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Die Erfindung betrifft eine Wärmkraftanlage mit äußerer Beheizung, die nach einem Stirling-ähnlichen Prinzip arbeitet. Mit der einfach aufgebauten und unkompliziert regelbaren Wärmekraftanlage, können im Temperaturbereich von 150 bis 500 °C hohe Wirkungsrade von 10 bis 30 % erreicht werden. Die Anlage eignet sich besonders für den Einsatz in Blockheizkraftwerken, für unterbrechungsfreie Stromversorgungsaggregate, für Notstromaggregate und für Kraftfahrzeug-Energieversorgungen, wie z.B. Auxillary Power Units oder Aggregate, die die Wärme des Abgases nutzen.
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Für Blockheizkraftwerke werden üblicherweise Wärmekraftmaschinen mit innerer Beheizung eingesetzt, seltener werden auch Wärmekraftmaschinen mit externer Beheizung verwendet, die auf dem Stirling-, dem Ericssen- oder dem Rankine-Prinzip basieren.
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Die Gewinnung von mechanischer Energie aus der Wärme der Abgase, die beim Betrieb von Kraftfahrzeugen entstehen, ist prinzipbedingt nur mit Wärmekraftmaschinen mit externer Beheizung möglich. Hierzu werden meist Peltierelemente oder Wärmekraftmaschinen verwendet, die nach einem Stirling-ähnlichen bzw. dem Rankine-Prinzip arbeiten.
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Systeme mit Peltier-Elementen zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus und enthalten keine bewegten Teile; sie sind deshalb sehr zuverlässig und wartungsfrei. Vorteilhaft ist auch, dass sie mit vergleichsweise geringen oberen Temperaturen von ca. 200°C auskommen. Allerdings können mit Peltier-Elementen gegenwärtig Wirkungsgrade von lediglich 1,5 bis 2% erreicht werden; die bekannten Systeme zur Gewinnung von Energie aus Abgaswärme von Kraftfahrzeugen liefern auch nur maximal 300 W.
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Wärmekraftanlagen, die nach dem Rankine-Prinzip arbeiten, benötigen eine sehr geringe obere Temperatur (Erhitzertemperatur) von 100°C. Hierdurch wird es möglich, bei Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich neben der Abgaswärme auch die Wärme des Kühlwassers zu nutzen. Ein großer Nachteil der Rankine-Anlagen besteht jedoch darin, dass für ihren Betrieb technisch aufwendige und sperrige Nebenaggregate, wie Wärmetauscher, Kondensatoren, und Kondensatpumpen erforderlich sind. Der Wirkungsgrad der Anlagen liegt im Bereich von 5 bis 10%.
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Mit Anlagen, die nach dem Stirling- oder dem Ericssen-Prinzip arbeiten, können hohe Wirkungsgrade von 10 bis 30% erreicht werden. Die Anlagen sind einfach zu regeln, für ihren Betrieb sind keine Nebenaggregate erforderlich. Nachteilig ist jedoch, dass diese Anlagen eine vergleichsweise hohe Erhitzertemperatur benötigen, sodass ein effektiver Betrieb erst bei Temperaturen von 500°C möglich ist. Für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen bedeutet dies, dass lediglich aus dem heißesten Anteil der Abgase Energie gewonnen werden kann. Dasselbe gilt auch für einen großen Teil der Anlagen, die nach einem Stirling-ähnlichen Prinzip arbeiten.
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Aus
DE 10 2006 043 250 A1 ist eine Mehrfachzylinder-Freikolben-Stirlingmaschine, die mindestens drei in einer Alpha-Anordnung fluidisch verbundene Kolbenserien umfasst, bekannt.
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In
US 4 413 475 A und
WO 2006/ 126 241 A werden Stirlingmaschinen beschrieben, in die flüssiger Arbeitsstoff eingespritzt, wobei der Arbeitsstoff nach dem Einspritzen in die Maschine sofort verdampft, bzw. aus denen flüssiger Arbeitsstoff abgepumpt wird. Das Einspritzen bzw. das Abpumpen des Arbeitsstoffs dient allerdings nur zur Leistungsregelung der Stirlingmaschinen, eine relevante Absenkung der minimalen Erhitzertemperatur wird nicht erreicht.
