen sein. Der Wärmetauscher kann dabei beispielsweise zwischen einen Regenerator und die Arbeitsmaschine geschaltet sein. Mit Hilfe dieses zusätzlichen Wärmetauschers kann beispielsweise eine Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums in der Fluidleitung erfolgen. Beispielsweise kann zur Zwischenerhitzung das Kühlwasser eines Motors durch den Wärmetauscher geleitet werden. Durch eine solche Zwischenerhitzung kann der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine weiter erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer oben beschriebenen Wärmekraftmaschine bereitgestellt. Dieses Verfahren umfasst die Schritte des Erwärmens eines Arbeitsmediums in einem ersten Volumen, des Beaufschlagens einer mit dem Arbeitsmedium betreibbaren Maschine mit dem erwärmten Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium sich entspannt und Arbeit verrichtet, das Einlassen des entspannten Arbeitsmediums in ein zweites Volumen, das Abkühlen des Arbeitsmediums in dem zweiten Volumen, das Erwärmen des Arbeitsmediums in dem zweiten Volumen, das Beaufschlagen der mit dem Arbeitsmedium betreibbaren Maschine mit dem erwärmten Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium sich entspannt und Arbeit verrichtet, das Einlassen des entspannten Arbeitsmediums in das erste Volumen und schließlich das Abkühlen des Arbeitsmediums in dem ersten Volumen. Dieses Verfahren zeichnet sich also dadurch aus, dass ein Arbeitsmedium in einem Volumen erwärmt wird, wohingegen es gleichzeitig in einem zweiten Volumen abgekühlt wird. Auf diese Weise entsteht ein Druckunterschied zwischen dem erwärmten Arbeitsmedium in dem ersten Volumen und dem abgekühlten Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen. Wird ein Druckausgleich zwischen den beiden Volumina ermöglicht, so strömt das unter höherem Druck stehende erwärmte Arbeitsmedium von dem ersten Volumen in das unter niedrigerem Druck stehende zweite Volumen. Dabei kann das strömende Arbeitsmedium mechanische Arbeit verrichten, mit der eine Maschine angetrieben werden kann. Anschließend wird der Vorgang umgekehrt, sodass schließlich im zweiten Volumen erwärmtes Arbeitsmedium und im ersten Volumen abgekühltes Arbeitsmedium bereitstehen. Wiederum kann über die Herstellung eines Druckausgleichs mechanische Arbeit von dem strömenden Arbeitsmedium verrichtet werden. Am Ende des Verfahrens befindet sich die Wärmekraftmaschine wieder im Ausgangszustand, sodass das Verfahren erneut durchgeführt werden kann. Mit dem oben dargestellten Verfahren kann also die Wärmekraftmaschine periodisch betrieben werden.
In diesem Zusammenhang wird ergänzend darauf hingewiesen, dass der Druckerzeuger 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.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Arbeitsmedium im ersten Schritt des Verfahrens in einem heißen Bereich des ersten Volumens erwärmt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Arbeitsmedium in einem kalten Bereich des zweiten Volumens eingelassen, in dem es dann abgekühlt wird. Gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens kann weiterhin das abgekühlte Arbeitsmedium in einen heißen Bereich des zweiten Volumens verschoben werden, in dem es dann erwärmt wird. Weiterhin kann das in dem heißen Bereich des zweiten Volumens erwärmte Arbeitsmedium in einen kalten Bereich des ersten Volumens eingelassen werden, wo es abgekühlt wird. Ebenso wie bei dem zweiten Volumen kann auch bei dem ersten Volumen das abgekühlte Arbeitsmedium von dem kalten Bereich in einen heißen Bereich des ersten Volumens verschoben werden. In diesem heißen Bereich des ersten Volumens wird anschließend das Arbeitsmedium wieder erwärmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das wahlweise Zuleiten eines Heizmittels in den heißen Bereich des ersten oder des zweiten Volumens, wenn das Arbeitsmedium darin erwärmt wird. Gleichfalls kann gemäß noch einer Ausführungsform das Verfahren weiterhin das wahlweise Zuleiten eines Kühlmittels in den kalten Bereich des ersten oder des zweiten Volumens umfassen, wenn das Arbeitsmedium darin abgekühlt wird. Auf diese Weise wird das Heizmittel bzw. das Kühlmittel jeweils nur dann in den heißen bzw. den kalten Bereich eines jeweiligen Volumens eingeleitet, wenn sich das Arbeitsmedium in diesem Volumen befindet. Der Heizmittelstrom bzw. der Kühlmittelstrom können auf diese Weise besonders effizient genutzt werden.
