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Die
Erfindung betrifft eine Energieumwandlungsvorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine
solche Energieumwandlungsvorrichtung ist aus der
DE 10 2006 056 349 A1 und
als Weiterbildung in Form eines Strom produzierenden Heizsystems
für ein Wohnobjekt, mit dem die Räume und/oder
das Brauchwasser des Objekts beheizt werden, aus der
DE 10 2007 060 666 A1 bekannt. Beim
letztgenannten Heizsystem regelt eine Steuerung eine thermische
Kopplung einer konventionellen Heizanlage und einer am Objekt verfügbaren
Wärmequelle. Das System umfasst weiterhin mehrere Wärmeverbraucher
zur wechselseitigen Wärme- und Stromproduktion. Einer der
Wärmeverbraucher ist ein auf einem thermodynamischen Kreisprozess,
insbesondere einem ORC-Kreisprozess (Organic Rankine Cycle) oder
Kalina-Kreisprozess, basierendes Umwandlungssystem für
die Umwandlung von thermischer Energie in elektrischen Strom. Die
im thermodynamischen Kreisprozess auftretende Kondensationswärme
wird entweder an weitere Wärmeverbraucher oder an eine
am Objekt verfügbare thermische Wärmesenke übertragen.
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Ein
grundlegendes Problem bei der Verwendung eines ORC- oder Kalina-Kreisprozesses
ist, dass vor oder während der Expansion des Arbeitsmediums
aufgrund des Überdrucks (bezogen auf den natürlichen
Luftdruck der Umgebung) die Gefahr besteht, dass Arbeitsmedium aus
dem Kreisprozess austritt und verlorengeht, was kostspielig ist
und einen erhöhten Nachfüllaufwand bedeutet. Nach
der Expansion besteht dagegen die Gefahr, dass es aufgrund des Unterdrucks
zu unerwünschten Lufteinschlüssen kommt, die irgendwann
beseitigt werden müssen. Die Abdichtung der betroffenen
Komponenten ist daher von besonderer Bedeutung.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Energieumwandlungsvorrichtung der eingangs
genannten Art bezüglich der praktischen Umsetzung zu optimieren.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Energieumwandlungsvorrichtung mit
den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung
basiert auf einem thermodynamischen Kreisprozess, der an eine Wärmekraftmaschine
gekoppelt ist. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst eine erste
Energieumwandlungskomponente zur Umwandlung von Druckenergie in
mechanische Bewegungsenergie. Die erste Energieumwandlungskomponente
kann insbesondere ein Druckzylinder mit einem darin beweglichen
Arbeitskolben sein. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst ferner
eine zweite Energieumwandlungskomponente zur Umwandlung von mechanischer
Bewegungsenergie in elektrische Energie. Die zweite Energieumwandlungskomponente
kann insbesondere ein Lineargenerator sein. Die Energieumwandlungsvorrichtung
umfasst auch eine Einlass-Ventilanordnung und eine Auslass-Ventilanordnung,
die mit der ersten Energieumwandlungskomponente zusammenwirken,
und eine elektronische Steuerung 23 zur Steuerung der Kopplung
der Wärmekraftmaschine an den thermodynamischen Kreisprozess
und zur Steuerung der Ventilanordnungen. Mehrere, vorzugsweise alle,
bewegten mechanischen Komponenten der Wärmekraftmaschine
sind zu einer Anordnung zusammengefasst, die in einem statisch abgedichteten
Raum, vorzugsweise einem geschlossenen Gehäuse, untergebracht
ist.
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Der
wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung
besteht darin, dass aufgrund der Anordnung der bewegten mechanischen
Komponenten der Wärmekraftmaschine in einem abgedichteten
Raum für keine dieser Komponenten eine dynamische Dichtung
erforderlich ist. Unter einer dynamischen Dichtung soll hier einerseits die
Abdichtung eines bewegten Bauteils, insbesondere eines Ventil- oder
Arbeitskolbens, mit einer feststehenden Dichtung verstanden werden,
andererseits aber auch jede Dichtung, bei der wenigstens ein Teil
der Dichtung bewegt wird. Dementsprechend soll unter dem erfindungsgemäß vorgesehenen
statisch abgedichteten Raum eine übergeordnete Abdichtung für
mehrere Komponenten ohne dynamische Dichtungen verstanden werden.