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US 4 637 211 A zeigt eine Stirlingmaschine, die nach dem Malone-Prozess arbeitet, also mit flüssigem Arbeitsstoff betrieben wird. Mit der Stirlingmaschine können nur vergleichsweise geringe volumetrische Arbeitsleistungen erreicht werden. Nachteilig sind außerdem die prinzipbedingt in der Maschine auftretenden hohen Druckbelastungen.
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Des Weiteren werden in
US 4 794 752 A und in der Publikation "using supercritical heat recovery process in Stirling engines for high termal efficiency", Zhaolin G, Haruki Sato, Xiao Feng, Applied Thermal Engineering 21 (2001) 1621–1630 Wärmekraftmaschinen beschrieben, die wie Stirling-Maschinen aufgebaut sind, in denen jedoch das Arbeitsmittel, nicht wie bei Stirling-Maschinen üblich, immer gasförmig vorliegt, sondern einen Phasenwechsel zwischen gasförmig (warme Seite) und flüssig bzw. überkritisch (kalte Seite) vollzieht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftanlage mit externer Beheizung zu schaffen, die bei Erhitzertemperaturen von 150 bis 500°C arbeitet, einen im Vergleich zu bekannten Wärmekraftanlagen erhöhten Wirkungsgrad erreicht und einfach zu regeln ist. Die Anlage soll einfach aufgebaut sein und insbesondere ohne Nebenaggregate auskommen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.
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Ausgegangen wird von einer Wärmekraftanlage, die aus einer oder mehreren miteinander verschalteten Wärmekraftmaschinen besteht. Die Wärmekraftmaschine/Wärmekraftmaschinen ist/sind mechanisch aufgebaut wie bekannte Stirling-Wärmekraftmaschinen.
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Im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten Stirling-Wärmekraftmaschinen, in denen die Arbeitsstoffe keine Phasenwechsel durchlaufen (die Arbeitsstoffe liegen entweder ausschließlich gasförmig oder ausschließlich flüssig vor), werden Arbeitsstoffe eingesetzt, deren Siedepunkt so gewählt ist, dass sie in den warmen Bereichen der Wärmekraftanlage gasförmig (überhitzter Dampf) und in den kalten Bereichen flüssig, als transkritische oder als überkritische Phase vorliegen. Bevorzugte Arbeitsstoffe sind Butan, Pentan oder R245fa.
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Dieser Stirling-ähnliche Prozess stellt eine Kombination des bekannten Stirling-Prinzips (ohne Phasenwechsel des Arbeitsstoffs) und des Rankine-Prinzips dar. Er wird im Folgenden als Verdampfer-Stirling-Prozess und nach diesem Prozess arbeitende Wärmekraftmaschinen werden als Verdampfer-Stirling-Wärmekraftmaschinen bezeichnet.
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Ein Vorzug des Verdampfer-Stirling-Prozesses besteht darin, dass, sofern ein Arbeitsstoff verwendet wird, der einen Phasenübergang von flüssig zu gasförmig durchläuft, aufgrund der Verdampfungs- und Kondensationsprozesse hohe Druckverhältnisse von > 10, die etwa so hoch sind wie die bei Rankine-Prozessen auftretenden, erreicht werden. Mit Stirling-Prozessen werden typischerweise Druckverhältnisse von lediglich 1,2 bis 2,0 erreicht. Durch die Erhöhung des Druckverhältnisses kann gegenüber bekannten Stirling-Prozessen die volumetrische Arbeitsleistung um ein Vielfaches gesteigert werden.