Das oben beschriebene Verfahren kann mit beliebigen gasförmigen Arbeitsmedien durchgeführt werden. Insbesondere kann beispielsweise der Prozess mit dem Arbeitsmedium Helium durchgeführt werden, wobei Prozesstemperaturen im Bereich von mehreren hundert Grad Celsius sowie Prozessdrücke im Bereich mehrerer hundert bar gefahren werden können. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren auch mit einem ORC-Medium verwirklicht werden. Insbesondere kann das verwendete ORC-Medium an die zur Verfügung stehenden Temperaturen der jeweiligen Heiz- bzw. Kühlmittelströme angepasst werden. Beim Betrieb der Wärmekraftmaschine mit einem ORC-Medium besteht gegenüber einem herkömmlichen ORC-Prozess insbesondere der Vorteil, dass das ORC-Medium nicht mit Druck eingespritzt werden muss. Bei einem typischen ORC-Prozeß mit ungefähr 25 kW Gesamtleistung muß nämlich ständig eine Pumpleistung von beispielsweise 2,5 kW erbracht werden. Somit gehen 10% der Leistung verloren. Dagegen kann mit der oben beschriebenen Wärmekraftmaschine das Medium von der kalten Seite eines Volumens zur heißen Seite eines Volumens bzw. umgekehrt verschoben werden, ohne dass gegen einen Druck Arbeit verrichtet werden muss. Dadurch kann ein höherer Wirkungsgrad als in herkömmlichen ORC-Anlagen erzielt werden, da in diesen ständig die Einspritzpumpe betrieben werden muß wohingegen bei der Wärmekraftmaschine gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung nur der Verdrängerkolben drucklos verschoben werden braucht.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden mm Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Wärmekraftmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines ersten oder zweiten Volumens bei einer Wärmekraftmaschine.
3 eine Querschnittsansicht der in 2 gezeigten Anordnung entlang der Linie A-A.
4 eine Querschnittsansicht der in 2 gezeigten Anordnung entlang der Linie B-B.
5 eine Querschnittsansicht der in 2 gezeigten Anordnung entlang der Linie C-C.
6 eine Wärmekraftmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in einem ersten Zustand.
7 die Wärmekraftmaschine gemäß 6 in einem zweiten Zustand.
8 die Wärmekraftmaschine gemäß 6 in einem dritten Zustand.
9 die Wärmekraftmaschine gemäß 6 in einem vierten Zustand.
10 die Wärmekraftmaschine gemäß 6 in einem fünften Zustand.
11 die Wärmekraftmaschine gemäß 6 in einem sechsten Zustand.
12 die Wärmekraftmaschine gemäß 6 in einem siebten Zustand.
13 die Wärmekraftmaschine gemäß 6 in einem achten Zustand.
14 eine weitere Ausführungsform der Wärmekraftmaschine.
15 eine Querschnittsansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Volumens.
16 einen Querschnitt durch das Volumen gemäß 15 entlang der Linie A-A.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmekraftmaschine 1000 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Wärmekraftmaschine 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 eine Wärmemenge Q zugeführt und dem zweiten Volumen 200 eine Wärmemenge Q entnommen werden kann (Pfeile in 1). Weiterhin ist durch die gestrichelten Pfeile in 1 angedeutet, dass umgekehrt dem ersten Volumen 100 eine Wärmemenge Q entzogen und dem zweiten Volumen 200 eine Wärmemenge Q zugeführt werden kann. Darüber hinaus kann von der Maschine 300 mechanische Arbeit W verrichtet werden.
Das Arbeitsprinzip der Wärmekraftmaschine 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 einer Wärmemenge Q erhitzt. Dadurch steigt der Druck in dem ersten Volumen 100 an. Gleichzeitig wird das in dem zweiten Volumen 200 befindliche Arbeitsmedium 10 durch Abführen einer Wärmemenge Q abgekühlt. Dadurch sinkt der Druck in zweiten Volumen 200. 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 ersten Volumen 100 wird aufgrund seines höheren Drucks über die Fluidleitung 400 in das zweite Volumen 200 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 Wärmekraftmaschine wird nun dem zweiten Volumen 200 Wärme zugeführt, wie durch den gestrichelten Pfeil angedeutet ist. Umgekehrt wird nun das im ersten Volumen 100 vorhandene Arbeitsmedium 10 durch Entzug einer Wärmemenge Q abgekühlt. Am Ende dieses Arbeitstaktes liegt dann das erwärmte Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen 200 unter hohem Druck vor, während das Arbeitsmedium 10 in dem ersten Volumen 100 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 zweiten Volumen 200 in das erste Volumen 100, wobei es an der Maschine 300 mechanische Arbeit W verrichtet.
In diesem Zusammenhang wird ergänzend darauf hingewiesen, dass der Druckerzeuger 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.
Anhand der 2 bis 5 wird nun eine mögliche Umsetzung eines abwechselnd zu erwärmenden und abzukühlenden Volumens 100 gezeigt. Dabei zeigt 2 eine Draufsicht auf das erste Volumen 100, 3 eine Querschnittsansicht durch das erste Volumen 100 entlang der Line A-A in 2, die 4 eine Querschnittsansicht des ersten Volumens 100 entlang der Linie B-B in 2 und die 5 eine Querschnittsansicht durch das erste Volumen 100 entlang der Line C-C in 2.