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Derzeit
ist außer dem Vorsehen dynamischer Dichtungen keine Möglichkeit
bekannt, dem eingangs erwähnten Problem der Arbeitsmittelverluste
und Lufteinschlüsse beizukommen. Aber abgesehen davon,
dass dynamische Dichtungen grundsätzlich teuer und aufgrund
der Reibung verschleißanfällig sind, ist es praktisch
auch unmöglich, mit vertretbarem Aufwand im Voraus zu berechnen,
wie die dynamischen Dichtungen auszulegen sind (Dimensionierung,
etc.), um bestimmten Anforderungen gerecht zu werden und eine vorgegebene
Lebensdauer zu garantieren. Dagegen ist die erfindungsgemäße statische
Abdichtung des gesamten Raums, in dem die bewegten mechanischen
Komponenten der Wärmekraftmaschine angeordnet sind, wesentlich
einfacher und damit kostengünstiger zu realisieren.
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In
einer möglichen Anwendung der Energieumwandlungsvorrichtung
wird eine konventionelle Heizanlage eines Objekts mit dem thermodynamischen
Kreisprozess der Energieumwandlungsvorrichtung kombiniert, um auf
diese Weise eine effiziente Option zur Erzeugung von elektrischem
Strom zu schaffen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die
Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung
mit einem geschlossenen Gehäuse für die Wärmekraftmaschine;
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2 eine
erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung
mit einem geschlossenen Gehäuse für den thermodynamischen
Kreisprozess;
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3 die
drahtlose Messdatenerfassung in einem geschlossenen Gehäuse
der erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung;
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4 eine
Ausführungsform mit einem durch einen Linearmotor bewegten
Ventilkolben;
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5 eine
Ausführungsform mit einem Doppel-Ventilkolben;
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6 eine
Ausführungsform mit mechanischen Schiebe-Einlass-Ventile;
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7 eine
Ausführungsform mit Rotationsventilen;
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8 eine
Ausführungsform mit Schiebe-Rotations-Einlass-Ventilen;
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9 eine
Ausführungsform mit einem kombinierten Schiebe-Rotations-Einlass-
und -Auslassventil;
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10 eine
Ausführungsform mit einem Schiebe-Rotations-Einlass- und
-Auslass-Ventil in separaten Gehäusen;
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11 eine
Ausführungsform mit selbstöffnenden und -schließenden
Auslass-Ventilen;
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12 eine
Ausführungsform mit einer frei vibrierenden Masse zur Dämpfung
des Massenausgleichs;
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13 eine
Ausführungsform mit einer Vibrationsanbindung des Verdampfers;
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14 eine
erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung
mit einem geschlossenen Gehäuse für eine alternative
Wärmekraftmaschine;
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15 eine
Ausführungsform mit angekoppeltem Entlüftungsbehältnis;
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16 eine
Ausführungsform mit einer Stillstands-Druckausgleich-Membran;
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17 eine
Ausführungsform mit einem integrierten Schmierkreislauf.
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In 1 ist
ein Überblick der wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen
Energieumwandlungsvorrichtung dargestellt. Die Energieumwandlungsvorrichtung
basiert auf einem thermodynamischen Kreisprozess 2, insbesondere
einem ORC-Kreisprozess (Organic Rankine Cycle) oder einem Kalina-Kreisprozess,
der thermisch an eine Wärmekraftmaschine 1 gekoppelt
ist. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst eine erste Energieumwandlungskomponente 11 zur
Umwandlung von thermodynamischer Energie (Druckenergie) in mechanische
Bewegungsenergie (kinetische Energie). Die erste Energieumwandlungskomponente 11 ist
vorzugsweise ein Druckzylinder 12 mit einem darin beweglichen
Arbeitskolben. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst ferner
eine zweite Energieumwandlungskomponente 3 zur Umwandlung
von mechanischer Bewegungsenergie in elektrische Energie (Strom)
mittels eines Feldtransformators 10. Die zweite Energieumwandlungskomponente 3 ist bei
den meisten hier vorgeschlagenen Ausführungsformen ein
Lineargenerator, sofern nichts anderes angegeben ist. Die Energieumwandlungsvorrichtung weist
außerdem eine Einlass-Ventilanordnung 5 und eine
Auslass-Ventilanordnung 6 auf, die mit der ersten Energieumwandlungskomponente 11 zusammenwirken.
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Wie
der 1 entnehmbar ist, besteht keine strikte Trennung
zwischen der Wärmekraftmaschine 1 und dem thermodynamischen
Kreisprozess 2. Vielmehr können bestimmte Komponenten
sowohl der Wärmekraftmaschine 1 als auch dem thermodynamischen
Kreisprozess 2 zugeordnet werden.