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Werden Arbeitsstoffe für den Verdampfer-Stirling-Prozess eingesetzt, die Phasenübergange von trans- bzw. superkritisch zu gasförmig durchlaufen, können zwar nur Druckverhältnisse von ca. 2 bis 5 erreicht werden, dieser Nachteil wird jedoch durch die wesentlich geringeren Viskositäten (Verringerung der mechanischen Reibung) der trans- bzw. superkritischen Arbeitsstoffe kompensiert.
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Ein weiterer Vorteil des Verdampfer-Stirling-Prozesses besteht darin, dass der Arbeitsstoff im Kühler als flüssige, transkritische oder überkritische Phase vorliegt. Wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit und der damit verbundenen höheren Wärmeübergangszahl zwischen Kühler und Arbeitsstoff, kann der Kühler bei gleicher Leistung wesentlich kleiner ausgeführt werden. Auch der Regenerator kann durch die Ausnutzung von Verdampfung und Rekondensation kleiner dimensioniert werden, da auch in diesem höhere Wärmeübergangszahlen erreicht werden als in herkömmlichen Gas-Regeneratoren.
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Hinsichtlich der Leistungszahl und Leistungsdichte sind Alpha-Verdampfer-Stirling-Prozesse mit Rankine- und ORC-Prozessen vergleichbar; Gamma-Verdampfer-Stirling-Prozessese sind hinsichtlich der Leistungszahl Rankine- und ORC-Prozessen überlegen, da der Verdränger lediglich den Strömungswiderstand überwinden muss und keinen größeren Differenzdruck aufbaut. Im Erhitzer-Temperaturbereich zwischen 150 und 500 °C sind Verdampfer-Stirling-Prozesse den Stirling-Prozessen deutlich überlegen. Der Fülldruck von Verdampfer-Stirling-Maschinen ist ähnlich wie der Ansaugdruck der Kondensatpumpe von Rankine- und ORC-Maschinen, wobei der hohe Prozessmitteldruck erst nach Erwärmung des Erhitzers aufgebaut wird. Die Druckmodulation im Kreisprozess verhält sich nahezu wie die Druckdifferenz von Rankine- und ORC-Prozessen zwischen der Saug- und Druckseite der Kondensatpumpe.
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Mit Verdampfer-Stirling-Wärmekraftmaschinen werden somit gleichzeitig die Vorteile von Stirling-Wärmekraftmaschinen, wie hohe Wirkungsgrade, einfacher Aufbau (keine Nebenaggregate erforderlich) und eine unkomplizierte Prozessregelung sowie die von nach dem Rankine-Prinzip arbeitenden Maschinen, insbesondere eine nachhaltige Absenkung der minimalen Erhitzertemperatur auf ca. 150°C, erreicht.
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Nach Maßgabe der Erfindung ist in einer ersten Ausgestaltung die Wärmekraftanlage als Gamma-Stirling-Wärmekraftmaschine realisiert, die aus einer Arbeitskammer mit einem darin beweglich gelagerten Arbeitskolben und einem fluidisch mit der Arbeitskammer verbundenen, thermischen Kopf besteht. Dieser umfasst eine fluidische Serienschaltung aus einem Kühler, einem als Verdampfer bzw. Kondensator wirkenden Regenerator und einem Überhitzer, wobei zu dieser Serienschaltung, entsprechend dem Gamma-Stirling-Prinzip, eine Verdrängerkammer, in der ein Verdrängerkolben beweglich gelagert ist, fluidisch parallel geschaltet ist.
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Zur Erhöhung der Leistung der Wärmekraftanlage können mehrere Wärmekraftmaschinen parallel kaskadiert werden. Dabei ist es ist auch möglich, entweder mehrere thermische Köpfe fluidisch an eine Arbeitskammer oder andersherum mehrere Arbeitskammern an einen thermischen Kopf anzukoppeln.
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In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Wärmekraftanlage als Alpha-Stirling-Wärmekraftmaschine realisiert, die eine Kompressionskammer, in der ein Kompressionskolben beweglich gelagert ist, eine Expansionskammer, in der ein Expansionskolben beweglich gelagert ist, und eine fluidische Serienschaltung aus einem Kühler, einem als Verdampfer/Kondensator wirkenden Regenerator und einem Überhitzer umfasst. Die Kompressionskammer ist fluidisch mit dem Kühler und die Expansionskammer fluidisch mit dem Überhitzer verbunden.