Gemäß 2 weist das erste Volumen 100 einen kalten Bereich 110 und einen heißen Bereich 120 auf. In dem kalten Bereich 110 sind Kühlmittelrohre 112 angeordnet, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse des ersten Volumens 100 verlaufen. Die Kühlmittelrohre 112 sind über einen Kühlmittelzufluss 114 mit einer Kühlmittelleitung (nicht gezeigt) verbunden. Über die Kühlmittelleitung und den Kühlmittelzufluss 114 kann Kühlmittel 20 in die Kühlmittelrohre 112 eingeleitet werden. Zwischen den Kühlmittelrohren 112 ist eine Kammer 140 für das Arbeitsmedium 10 angeordnet. Die Kammer 140 verfügt über einen Anschluss 142, über den Arbeitsmedium 10 in die Kammer 140 eingelassen oder ausgelassen werden kann.
In dem heißen Bereich 120 sind Heizmittelrohre 122 angeordnet, die ebenso wie die Kühlmittelrohre 112 im Wesentlichen parallel zur Längsachse des ersten Volumens 100 verlaufen. Insbesondere sind gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform die Heizmittelrohre 122 und die Kühlmittelrohre 112 zueinander ausgerichtet. Insbesondere können die Kühlmittelröhren 112 und die Heizmittelröhren 122 identische Durchmesser und Längen aufweisen und zueinander hinsichtlich ihrer Achsen kollinear ausgerichtet sein. Die Kühlmittelröhren 112 und die Heizmittelröhren 122 sind voneinander durch eine thermische Isolation 130 thermisch isoliert. Die thermische Isolation 130 ist dabei zwischen den jeweiligen sich gegenüberliegenden Enden der Kühlmittelröhren 112 und der Heizmittelröhren 122 angeordnet. Die Heizmittelröhren verfügen über einen Heizmittelzufluss 124, über den ein Heizmittel 30 in die Heizmittelröhren 122 eingelassen werden kann. Weiterhin ist zwischen den Heizmittelröhren 122 eine Kammer 150 gebildet, die über einen Anschluss 152 verfügt. Über den Anschluss 152 kann Arbeitsmedium in die Kammer 150 eingelassen werden. Bei dem dargestellten Volumen 100 bilden der Bereich 140 zwischen den Kühlmittelrohren und der Bereich 150 zwischen den Heizmittelrohren eine einzige durchgehende Kammer.
In dieser Kammer ist ein Verdrängerkolben 160 angeordnet. Der Verdrängerkolben 160 kann zwischen dem kalten Bereich 110 und dem heißen Bereich 120 verfahren werden. Dabei kann der Verdrängerkolben extern angetrieben werden, beispielsweise durch einen elektrischen Antrieb, einen pneumatischen oder einen hydraulischen Antrieb. Der Verdrängerkolben ist aus einem thermisch isolierenden Material gefertigt, beispielsweise einem Kunststoff und/oder einem Holz. Insbesondere kann der Verdrängerkolben 160 aus Teflon^® sein oder eine Teflon^® beschichtete Oberfläche aufweisen. Die Materialeigenschaften von Teflon^® sind für die vorliegende Anwendung insofern günstig, als Teflon^® eine Hitzebeständigkeit sowie hervorragende Gleiteigenschaften aufweist. Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Verdrängerkolben 160 in seiner Längserstreckung so bemessen, dass er in einer jeweilige Endlage bis in den Bereich der thermischen Isolierung 130 hineinreicht. Da der Verdrängerkolben 160 thermisch isolierend ist, wird auf diese Weise ein Wärmetransport vom heißen Bereich 120 in den kalten Bereich 110 des Volumens 100 unterdrückt. Weiterhin ist die räumliche Struktur des Verdrängerkolbens 160 so ausgebildet, dass er das gesamte Volumen der jeweiligen Kammer 140 im kalten Bereich bzw. der Kammer 150 im heißen Bereich vollständig ausfüllt. Insbesondere kann der Verdrängerkolben 160 dabei eine kammartige Struktur aufweisen, die zwischen den Kühlmittelrohren 112 bzw. den Heizmittelrohren 122 verläuft. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Endlagendämpfung (nicht gezeigt) für den Verdrängerkolben 160 vorgesehen, sodass der Verdrängerkolben beim Verschieben sanft in die jeweilige Endlage gleitet.
In der in 3 gezeigten Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-A ist erkennbar, dass der Verdrängerkolben 160 in seiner gezeigten Endlage dafür sorgt, dass das Arbeitsmedium 10 im wesentlichen vollständig aus dem heißen Bereich 120 verdrängt wurde. Lediglich im Anschlußbereich 150 des heißen Bereichs 120 ist noch ein kleiner Rest des Arbeitsmediums enthalten. Hingegen steht die Kammer 140 im kalten Bereich 110 dem Arbeitsmedium 10 vollständig zum Abkühlen zur Verfügung. Würde nun der Verdrängerkolben 160 in seine Endlage im kalten Bereich 110 verfahren, so würde er das Arbeitsmedium aus dem kalten Bereich 110 herausdrängen. Gleichzeitig könnte im heißen Bereich 120 dann Arbeitsmedium in das vom Verdrängerkolben 160 freigegebene Volumen einströmen. Auf diese Weise kann durch Verschieben des Verdrängerkolbens 160 bewirkt werden, dass in dem Volumen 100 nur jeweils der kalte Bereich 110 oder der heiße Bereich 120 für das Arbeitsmedium zugänglich ist.