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Die
Energieumwandlungsvorrichtung umfasst außerdem eine (in 1 nicht
gezeigte) übergeordnete elektronische Steuerung, insbesondere zur
Regelung der thermischen Kopplung der Wärmekraftmaschine 1 an
den thermodynamischen Kreisprozess 2 und zur Steuerung
der Ventilanordnungen 5, 6, wodurch die Arbeitstakte
des Lineargenerators (normale und gegenläufige Takte bzw.
Hin- und Rücktakte) bestimmt werden. In die Steuerung werden
prozessbeeinflussende Steuerparameter einbezogen, die von geeigneten
Sensoren laufend erfasst und der Steuerung zugeführt werden.
Die Steuerung ist auch in der Lage, auf der Grundlage der erfassten Parameter
und/oder bestimmter Annahmen andere für die Steuerung der
Energieumwandlungsvorrichtung relevante Parameter zu schätzen
oder zu prognostizieren.
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Die
grundlegende Funktions- und Arbeitsweise der Energieumwandlungsvorrichtung
ist aus der
DE
10 2006 056 349 A1 und der
DE 10 2007 060 666 A1 bekannt.
Die Energieumwandlungsvorrichtung arbeitet nach folgendem Prinzip:
Zunächst wird im thermodynamischen Kreisprozess
2 thermische Energie
(Wärmeenergie) in Dampfdruck umgewandelt. Der Dampfdruck
wird in der ersten Energieumwandlungskomponente
11 in mechanische
Bewegungsenergie umgesetzt. Die mechanische Bewegungsenergie wird
schließlich mittels der zweiten Energieumwandlungskomponente
3 in
elektrischen Strom umgewandelt.
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Eine
wesentliche Besonderheit der erfindungsgemäßen
Energieumwandlungsvorrichtung ist die Zusammenfassung mehrerer,
vorzugsweise aller, bewegten mechanischen Komponenten der Wärmekraftmaschine 1 zu
einer Anordnung, die in einem statisch abgedichteten Raum, vorzugsweise
einem geschlossenen Gehäuse 7, untergebracht ist.
Während des Betriebs der Energieumwandlungsvorrichtung
herrscht im Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreisprozesses im
Vergleich zum Umgebungsluftdruck zeitweise Überdruck (vor
und während der Expansion) und zeitweise Unterdruck (nach der
Expansion). Die Abdichtung der gesamten Anordnung verhindert einerseits
den Verlust von Arbeitsmedium und andererseits Lufteinschlüsse,
ohne dass hierfür eine dynamische Dichtung notwendig wäre.
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Um
die von der übergeordneten elektronischen Steuerung gesteuerten
Aktuatoren der Einlass- und Auslass-Ventilanordnung 5, 6,
insbesondere deren Aktuatoren, mit Strom zu versorgen, könnten
elektrische Leitungen von den Ventilanordnungen 5, 6 aus
dem Gehäuse 7 zu einer elektrischen Energiequelle
geführt sein. An den Durchtrittsstellen des Gehäuses 7 wären
entsprechend Dichtungen vorzusehen.
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In 1 ist
aber eine andere Lösung gezeigt, die ohne aus dem Gehäuse
geführte elektrische Leitungen und dementsprechend ohne
zusätzliche Dichtungen auskommt. Die für die Versorgung der
Ventilanordnungen 5, 6 erforderliche elektrische Energie
wird von ersten Feldgeneratoren 8, 9 zur Verfügung
gestellt. Die außerhalb des abgedichteten Raums angeordneten
ersten Feldgeneratoren 8, 9 erzeugen jeweils ein
elektromagnetisches Feld, das in den abgedichteten Raum eindringt.
Die Ventilanordnungen 5, 6 sind an Induktionseinrichtungen (Spulen)
gekoppelt, in denen aus dem elektromagnetischen Feld der für
den Betrieb der Ventilanordnungen 5, 6 benötigte
Strom induziert wird. Grundsätzlich ist es auch möglich,
dass die elektromagnetischen Felder für die Stromversorgung
der Ventilanordnungen 5, 6 und/oder weiterer Komponenten
mittels der elektrischen Spannung erzeugt werden, die in der zweiten
Energieumwandlungskomponente 3 erregt wird.
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Auf
diese Weise kann die benötigte elektrische Energie kabellos
in den abgedichteten Raum transferiert werden, sofern die Entfernung
nicht zu groß ist und keine übermäßigen
Barrieren zu überwinden sind. So sollte z. B. die Wand
des Gehäuses 7 durchlässig für
elektromagnetische Strahlung sein. Das kabellose Energieübertragungskonzept
kann grundsätzlich bei allen Komponenten der Wärmekraftmaschine 1 angewendet
werden, die elektrische Energie für ihren Betrieb benötigen.