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Wird die Anlage bei höheren Überhitzertemperaturen von 300 bis 500°C betrieben, ist es vorteilhaft, zwischen der Expansionskammer und dem Überhitzer zusätzlich eine Pulsationsröhre einzubringen. Hierdurch wird die Expansionskammer vom Temperaturniveau des Überhitzers entkoppelt und es ist möglich, sowohl die Kompressions- als auch die Expansionskammer bei Umgebungstemperatur zu betreiben.
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Auf diese Weise wird die Führung, Dichtung und Schmierung der Kolben der beiden Kammern wesentlich vereinfacht.
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Nach Maßgabe der Erfindung kann die Wärmekraftwerkenanlage auch aus mehreren fluidisch verbundenen Stirling-Wärmekraftmaschinen bestehen; bei dieser Ausgestaltung kann eine Erhöhung des Wirkungsgrades dadurch erreicht werden, dass jeweils alle warmen und jeweils alle kalten Bereiche der einzelnen Wärmekraftmaschinen in möglichst guten thermischen Kontakt zueinander gebracht werden (parallele Kaskadierung).
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Die Kompressions- und die Expansionskammer können strukturell als eine sog. doppelwirkende Kompressions-/Expansionskammer zusammengefasst werden. Die doppelwirkende Kammer ist röhrenförmig und beidseitig geschlossen, wobei in ihr ein sog. doppelwirkender Kolben beweglich gelagert ist. Die eine Seite des Kolbens bildet mit dem an ihn angrenzenden Abschnitt der doppelwirkenden Kammer die Kompressionskammer, während die andere Seite des Kolbens mit dem angrenzenden Abschnitt der doppelwirkenden Kammer die Expansionskammer bildet. So bewirkt bei einer Bewegung des Kolbens seine eine Seite die Expansion und gleichzeitig die andere Seite die Kompression (Doppelwirkung).
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Da in der doppelwirkenden Kammer prinzipbedingt die Kompression um 360° phasenverschoben zur Expansion erfolgt, für einen effektiven Betrieb von Alpha-Stirling-Wärmekraftmaschinen jedoch eine Phasenverschiebung von 80 bis 120° erforderlich ist, ist ein Einsatz von doppelwirkenden Kammern nur sinnvoll, wenn drei bis fünf Wärmekraftmaschinen in Form einer Ringsschaltung fluidisch seriell miteinander verbunden sind.
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In einer bevorzugten Variante ist entsprechend die Wärmekraftanlage als System von drei bis fünf Alpha-Stirling-Wärmekraftmaschinen ausgeführt, wobei jede der Alpha-Stirling-Wärmekraftmaschinen aus einer Pulsationsröhre, einer Serienschaltung aus einem Kühler, einem Regenerator und einem Überhitzer sowie aus einer doppelwirkenden Kompressions-/Expansionskammer besteht. Bei jeder der Stirling-Wärmekraftmaschinen ist die Kompressionskammer mit dem Kühler und der Überhitzer mit dem warmen Ende der Pulsationsröhre fluidisch verbunden. Das kalte Ende der Pulsationsröhre der jeweils ersten bis vorletzten Wärmekraftmaschine ist mit der Expansionskammer der nachfolgenden Wärmekraftmaschine und das kalte Ende der Pulsationsröhre der letzten Wärmekraftmaschine ist mit der Expansionskammer der ersten Wärmekraftmaschine fluidisch verbunden. Die kalten und die warmen Bereiche der Wärmekraftmaschinen sind jeweils parallel kaskadiert. Aufgrund der Kombination von Doppelwirkung und paralleler Kaskadierung sind mit dieser Variante besonders hohe Wirkungsgrade erreichbar.