Die in 4 gezeigte Schnittansicht entlang der Schnittlinie B-B zeigt deutlich die kammartige Struktur des Verdrängerkolbens 160. Dabei ist durch die Seitenwände 102 und den Deckel 104 des Volumens 100 ein Zwischenraum zwischen den Heizmittelrohren 122 geschaffen. Die geometrische Form des Verdrängerkolbens 160 ist so gewählt, dass er diesen Zwischenraum vollständig ausfüllt. Dazu weist er eine im Wesentlichen kammartige Struktur auf. Die Wanddicke der Seitenwände 102 bzw. des Deckels 104 kann dabei an die Prozessdrücke angepaßt werden.
Der in 5 gezeigte Querschnitt entlang der Schnittlinie C-C zeigt das ebenfalls kammartige Kammervolumen 140, wie es zwischen den Seitenwände 102 und dem Deckel 104 des Volumens 110 gebildet ist. Das darin befindliche Arbeitsmedium 10 kann dabei einen intensiven Wärmeaustausch mit dem im Kühlmittelrohr 112 befindlichen Kühlmittel 10 treten. Insbesondere wird durch die kammartige Struktur der Kühlmittelrohre bzw. Heizmittelrohre eine große Oberfläche für den Wärmeaustausch bereitgestellt.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Wärmekraftmaschine, deren detaillierte Funktionsweise dann in den 7 bis 13 erläutert werden wird. Die Wärmekraftmaschine umfasst dabei ein erstes Volumen 100 sowie eine zweites Volumen 200. Das erste Volumen 100 und das zweite Volumen 200 sind gemäß dem in den 2 bis 5 beschriebenen Ausführungsformen aufgebaut. Weiterhin sind in diesem Ausführungsbeispiel das erste Volumen 100 und das zweite Volumen 200 identisch aufgebaut, was jedoch nicht zwingend notwendig zur Ausführung der vorliegenden Erfindung ist. Dem kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 und dem 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. Über die dargestellte Anordnung kann das Kühlmittel wahlweise an den kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 oder den kalten Bereich 210 des zweiten Volumens 200 bereitgestellt werden. Gleichermaßen kann in dem heißen Bereich 120 des ersten Volumens 100 und dem 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.
Die bislang nur schematisch dargestellte Fluidleitung 400 ist in diesem Beispiel etwas genauer dargestellt, insbesondere ist eine mögliche Ventilanordnung gezeigt. Dabei sollte berücksichtigt werden, dass die in den 6 bis 13 gezeigte Anordnung lediglich die prinzipiellen fluidtechnischen Steuerungsmöglichkeiten aufzeigen soll, dies jedoch keinen detaillierten fluidtechnischen Schaltplan darstellt. Bei der praktischen Realisierung einer solchen Wärmekraftmaschine kann es daher selbstverständlich zu deutlichen Abweichungen der hier dargestellten Ventilanordnungen kommen. Der fluidtechnische Schaltungsaufbau des in 6 gezeigten Ausführungsbeispiels ist im Wesentlichen symmetrisch zwischen der oberen und der unteren Hälfte der Darstellung. Daher wird im Folgenden zunächst die fluidtechnische Verschaltung des ersten Volumens 100 beschrieben. Dabei ist hinter den Anschluss 142 des kalten Bereichs 110 ein Ventil 410 geschaltet. Das Ventil 410 ist eingerichtet, um ein Einlassen oder ein Auslassen des Arbeitsmediums 10 aus bzw. in die Kammer 140 zu steuern. Der Anschluss 142 des kalten Bereichs 110 ist über das Ventil 410 und über ein Stellventil 420 und ein weiteres Ventil 430 mit einer Niederdruckseite 320 der Arbeitsmaschine 300 verbunden. Dabei weist das Stellventil 420 vier Ein- bzw. Ausgänge auf, wobei es eingerichtet ist, zwischen jeweiligen Ein- bzw. Ausgängen eine Fluidverbindung herzustellen. Das weitere Ventil 430 kann dazu dienen, die Verbindung von der Niederdruckseite 320 der Maschine 300 zu dem Stellventil 420 zu sperren. Die Fluidleitung weist weiterhin eine Leitung auf, die vom Anschluss 152 des heißen Bereichs 120 des ersten Volumens 100 mit einer Hochdruckseite 310 der Arbeitsmaschine 300 verbindbar ist. Dabei kann die Verbindung über das Stellventil 420 und ein weiteres Sperrventil 440 hergestellt werden. Sind die Sperrventile 430 bzw. 440 auf Durchlass geschaltet, so kann über das Stellventil 420 eine Fluidverbindung zwischen dem Anschluss 142 des kalten Bereichs 110 und der Niederdruckseite 320 der Maschine 300 bzw. dem Anschluss 152 des heißen Bereichs 120 und der Hochdruckseite 310 der Maschine 300 hergestellt werden. Derselbe Aufbau findet sich nun auch für das zweite Volumen 200. Dabei ist der Anschluss des kalten Bereichs 220 mittels eines Ventils 415 absperrbar. Weiterhin ist über ein Stellventil 425 der kalte Bereich 210 über ein weiteres Sperrventil 435 mit der Niederdruckseite 320 der Maschine 300 verbindbar. Weiterhin ist ein Anschluss 252 des heißen Bereichs 220 über das Stellventil 425 und ein Sperrventil 445 mit der Hochdruckseite 310 der Arbeitsmaschine 300 verbindbar. Weiterhin erlauben die Ventile 410 bzw. 415 und die Stellventile 420 bzw. 425, dass eine Fluidverbindung zwischen den heißen Bereichen 120, 220 und den kalten Bereichen 110, 210 des ersten Volumens 100 bzw. des zweiten Volumens 200 hergestellt werden können. Weiterhin sind in die Fluidleitungen Regeneratoren 146, 246 geschaltet, deren Funktion später erläutert werden wird. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, dass die Regeneratoren 146, 246 auch in eine Gehäusewand des ersten Volumens 100 bzw. des zweiten Volumens 200 eingebaut sein können.