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Wie
in 2 gezeigt können auch einige, vorzugsweise
alle Steuerkomponenten 21 für den thermodynamischen
Kreisprozess 2 im selben abgedichteten Raum (Gehäuse 7)
oder in einem anderen abgedichteten Raum angeordnet sein. Als Steuerkomponenten 21 kommen
insbesondere Pumpen des thermodynamischen Kreisprozesses 2 in
Frage. Gemäß dem zuvor beschriebenen Konzept können die
Steuerkomponenten 21 über wenigstens einen zweiten
elektromagnetischen Feldgenerator 22 von außen
mit der für den Betrieb notwendigen elektrischen Energie
versorgt werden. Der außerhalb des abgedichteten Raums
angeordnete zweite Feldgenerator 22 erzeugt ebenfalls ein
elektromagnetisches Feld, das von einer an die Steuerkomponenten 21 gekoppelten
Induktionseinrichtung in elektrischen Strom umgewandelt wird.
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Darüber
hinaus können weitere Quellen für Undichtigkeiten
bei der Anbindung der elektronischen Steuerung systematisch dadurch
vermieden werden, dass Daten von bzw. zur Steuerung 23 drahtlos übertragen
werden. Die Daten können Messdaten von Sensoren, die im
thermodynamischen Kreislauf 2 und in der Wärmekraftmaschine 1 angeordnet
sind, Steuerdaten für Steuerkomponenten (Ventile, Pumpen,
etc.), Soll- und Istdaten beinhalten.
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Die
Energieumwandlungsvorrichtung umfasst gemäß 3 eine
umfangreiche Messsensorik 31 mit einer Vielzahl von Sensoren.
Auch die Messsensorik 31 kann über wenigstens
einen außerhalb des abgedichteten Raums (Gehäuse 7)
angeordneten dritten elektromagnetischen Feldgenerator 22 und
eine an die Messsensorik gekoppelte Induktionseinrichtung mit der
für den Betrieb notwendigen elektrischen Energie versorgt
werden. Somit muss keine elektrische Leitung in den abgedichteten
Raum geführt werden, wodurch wiederum mögliche
Quellen für Undichtigkeiten systematisch vermieden werden.
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Die
Messsensorik 31 kann eine Vielzahl von Sensoren zur Erfassung
von Zustandsgrößen des thermodynamischen Kreisprozesses 2 und
der Wärmekraftmaschine 1 umfassen, insbesondere
Druck- und/oder Temperatursensoren. Die Messsensorik 31 kann
aber auch Sensoren zur Erfassung sonstiger physikalischer Kenngrößen
wie etwa Kräfte, Beschleunigungen, Geschwindigkeiten, Wege,
etc. an sinnvollen Orten der Energieumwandlungsvorrichtung umfassen.
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Wie
bereits erwähnt, dienen die Ventilanordnungen 5, 6 dazu,
das verdampfte und unter Druck stehende Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreisprozesses 2 in
einen Expansionsraum der ersten Energieumwandlungskomponente 11 einzulassen
und vom Arbeitskolben verdrängtes Arbeitsmedium auszulassen.
Die erste Energieumwandlungskomponente 11 kann mehrere
Expansionsräume aufweisen, insbesondere zwei (auf entgegengesetzten Seiten
des Arbeitskolbens). Dementsprechend umfassen die Ventilanordnungen 5, 6 mehrere
synchronisierte Einlass- und Auslass-Ventile.
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Gemäß der
in 4 dargestellten Ausführungsform weist
wenigstens eine 40 der Ventilanordnungen 5, 6 einen
Einlass- bzw. Auslasskanal 41 mit einer Ventilöffnung 43,
einen zum Einlass- bzw. Auslasskanal 41 senkrecht beweglichen
Ventilkolben 42 mit einer Kolbenaussparung 46 und
einen von einer Ventilsteuerung 45 (Teil der übergeordneten
elektronischen Steuerung) gesteuerten Linearmotor 47 auf. Der
Ventilkolben 42 ist starr oder über ein Getriebe an
den Linearmotor 47 gekoppelt. Die Ventilsteuerung 45,
die von Sensordaten 44 der Messsensorik beeinflusst wird,
ist so ausgelegt, dass der Ventilkolben 42 bereits vor
dem Öffnen bzw. Schließen des Ventils 40,
d. h. vor dem Zeitpunkt des Überfahrens der Ventilöffnung 43 mit
dem Ventilkolben 42 bzw. mit der Kolbenaussparung 46,
vom Linearmotor 47 beschleunigt wird.