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Als Alternative zu den Arbeitskolben bei Gamma-Stirlingmaschinen bzw. Kompressions-/Expansionskolben oder doppelwirkenden Kolben bei Alpha-Stirlingmaschinen, können auch Membranen eingesetzt werden.
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Die in der Wärmekraftanlage erzeugte mechanische Arbeit wird entweder mechanisch oder elektrisch von den sich linear bewegenden Kolben bzw. Membranen abgegriffen.
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Ein mechanischer Abgriff der Arbeit kann entweder rotatorisch unter Anwendung eines Kurbeltriebs oder einer Kurbelschleife, indem z.B. ein Pleuel oder die Öse der Kurbelschleife mittig am Kolben befestigt wird, oder linear mechanisch erfolgen, indem z.B. direkt eine Pumpe angetrieben wird.
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Ein elektrischer Abgriff kann mittels elektrischer Generatoren, wie z.B. Systemen mit bewegter Spule, Systemen mit bewegter Spule und Magnetkern oder Piezoelektrischen Systemen, erfolgen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von fünf Ausführungsbeispielen näher erläutert; hierzu zeigen schematisch:
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1: eine Gamma-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine;
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2: eine Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine;
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3: eine Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine mit Pulsationsröhre;
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4: eine 3-Zyklen-Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftanlage mit Pulsationsröhren;
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5: eine 4-Zyklen-Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftanlage mit Pulsationsröhren;
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Die in 1 dargestellte Gamma-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine besteht aus der Arbeitskammer 1 mit dem Arbeitskolben 2 und dem fluidisch mit der Arbeitskammer 1 verbundenen, thermischen Kopf 3. Der thermische Kopf 3 umfasst seinerseits die fluidische Serienschaltung aus dem Kühler 4, dem Regenerator 5 und dem Überhitzer 6, wobei dieser Serienschaltung eine Verdrängerkammer 7 mit einem Verdrängerkolben 8 fluidisch parallel geschaltet ist. Der Betrieb der Wärmekraftmaschine erfolgt zyklisch in den folgenden vier Phasen:
- 1.) Kompression: der Verdrängerkolben 8 befindet sich in seiner oberen Stellung und die kalte Teilkammer 9 der Verdrängerkammer 7 hat die maximale Größe. Der Arbeitskolben 2 bewegt sich nach oben und verdichtet flüssigen 10 und dampfförmigen 11 Arbeitsstoff im thermischen Kopf 3; dort steigt der Druck an und der Arbeitskolben 2 leistet Arbeit.
- 2.) Überschieben in die warme Teilkammer 12 der Verdrängerkammer 7: der Arbeitskolben 8 befindet sich in der oberen Stellung. Der Verdrängerkolben 8 bewegt sich nach unten und verschiebt den flüssigen Arbeitsstoff 10 über die Serienschaltung in die warme Teilkammer 12. Der Druck steigt aufgrund der Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsstoffs weiter an.
- 3.) Expansion: Der Verdrängerkolben 7 befindet sich in der unteren Stellung, die warme Teilkammer 12 der Verdrängerkammer 7 hat dann ihre maximale Größe. Der Arbeitskolben 2 bewegt sich nach unten und entspannt flüssigen 10 und dampfförmigen 11 Arbeitsstoff im thermischen Kopf 3. Der Druck sinkt, am Arbeitskolben 2 wird Arbeit verrichtet.
- 4.) Überschieben in die kalte Teilkammer 9: Der Arbeitskolben 2 befindet sich in der unteren Stellung. Der Verdrängerkolben 8 bewegt sich nach oben und verschiebt Arbeitsstoff in Form von überhitztem Dampf über die Serienschaltung zurück in die kalte Teilkammer 9. Der Druck sinkt aufgrund der Abkühlung des dampfförmigen Arbeitsstoffs 11 und aufgrund der Rekondensation auf den Ausgangsdruck vor der Kompression.