Im Folgenden wird nun die Arbeitsweise der in 6 dargestellten Wärmekraftmaschine 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 112 des ersten Volumens eingeleitet. Das Ventil 410 sperrt die Kammer 140 ab und der Verdrängerkolben 160 ist im heißen Bereich 120 des ersten Volumens angeordnet. Somit ist nur ein geringer verbleibender Rest an Arbeitsmedium in dem vom Verdrängerkolben 160 nicht ausgefüllten Anschlussvolumen des heißen Bereichs vorhanden. Dieses Arbeitsmedium ist ebenfalls in dem Volumen eingesperrt, da das Ventil 420 bezüglich der am Anschluss des heißen Bereichs 120 anliegenden Leitung sperrend ist. 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 der 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.
7 zeigt nun einen nächsten Zustand der Wärmekraftmaschine gemäß 6. Dabei ist das in 6 noch sperrende Ventil 445 leitend geschaltet worden, sodass zwischen dem Anschluss 252 des heißen Bereichs 220 eine Fluidverbindung mit der Hochdruckseite 310 der Arbeitsmaschine 300 hergestellt ist. Gleichermaßen ist das Ventil 410 leitend geschaltet, sodass zwischen der Niederdruckseite 320 der Maschine 300 über das Ventil 430 und das Stellventil 420 eine Fluidverbindung mit dem Anschluss 142 des kalten Bereichs 110 des ersten Volumens 100 hergestellt ist. Mit anderen Worten ist somit 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.
8 zeigt nun einen Zustand der Wärmekraftmaschine, der auf den in 7 gezeigten Zustand folgt. Dabei wird das Stellventil 420 so geschaltet, dass zwischen dem Anschluss 142 des kalten Bereichs 110 und dem Anschluss 152 des heißen Bereichs 120 eine Fluidverbindung hergestellt wird. Gleichermaßen wird das Stellventil 425 so geschaltet, dass zwischen dem heißen Bereich 220 und dem kalten Bereich 210 eine Fluidverbindung hergestellt wird. Es ist dabei zu beachten, dass auf diese Weise ebenfalls ein gegebenenfalls bestehender Druckunterschied zwischen dem heißen Bereich 120 und dem kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 bzw. dem heißen Bereich 220 und dem kalten Bereich 210 des zweiten Volumens 200 ausgeglichen wird, sodass die jeweiligen heißen und kalten Bereiche des ersten Volumens 100 bzw. des zweiten Volumens 200 dasselbe Druckniveau aufweisen.
9 zeigt nun den nächsten Schritt beim Betrieb der Wärmekraftmaschine. Dabei wird 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. Da der kalte Bereich 110 und der heiße Bereich 120 keinen Druckunterschied aufweisen, muss der Verdrängerkolben 160 nicht gegen einen Druck arbeiten. Das Verfahren des Verdrängerkolbens 160 benötigt mithin nur einen geringen Energieaufwand zur Überwindung von Lager- und Reibungskräften. Umgekehrt wird nun im zweiten Volumen 200 der Verdrängerkolben 260 vom kalten Bereich 210 in den heißen Bereich 220 verfahren. Hier ist ebenfalls aufgrund des Druckausgleichs zwischen dem heißen Bereich 220 und dem kalten Bereich 210 keine Druckarbeit zu verrichten. Das Arbeitsmedium 10 wird dabei von dem heißen Bereich 220 in den kalten Bereich 210 verschoben.
Im nächsten Schritt, der in 10 gezeigt ist, wird nun die Fluidverbindung zwischen dem heißen Bereich 120 und dem kalten Bereich 110 bzw. zwischen dem kalten Bereich 210 und dem heißen Bereich 220 gesperrt, sodass die Arbeitsmedien jeweils in der Kammer 150 des heißen Bereichs 120 bzw. der Kammer 240 des kalten Bereichs 210 eingesperrt sind. 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 6 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 Schritt, der in 11 gezeigt ist, wird über die geeignete Schaltung der Ventile 420 und 440 der Anschluss 152 des heißen Bereichs 120 des ersten Volumens mit dem Hochdruckeingang 310 der Maschine 300 verbunden. Gleichzeitig wird über geeignete Stellung der Ventile 415, 425 und 435 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.