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Diese
spezielle Ausführung der elektromagnetischen Einlass- und/oder
Auslass-Ventilanordnungen 5, 6 eignet sich besonders
für periodische Öffnungs- und Schließvorgänge.
Durch die damit erreichbare hohe Geschwindigkeit des Ventilkolbens 42 wird
ein sehr schnelles Öffnen und Schließen des zugehörigen
Ventils auch bei hohen Gasvolumenströmen ermöglicht.
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5 zeigt
eine besonders kostengünstige Ausbildung der Ventilanordnungen 5, 6.
Der Ventilkolben ist als Doppelkolben mit zwei beabstandeten, starr
gekoppelten Teilkolben 52, 53 ausgeführt.
Die vom Linearmotor 51 angetriebenen Teilkolben 52 und 53 überfahren
alternierend Ventilöffnungen 54 und 55 für
einen Hintakt bzw. Rücktakt der Wärmekraftmaschine 1.
Lediglich ein Linearmotor 51 ist für ein Einlass-
und ein Auslass-Ventil erforderlich.
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Bei
der in 6 dargestellten Ausführungsform weist
die Einlass-Ventilanordnung 5 zwei mechanische Schiebe-Einlassventile 61, 62 auf,
die unmittelbar an den Arbeitskolben 63 der ersten Energieumwandlungskomponente 11 gekoppelt
sind. Die mechanischen Schiebe-Einlassventile 61, 62 ändern dementsprechend
ihren Ventilstatus (auf/zu) in Abhängigkeit von der Position
des Arbeitskolbens 63.
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Eine
weitere Möglichkeit der Gestaltung der Einlass-Ventilanordnung 5 und/oder
der Auslass-Ventilanordnung 6 ist in 7 gezeigt.
Ein elektromagnetisches Rotationsventil der Ventilanordnung weist
ein an einen Rotationsmotor 73 gekoppeltes Ventilelement,
insbesondere eine Scheibe 71, mit wenigstens einer Segmentaussparung 72 auf.
Das Rotationsventil ändert somit in Abhängigkeit
vom Rotationswinkel des drehbaren Ventilelements 71 den Ventilstatus.
Betätigt wird das Rotationsventil über den Rotationsmotor 73. 7 zeigt
beispielhaft die Situation bei geschlossenem Einlass-Ventil.
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Bei
den in den 8 und 9 dargestellten Ausführungsformen
weist die Einlass-Ventilanordnung 5 und/oder die Auslass-Ventilanordnung 6 wenigstens
ein elektromechanisches Schiebe-Rotations-Einlass- bzw. -Auslass-Ventil
auf. Gemäß 8 sind zwei
Einlass-Ventile vorgesehen, jeweils mit einem drehbaren Ventilelement
in Form eines Rotationskörpers 81, der eine Aussparung 85 aufweist.
Der Rotationskörper 81 ist an einen um seine Achse drehbaren
Ventilkolben 86 gekoppelt. Der Drehwinkel des Ventilkolbens 86 und
damit des Rotationskörpers 81 ist einstellbar.
Der Ventilkolben 86 kann insbesondere durch magnetische
Induktion um seine Achse gedreht werden. Der Ventilkolben 86 ist
wiederum an den Arbeitskolben 83 der ersten Energieumwandlungskomponente 11 gekoppelt.
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Somit ändern
die Schiebe-Rotations-Einlassventile ihren Ventilstatus (auf/zu)
in Abhängigkeit von der linearen Position des Arbeitskolbens 83 und des
Drehwinkels des Ventilkolbens 86. 8 zeigt eine
Situation, in der eine Strömungsverbindung 84 zwischen
dem unter Druck stehenden Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreislaufs 2 und
einem Expansionsraum 87 der ersten Energieumwandlungskomponente 11 besteht.
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Durch
die lineare Bewegung des Arbeitskolbens 83 und eines daran
gekoppelten Magneten in einer Spule 82 dient diese als
Generatorspule, und es wird Strom induziert. Bei einer Rotationsbewegung
des Ventilkolbens 86 und des daran gekoppelten Arbeitskolbens 83 stellt
die Spule 82 eine Motorspule dar. Diese Funktionen können
auch durch zwei getrennte Spulen/Magnet-Paare verwirklicht sein.