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Die in 2 dargestellte Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine besteht aus der Kompressionskammer 13 mit dem Kompressionskolben 14, der Expansionskammer 15 mit dem Expansionskolben 16 und der fluidischen Serienschaltung aus dem Kühler 4, dem Verdampfer 5 und dem Überhitzer 6. Die Kompressionskammer 13 ist fluidisch mit dem Kühler 4 und die Expansionskammer 15 mit dem Überhitzer 6 verbunden. Auch der Betrieb der Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine erfolgt zyklisch in vier Phasen:
- 1.) Kompression: durch eine Bewegung des Kompressionskolbens 14 vom unteren Totpunkt in Richtung des oberen Totpunkts wird der Arbeitsstoff im thermischen Kopf 3 komprimiert, wobei am System Arbeit geleistet wird.
- 2.) Überschieben mit Verdampfung: durch eine Bewegung des Expansionskolbens 16 in Richtung des unteren Totpunkts und des Kompressionskolbens 14 in Richtung des oberen Totpunkts wird überkritischer Arbeitsstoff 10 aus der Kompressionskammer 13 über den Kühler 4, den Regenerator/Verdampfer 5 und den Überhitzer 6 verschoben. Die Expansionskammer 15 füllt sich mit überhitztem Dampf 11 des Arbeitsstoffs, wobei der Druck stark ansteigt.
- 3.) Expansion: durch eine Bewegung des Expansionskolbens 16 in Richtung des unteren Totpunkts wird der überhitzte Dampf 11 entspannt, wobei das System Arbeit leistet.
- 4. ) Überschieben mit Kondensation: durch eine Bewegung des Expansionskolbens 16 in Richtung des oberen Totpunkts und des Kompressionskolbens 14 in Richtung des unteren Totpunkts wird überhitzter Dampf aus der Expansionskammer 15 über den Überhitzer 6, den Regenerator/Kondensator 5 und den Kühler 4 verschoben. Die Kompressionskammer 13 füllt sich mit überkritischem Arbeitsstoff 10, wobei der Druck beträchtlich absinkt.
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Die in 3 dargestellte Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine unterscheidet sich von der vorhergehenden dadurch, dass zwischen dem Überhitzer 4 und der Expansionskammer 15 eine Pulsationsröhre eingebracht ist.
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4 und 5 zeigen jeweils Wärmekraftanlagen, die aus drei bzw. vier in Form einer Ringsschaltung fluidisch in Serie geschalteten, identischen Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschinen aufgebaut sind. Die Kompressions- 14 und die Expansionskammer 15 sind funktional in der doppelwirkenden Kompressions-/Expansionskammer 20 zusammengefasst, wobei der doppelwirkende Kolben 21 mit seiner einen Seite die Kompression und mit seiner anderen Seite die Expansion bewirkt. Die Kompression und die Expansion erfolgen in der Kammer 20 konstruktionsbedingt um 360° phasenverschoben zueinander, sodass aufgrund der Verschaltung der einzelnen Wärmekraftmaschinen mit den 3-Zyklen-Anlage/4-Zyklen-Anlagen die für den Stirling-Verdampfer-Prozess erforderlichen Phasenverschiebungen von 120°/90° erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Arbeitskammer
- 2
- Arbeitskolben
- 3
- thermischer Kopf
- 4
- Kühler
- 5
- Regenerator/Verdampfer
- 6
- Überhitzer
- 7
- Verdrängerkammer
- 8
- Verdrängerkolben
- 9
- kalte Teilkammer der Verdrängerkammer
- 10
- flüssiger, transkritischer oder überkritischer Arbeitsstoff
- 11
- dampfförmiger Arbeitsstoff
- 12
- warme Teilkammer der Verdrängerkammer
- 13
- Kompressionskammer
- 14
- Kompressionskolben
- 15
- Expansionskammer
- 16
- Expansionskolben
- 17
- Pulsationsröhre
- 18
- warmes Ende der Pulsationsröhre
- 19
- kaltes Ende der Pulsationsröhre
- 20
- doppelwirkende Kompressions-/Expansionskammer
- 21
- doppelwirkender Kolben