In dem darauffolgenden in 12 gezeigten Schritt werden die Stellventile 420 und 425 analog zu 8 so gestellt, dass zwischen dem heißen Bereich 120 und dem kalten Bereich 110 des ersten Volumens bzw. dem kalten Bereich 210 und dem heißen Bereich 220 des zweiten Volumens eine Fluidverbindung und damit auch ein Druckausgleich hergestellt wird.
Im abschließenden Schritt des Verfahrens wird nun der Verdrängerkolben 160 wieder vom kalten Bereich 110 des ersten Volumens in den heißen Bereich 120 verschoben. Gleichermaßen wird im zweiten Volumen 200 der Verdrängerkolben 260 vom heißen Bereich 220 in den kalten Bereich 210 verschoben. Ebenfalls werden die Kühlmittelweiche 170 und die Heizmittelweiche 180 umgeschaltet, sodass Kühlmittel dem kalten Bereich 110 des ersten Volumens und Heizmittel dem heißen Bereich 220 des zweiten Volumens zugeführt werden. Das Arbeitsmedium 10 im kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 wird daher nun abgekühlt und das Arbeitsmedium im heißen Bereich 220 des zweiten Volumens erwärmt. Die Wärmekraftmaschine befindet sich nunmehr in dem in 6 gezeigten Ausgangszustand, sodass der Prozess erneut durchgeführt werden kann.
Im Folgenden wird nun die Wirkungsweise der Regeneratoren 146, 246 erläutert. Bei dem in 7 gezeigten ersten Schritt strömt heißes Arbeitsmedium vom heißen Bereich 220 in den kalten Bereich 110. Dabei strömt das heiße Arbeitsmedium über den Regenerator 146, der dabei Wärme aufnimmt und speichert. Wird nun bei dem in 9 gezeigten Schritt 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 Regenerator 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 240 durchströmt und nimmt dabei Wärme auf und speichert sie. Wird nun bei dem in 13 gezeigten Schritt 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 Wärmekraftmaschine erhöht werden.
14 zeigt ein weiters Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei sind weitere 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 das Heizmittel im Wärmetauscher von 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 Regenerator 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.
15 zeigt eine Querschnittsansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Volumens 100, das eine Zigarrenform aufweist. Darin umfassen die Wärmetauscher jeweils einer erste Gruppe 112A, 122A von Rohrleitungen und einer zweiten Gruppe 112B, 122B von Rohrleitungen umfassen. Die erste und die zweite Gruppe von Rohrleitungen sind jeweils über eine Fluidverbindung 144, 154 miteinander verbunden. Die Rohrleitungen sind innerhalb des Volumens 100 so angeordnet, dass sie in zueinander entgegen gesetzter Richtung von dem Heizmittel bzw. dem Kühlmittel durchströmt werden. Beispielsweise sind die erste Gruppe 112A, 122A von Rohrleitungen und die zweite Gruppe 112B, 122B von Rohrleitungen zusammen mit der Fluidverbindung 144, 154 im Wesentlichen U-förmig ausgebildet. An einem Ende der ersten Gruppe 112A, 122A der Rohrleitungen ist ein Kühlmittel- oder Heizmitteleinlass 114, 124 vorgesehen. An einem zweiten Ende der zweiten Gruppe 112B, 122B von Rohrleitungen ist ein Kühlmittel- oder Heizmittelauslass 118, 128 vorgesehen sein. Wenn nun Kühlmittel oder Heizmittel über den Einlass 114, 124 in die erste Gruppe 112A, 122A von Rohrleitungen in einer ersten Richtung einströmt, so kann sie über die Fluidverbindung 144, 154 um ungefähr 180° umgelenkt werden und dann wiederum in die zweite Gruppe 112B, 122B von Rohrleitungen einströmen. Das Heizmittel bzw. das Kühlmittel strömen dann über den Auslass 118, 128 aus der zweiten Gruppe von Rohrleitungen aus. Aufgrund der Umlenkung in der Fluidverbindung durchströmen das Heizmittel bzw. das Kühlmittel die erste Gruppe 112A, 122A von Rohrleitungen und die zweite Gruppe 112B, 122B von Rohrleitungen in zueinander entgegengesetzter Richtung. Durch eine solche Anordnung im Wärmetauscher kann zum einen die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert und zum anderen die Zeit, in der das Heizmittel bzw. das Kühlmittel den Wärmetauscher durchströmt, verlängert werden. Auf diese Weise wird der Wärmeaustausch effizienter und der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine verbessert.
Bei der in 15 gezeigten Ausführungsform ist weiterhin die Fluidverbindung 144, 154 über ein beweglich eingesetztes Teil 143, 153 gebildet. Das bewegliche Teil 143, 153 kann sich gegenüber der Außenhülle des Volumens 100 verschieben und sich somit einer Längenänderung der Rohre 112A, 112B, 122A, 122B anpassen. Längenänderungen der Rohre 112A, 112B, 122A, 122B können aufgrund von Erwärmung bzw. Abkühlung der Rohre auftreten.