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9 zeigt
zwei kombinierte Schiebe-Rotations-Einlass- und -Auslass-Ventile.
Am Ventilkolben 91 dieser Ventile ist eine weitere Kolbenaussparung 92 vorgesehen,
die über eine Kanalbohrung 93 in bestimmten Drehstellungen
des Ventilkolbens 91 mit einem Expansionsraum 97 der
ersten Energieumwandlungskomponente 11 in Strömungsverbindung steht.
Der Ventilkolben 91 stellt hier also das drehbare Ventilelement
dar.
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Ansonsten
sind die Ventile wie in 8 ausgebildet. Somit hat jede
Ventilanordnung sowohl ein Einlass-Ventil als auch ein Auslass-Ventil,
die der Betriebsweise der ersten Energieumwandlungskomponente 11 entsprechend
aufeinander abgestimmt sind.
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9 zeigt
die beiden kombinierten Ventile auf entgegengesetzten Seiten der
ersten Energieumwandlungskomponente 11 in unterschiedlichen
Stellungen. Während beim linken Ventil eine Strömungsverbindung
zwischen der Einlassöffnung 95, durch die unter
Druck stehendes Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreislaufs zugeführt
wird, und dem linken Expansionsraum 97 durch die Kolbenaussparung 94 freigegeben
ist, ist eine entsprechende Strömungsverbindung beim rechten
Ventil blockiert, d. h. es kann kein Arbeitsmedium über
die Einlassöffnung 98 zugeführt werden.
Die beiden aneinander gekoppelten Arbeitskolben der ersten Energieumwandlungskomponente 11 werden
demzufolge nach rechts gedrückt. Eine entsprechende Bewegung
der Arbeitskolben wird gestattet, da beim rechten Ventil eine Strömungsverbindung
zwischen dem rechten Expansionsraum 97 und der Auslassöffnung 99 über die
Kanalbohrung 93 hergestellt ist, sodass das Arbeitsmedium
aus dem rechten Expansionsraum 97 abströmen kann.
Beim linken Ventil besteht dagegen keine Strömungsverbindung
zwischen dem linken Expansionsraum 97 und der Auslassöffnung 96.
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In 10 ist
eine der 9 ähnliche Ausführungsform
abgebildet. Die Ventilanordnung ist in zwei separaten Gehäusekammern
untergebracht. Genauer gesagt ist beim Ausführungsbeispiel
der 10 derjenige Teil der Ventilanordnung, der das
Schiebe-Rotations-Einlass-Ventil 200 bildet, von demjenigen
Teil, der das Schiebe-Rotations-Auslass-Ventil 203 bildet,
durch eine Gehäuseverjüngung 201 getrennt.
In der Gehäuseverjüngung 201 ist eine
hohle Verlängerung 202 einer Kolbenstange drehbar
gelagert, die die beiden Kolben der Ventile 200, 203 aneinander
koppelt. Die Ventilkolben sind wiederum an den Arbeitskolben 204 der
ersten Energieumwandlungskomponente 11 gekoppelt.
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Dadurch
wird eine geringe thermische Kopplung der beiden Ventile 200, 203 erreicht,
zwischen denen eine große Temperaturdifferenz herrscht.
Außerdem wirkt die Lagerung der Kolbenstange in der Gehäuseverjüngung 201 einem
Verkippen der Ventilkolben entgegen. Das Einströmen von
Gas in die Ventilanordnung erzeugt nämlich auf die Ventilkolben wirkende
Kräfte, die senkrecht zu deren Bewegungsrichtung gerichtet
sind. Die als Lager wirkende Gehäuseverjüngung 201 stabilisiert
jedoch die Ventilkolben.
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Bei
den Rotationsventilen, wie sie beispielhaft in den 7 bis 10 gezeigt
sind, kann das drehbare Ventilelement, insbesondere die Scheibe 71,
der Rotationskörper 81 oder der Ventilkolben 91, mehrere, über
den gesamten Umfang vorzugsweise gleichmäßig verteilte
Aussparungen aufweisen. Dadurch wird die im Betrieb erforderliche
Rotationsfrequenz des drehbaren Ventilelements reduziert.
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11 zeigt
eine besondere Ausbildung der Auslass-Ventilanordnung 6,
bei der ein Doppel-Auslass-Ventil 308 mit zwei Ventilkolben 304 vorgesehen ist.