16 zeigt einen Querschnitt durch das Volumen gemäß 15 entlang der Linie A-A. Dabei weist der Wärmetauscher jeweils mehrere im Wesentlichen parallel verlaufende Rohre 112A, 112B für das Kühlmittel auf. Durch die Anordnung mehrer parallel verlaufender Rohre wird die zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche im Wärmetauscher vergrößert. Dabei sind mehrere Rohre mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser nebeneinander angeordnet und miteinander verbunden, beispielsweise durch Verschweißen. Alternativ kann auch eine ähnliche Struktur durch Bereitstellen eines einzelnen größeren Rechteckprofils, in das Trennwände eingebracht werden, realisiert werden. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass durch die relativ kleinen Einzelquerschnitte die Rohre gegenüber dem insbesondere beim Erwärmen des Arbeitsmediums auftretenden Umgebungsdrücken druckfest sind. Weiterhin weist der Wärmetauscher mehrere solcher Rohrbündel auf, die beabstandet zueinander nebeneinander angeordnet sind. Auf diese Weise kann das Arbeitsmedium in die Zwischenräume 140 zwischen den jeweiligen Rohrbündeln strömen und dort an der Oberfläche der jeweiligen Rohrbündel Wärme aus einem Heizmittel aufnehmen bzw. Wärme an ein Kühlmittel abgeben.
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

Wärmekraftmaschine (1000), umfassend ein erstes Volumen (100), das eingerichtet ist, abwechselnd erwärmt und abgekühlt zu werden, ein zweites Volumen (200), das eingerichtet ist, abwechselnd erwärmt und abgekühlt zu werden, ein Arbeitsmedium (10), das in dem ersten und in dem zweiten Volumen (100, 200) enthalten ist, und eine Fluidleitung (400), über die das erste Volumen (100) und das zweite Volumen (200) miteinander verbunden sind, wobei eine mit dem Arbeitsmedium betreibbare Maschine (300) zwischen dem ersten Volumen (100) und dem zweiten Volumen (200) mit der Fluidleitung (400) verbunden ist, wobei die Wärmekraftmaschine (1000) so eingerichtet ist, daß in einem ersten Zustand das Arbeitsmedium (10) in dem ersten Volumen (100) erwärmt wird während das Arbeitsmedium (10) in dem zweiten Volumen (200) abgekühlt wird und in einem zweiten Zustand das Arbeitsmedium (10) in dem ersten Volumen (100) abgekühlt wird während das Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen (200) erwärmt wird.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei das erste und/oder das zweite Volumen (100, 200) einen heißen Bereich (120, 220) und einen kalten Bereich (110, 210) aufweist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem kalten Bereich (110, 210) ein Kühlmittel (20) bereitgestellt wird.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem heißen Bereich (120, 220) ein Heizmittel (30) bereitgestellt wird.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium (10) mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mittels Sonnenlicht, erhitzt wird.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der heiße und der kalte Bereich voneinander thermisch isoliert sind.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium gasförmig ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium Helium ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium ein Dampf ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium Wasserdampf ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium ein ORC-Medium ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel (20) und/oder das Heizmedium (30) mittels eines Wärmetauschers (112, 140; 212, 250) bereitgestellt werden.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Volumen (100) und das zweite Volumen (200) jeweils einen ersten Wärmetauscher (112, 140; 212, 240) im kalten Bereich (110; 210) und einen zweiten Wärmetauscher (122, 150; 222, 250) im heißen Bereich aufweisen.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 13, wobei der jeweils erste Wärmetauscher (112, 140; 212, 240) jeweils mehrere im wesentlichen parallel verlaufende Rohre (112; 212) für Kühlmittel aufweist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 14, wobei der jeweils erste Wärmetauscher (112, 140; 212, 240) weiterhin jeweils einen Kühlmittelzufluß (114; 214) sowie jeweils einen Kühlmittelabfluß (118; 218) aufweist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 15, wobei der Kühlmittelzufluß zum ersten Volumen (114) und der Kühlmittelzufluß zum zweiten Volumen (214) über eine Weiche (170) mit einer Kühlmittelleitung (116) verbunden sind, wobei die Weiche (170) eingerichtet ist, Kühlmittel entweder in das erste Volumen (100) oder in das zweite Volumen (200) zu leiten.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der jeweils zweite Wärmetauscher (122, 150; 222, 250) jeweils mehrere im wesentlichen parallel verlaufende Rohre (122; 222) für Heizmedium aufweist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 17, wobei der jeweils zweite Wärmetauscher (122, 150; 222, 250) weiterhin jeweils einen Heizmittelzufluß (124; 224) sowie jeweils einen Heizmittelabfluß (128; 228) aufweist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 18, wobei der Heizmittelzufluß zum ersten Volumen (124) und der Heizmittelzufluß zum zweiten Volumen (224) über eine Weiche (180) mit einer Heizmittelleitung (126) verbunden sind, wobei die Weiche (180) eingerichtet ist, Heizmittel entweder in das erste Volumen (100) oder in das zweite Volumen (200) zu leiten.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die Rohre des ersten Wärmetauschers (112; 212) und die Rohre des zweiten Wärmetauschers (122; 222) jeweils von einander mittels einer Isolierung (130) thermisch isoliert sind.