Eine Seite jedes Ventilkolbens 304 steht über
einen Kanal 303 in Strömungsverbindung mit einem Expansionsraum 301 der
ersten Energieumwandlungskomponente 11. Jeder Ventilkolben 304 kann eine
erste Stellung einnehmen, in der er einen Auslasskanal 305 schließt
(linker Ventilkolben in 11), und
eine zweite Stellung, in der er den Auslasskanal 305 freigibt
(rechter Ventilkolben 304 in 11), wobei
immer ein Ventilkolben 304 die erste Stellung einnimmt,
wenn sich der andere Ventilkolben 304 in der zweiten Stellung
befindet.
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Das Öffnen
und Schließen erfolgt automatisch in Abhängigkeit
von der zwischen den beiden Expansionsräumen 301 herrschenden
Druckdifferenz und der Position des Arbeitskolbens 302 der ersten
Energieumwandlungskomponente. Durch das allmähliche Öffnen
bzw. Schließen der Auslasskanäle 305 beim
Durchfahren der Auslasskanäle 305 mit den Ventilkolben 304 wird
eine Kompressionsdämpfung des Arbeitskolbens 302 erreicht.
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Bei
allen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Ventilsteuerung 45 aufgrund
von Daten 44 der Messsensorik, die mehrere Sensoren zur
Erfassung von Zustandsgrößen der Energieumwandlungsvorrichtung
umfasst, die Schließ- und Öffnungszeitpunkte/-intervalle
der Einlass- und Auslass-Ventilanordnungen 5, 6 zeitlich
synchronisiert.
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Außerdem
sind bei allen Ausführungsformen die Arbeits- und/oder
Ventilkolben der ersten Energieumwandlungskomponente 11 bzw.
der Ventilanordnungen 5, 6 – bezogen
auf ihre Bewegungsrichtung im Betriebszustand der Energieumwandlungsvorrichtung – senkrecht
zur Erde angeordnet. Somit entstehen keine durch die Schwerkraft
eines Kolbens bedingten Reibungsverluste.
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Der
Arbeitskolben der ersten Energieumwandlungskomponente 11 ist
weitestgehend berührungslos im Druckzylinder 12 beweglich,
vorzugsweise indem der Arbeitskolben mittels elektromagnetischer
Positioniermittel oder einer Kolben-Gaslagerung schwebend im Druckzylinder 12 gehalten
wird. Die Kolben-Gaslagerung lässt sich insbesondere bei geeigneter
Oberflächenbeschaffenheit des Arbeitskolbens bzw. des Druckzylinders 12 realisieren. Durch
eine genaue Passung von Druckzylinder 12 und Arbeitskolben
wird eine ausreichende Kolbendichtung erzielt.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung gemäß 12 sieht
eine besondere Gehäusekonstruktion 150 vor, mit
der eine Dämpfung der durch die Kolbenbewegungen verursachten
Vibrationen erreicht wird. Die Gehäusekonstruktion 150 umfasst
eine Dämpfungseinrichtung mit einer elastisch gelagerten
Trägheitsmasse 153. Vibrationserzeugende (zur
Vibration neigende) Komponenten der Energieumwandlungsvorrichtung,
insbesondere der Druckzylinder 155 der ersten Energieumwandlungskomponente 11,
Ventilzylinder 154 der Ventilanordnungen 5, 6 und/oder
ein Magnet 156 der zweiten Energieumwandlungskomponente 3,
sind an die Trägheitsmasse 153 gekoppelt.
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Komponenten
des thermodynamischen Kreisprozesses 160 sind mechanisch
nur durch eine elastische Verbindung 152 an diejenigen
Komponenten angebunden, die ihrerseits an die Trägheitsmasse 153 gekoppelt
sind. Ansonsten besteht keine weitere mechanische Kopplung zu den übrigen
Komponenten des Systems (z. B. Wärmetauscher, Spulen, etc.).
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Wie
in 13 gezeigt können auch Komponenten des
thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere Komponenten eines
ORC-Verdampfers 171, an die Trägheitsmasse 153 gekoppelt
sein. Über die elastische Verbindung 152 erfolgt
die Anbindung an die restlichen Komponenten 170 des thermodynamischen
Kreisprozesses.
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Eine
starre Kopplung an die Trägheitsmasse 153 ist
insbesondere für Komponenten wie den ORC-Verdampfer 171 sinnvoll,
bei denen sich Vibrationen positiv auf die Funktion auswirken können (keine
Ablagerung, schnellere Verdampfung, etc.) und daher nicht unerwünscht
sind.
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14 zeigt
eine Energieumwandlungsvorrichtung mit Energieumwandlungskomponenten,
die im Gegensatz zu den obigen Ausführungsformen auf Rotation
beruhen. Die erste Energieumwandlungskomponente 101 ist
eine Komponente, die Druckenergie in mechanische Rotationsbewegungsenergie umwandelt,
insbesondere ein Scroll-Expander, und an einen Rotationsgenerator 105 gekoppelt
ist, der mechanische Rotationsbewegungsenergie in elektrische Energie
umwandelt. Die erste Energieumwandlungskomponente 101,
die Druckenergie in mechanische Rotationsbewegungsenergie umwandelt,
ist an eine Einrichtung 108 zur Regelung eines Gasvolumenstroms
gekoppelt.
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In
dieser Ausführungsform befinden sich ebenfalls mehrere,
vorzugsweise alle bewegten (rotierenden) Komponenten innerhalb eines
statisch abgedichteten Raums in Form eines geschlossenen Gehäuses 107.
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In 15 ist
eine erweiterte Energieumwandlungsvorrichtung mit einer Entlüftungsmöglichkeit
dargestellt. Im geschlossenen Gehäuse 121 der Energieumwandlungsvorrichtung
ist ein Entlüftungsbehältnis 120 untergebracht,
ebenso wie eine Vakuumpumpe 123, ein Entlüftungsventil 124 und
ein Entleerungsventil 125. In den thermodynamischen Kreisprozess 122 eingedrungene
Luft wird mittels der Vakuumpumpe 123 und des geöffneten
Entlüftungsventils 124 in das Entlüftungsbehältnis 120 gepumpt. Das
darin angesammelte Luft/Gas-Gemisch kann über das Entleerungsventil 125 in
die Umgebung abgelassen werden. Insbesondere bei zu hohem Druck empfiehlt
es sich, das Luft/Gas-Gemisch ins Freie entweichen zu lassen.
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Es
ist vorteilhaft, im Entlüftungsbehältnis 120 kondensiertes
Arbeitsmedium 126 des thermodynamischen Kreisprozesses
im flüssigen Zustand zu entnehmen und dem thermodynamischen
Kreisprozess wieder zuzuführen.
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Der
Druckzylinder 127 mit dem darin beweglichen Arbeitskolben
der ersten Energieumwandlungskomponente 11 kann in einem
besonderen Betriebsmodus der Energieumwandlungsvorrichtung die Vakuumpumpe 123 ersetzen.
Diese Maßnahme geht von der Erkenntnis aus, dass bei entsprechender
Ventilstellung die Zylinder-Kolbeneinheit als Vakuumpumpe fungieren
kann.
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Eine
spezielle Messsensorik 128 detektiert die in den thermodynamischen
Kreisprozess 122 eingedrungene Luft und löst dadurch
eine Aktivierung eines Entlüftungsbetriebs aus.
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Die
in 16 abgebildete erweiterte Energieumwandlungsvorrichtung
umfasst zusätzlich einen mit dem Arbeitsmedium des thermodynamischen
Kreisprozesses 132 gefüllten Membran-Druckausgleichbehälter 130,
der im Stillstand der ersten Energieumwandlungskomponente 11 über
ein Ventil 131 an den thermodynamischen Kreisprozess 132 gekoppelt
ist. So kann in einer besonderen Betriebsart Unterdruck im thermodynamischen
Kreisprozess 132 und damit bei Medien mit einer Verdampfungstemperatur
oberhalb der Umgebungstemperatur das Eindringen von Luft verhindert
werden.
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17 zeigt
schließlich eine Energieumwandlungsvorrichtung mit einem
im geschlossenen Gehäuse vorgesehenen Schmierkreislauf 140.
Ein Schmiermittel wird über eine Düse 141 auf
Dichtungen des Arbeitskolbens der ersten Energieumwandlungskomponente 11 aufgebracht
und dabei mit dem Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreisprozesses
vermengt. Nach einer Stofftrennung im Kondensator 142 des
thermodynamischen Kreisprozesses wird das Schmiermittel wiederverwendet.
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Die
Erfindung wurde anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben. Selbstverständlich ist es für den
Fachmann ersichtlich, dass Kombinationen und Abwandlungen möglich
sind, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Zudem
haben die dargestellten Ausführungsbeispiele den Charakter
einer Skizze. Fehlende Details sind für das Wesen der Erfindung
nicht von Bedeutung, können von einem Fachmann aber ohne Weiteres
ergänzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006056349
A1 [0002, 0031]
- - DE 102007060666 A1 [0002, 0031]