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei das erste Volumen (100) und das zweite Volumen (100) weiterhin jeweils eine Kammer (140, 150; 240, 250) für das Arbeitsmedium (10) umfassen, wobei die Kammer (140, 150; 240, 250) im wesentlichen zwischen den Kühlmittelrohren (112, 212) und den Heizmittelrohren (122, 222) angeordnet ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei zwischen den Rohren des ersten Wärmetauschers (112; 212) und den Rohren des zweiten Wärmetauschers (122; 222) jeweils eine thermische Isolierung (130) angeordnet ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 22, wobei der erste Wärmetauscher (112; 212) und/oder der zweite Wärmetauscher (122; 222) jeweils eine erste Gruppe von Rohrleitungen und eine zweite Gruppe von Rohrleitungen umfaßt, die über eine Fluidverbindung miteinander verbunden sind, und in zueinander entgegengesetzter Richtung von dem Heizmittel und/oder dem Kühlmittel durchströmt werden.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 23, weiterhin umfassend einen Verdrängerkolben (160; 260), der zwischen dem kalten Bereich (110; 210) und dem heißen Bereich (120; 220) verfahrbar angeordnet ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 24, wobei der Verdrängerkolben (160; 260) ein thermisch isolierendes Material umfaßt.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 24 oder 25, wobei der Verdrängerkolben (160; 260) Kunststoff oder Holz umfaßt.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei der Verdrängerkolben (160; 260) Polytetrafluorethylen umfaßt.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei der Verdrängerkolben (160; 260) extern antreibbar ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 24 bis 29, weiterhin umfassend eine Endlagendämpfung für den Verdrängerkolben (160; 260).
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 24 bis 29, wobei der Verdrängerkolben (160; 260) eine kammartige Struktur aufweist, die zwischen den Heizmittelrohren (112; 212) bzw. den Kühlmittelrohren (122; 222) verläuft.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend zumindest einen Regenerator (146; 246), der in der Fluidleitung (400) angeordnet ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 30 oder 31, wobei der Regenerator (146; 246) in einer Gehäusewand des ersten und/oder des zweiten Volumens integriert ausgebildet ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und/oder das zweite Volumen zylinderförmig oder zigarrenförmig ausgebildet ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidleitung (400) weiterhin eingerichtet ist, eine Fluidverbindung zwischen dem kalten Bereich (110; 210) und dem heißen Bereich (120; 220) des ersten Volumens (100) und/oder des zweiten Volumens (200) bereitzustellen.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidleitung (400) weiterhin eingerichtet ist, eine Fluidverbindung zwischen dem heißen Bereich (120; 220) des ersten Volumens (100) und/oder des zweiten Volumens (200) und einer Hochdruckseite (310) der Arbeitsmaschine (300) bereitzustellen.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidleitung (400) weiterhin eingerichtet ist, eine Fluidverbindung zwischen dem kalten Bereich (110; 210) des ersten Volumens (100) und/oder des zweiten Volumens (200) und einer Niederdruckseite (320) der Arbeitsmaschine (300) bereitzustellen.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Arbeitsmaschine (300) ein Motor ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Arbeitsmaschine (300) ein Generator ist.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: (a) Erwärmen eines Arbeitsmediums in einem ersten Volumen; (b) Beaufschlagen einer mit dem Arbeitsmedium betreibbaren Maschine mit dem erwärmten Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium sich entspannt und Arbeit verrichtet; (c) Einlassen des entspannten Arbeitsmediums in ein zweites Volumen; (d) Abkühlen des Arbeitsmediums in dem zweiten Volumen; (e) Erwärmen des Arbeitsmediums in dem zweiten Volumen; (f) Beaufschlagen der mit dem Arbeitsmedium betreibbaren Maschine mit dem erwärmten Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium sich entspannt und Arbeit verrichtet; (g) Einlassen des entspannten Arbeitsmediums in das erste Volumen; (h) Abkühlen des Arbeitsmediums in dem ersten Volumen.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei in Schritt (a) das Arbeitsmedium in einem heißen Bereich des ersten Volumens erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 39 oder 40, wobei in Schritt (c) das Arbeitsmedium in einen kalten Bereich des zweiten Volumens eingelassen wird, in dem es in Schritt (d) abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 41, weiterhin umfassend das Verschieben des abgekühlten Arbeitsmediums in einen heißen Bereich des zweiten Volumens, in dem es in Schritt (e) erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 39 bis 42, wobei in Schritt (g) das Arbeitsmedium in einen kalten Bereich des ersten Volumens eingelassen wird, in dem es in Schritt (h) abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 43, weiterhin umfassend das Verschieben des abgekühlten Arbeitsmediums in einen heißen Bereich des ersten Volumens, in dem es in Schritt (a) erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 39 bis 44, weiterhin umfassend das Zuleiten eines Heizmittels in den heißen Bereich des ersten oder des zweiten Volumens, wenn das Arbeitsmedium darin erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 39 bis 45, weiterhin umfassend das Zuleiten eines Kühlmittels in den kalten Bereich des ersten oder des zweiten Volumens, wenn das Arbeitsmedium darin abgekühlt wird.