DE102010003537A1 - Thermal power plant for converting heat energy of exhaust gas of diesel engine into mechanical energy, has compressor attached to pressure controller that holds pressure of gas in gas heater and/or gas cooler to preset value - Google Patents

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Abstract

The plant (7) has a compressor (9) for compressing process gas i.e. air, and a compressed gas-work machine driven by the compressed process gas. A gas heater (19) is formed in a compressed gas connection (17), and a gas cooler (25) is formed in another compressed gas connection (23). The compressor, gas heater, working machine and the gas cooler execute a closed cyclic process for converting heat energy into mechanical energy. The compressor is attached to a pressure controller (35) that holds the pressure of the process gas in the gas heater and/or the gas cooler to a predetermined value.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftanlage, die es erlaubt, zugeführte Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln.The invention relates to a thermal power plant, which allows to convert supplied heat energy into mechanical energy.

Bei einer Vielzahl Arbeitsprozesse fällt Abwärme an, die sich zumeist aufgrund ihres niedrigen Temperaturniveaus nur mit vergleichsweise schlechtem Wirkungsgrad als mechanische Energie zurückgewinnen lässt. Dies gilt insbesondere für die Rückgewinnung der Abgaswärme einer Brennkraftmaschine bei einer Abgastemperatur von beispielsweise 500° bis 600°C.In a variety of work processes waste heat accumulates, which can usually only be recovered with relatively poor efficiency as mechanical energy due to its low temperature level. This applies in particular to the recovery of the exhaust heat of an internal combustion engine at an exhaust gas temperature of for example 500 ° to 600 ° C.

Wärmekraftanlagen, die die Wärmeenergie einer Wärmeströmung, beispielsweise der Abgase einer Brennkraftmaschine in mechanische Energie umwandeln, basieren vielfach auf dem Prinzip des Stirling-Motors, der in einem geschlossenen Kreisprozess ein abgeschlossenes Volumen eines Arbeitsgases, wie zum Beispiel Luft von außen in getrennten Bereichen abwechselnd erhitzt und kühlt. Die aufgrund der Temperaturänderung sich ergebende Volumenänderung des Arbeitsgases wird von einer Kolbenmaschine in mechanische Energie umgewandelt. Entsprechend dem Stirling-Kreisprozess wird das Arbeitsgas isochor, d. h. bei konstant bleibendem Volumen erwärmt und nachfolgend isotherm, d. h. bei konstant bleibender Temperatur expandiert. in dem Kreisprozess schließt sich dann eine isochore Wärmeabfuhr und eine isotherme Kompression an. Der Wirkungsgrad des Stirling-Motors hängt allerdings entscheidend vom Temperaturgefälle zwischen der isothermen Expansion und der isothermen Kompression ab, mit der Folge, dass bei vergleichsweise niedriger Temperatur der die Wärmeenergie zuführenden Wärmeströmung der Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie vielfach unzureichend ist. Dies gilt insbesondere, wenn Abgaswärme einer Brennkraftmaschine, deren Temperatur unterhalb 800°C, beispielsweise bei 500° bis 600°C liegt, als mechanische Energie rückgewonnen werden soll.Thermal power plants, which convert the heat energy of a heat flow, for example, the exhaust gases of an internal combustion engine into mechanical energy, are based in many cases on the principle of the Stirling engine, which alternately heats a closed volume of a working gas, such as air from the outside in separate areas in a closed loop process and cool. The resulting due to the temperature change volume change of the working gas is converted by a piston engine into mechanical energy. According to the Stirling cycle, the working gas isochoric, i. H. heated at a constant volume and subsequently isothermal, d. H. expanded at a constant temperature. in the cyclic process is then followed by an isochoric heat removal and an isothermal compression. The efficiency of the Stirling engine, however, depends crucially on the temperature gradient between the isothermal expansion and the isothermal compression, with the result that at a comparatively low temperature of the thermal energy-supplying heat flow, the efficiency of the conversion of thermal energy into mechanical energy is often insufficient. This is especially true when exhaust heat of an internal combustion engine whose temperature is below 800 ° C, for example at 500 ° to 600 ° C, to be recovered as mechanical energy.

Aus DE 25 39 878 A ist eine Wärmekraftanlage mit zwei Zylindern bekannt, in welchen auf eine gemeinsame Kurbelwelle arbeitende Kolben gegenphasig verschiebbar sind, über zwei Arbeitsgaswege zu einem geschlossenen Gaskreislauf miteinander verbunden sind. In einem ersten der Arbeitsgaswege ist ein Gaserhitzer angeordnet, während der zweite Arbeitsgasweg einen Gaskühler enthält. Einem ersten, damit als Verdichter arbeitenden Zylinder, sind Rückschlagventile zwischen dem Gaskühler sowie dem Zylinder einerseits und dem Zylinder und dem Gaserhitzer andererseits zugeordnet, die die Strömungsrichtung des Arbeitsgases vom Gaskühler zum Zylinder und vom Zylinder zum Gaserhitzer zulassen und in Gegenrichtung sperren. Dem anderen der beiden Zylinder sind in jeder der beiden vom Gaserhitzer zu diesem Zylinder und vom Zylinder zum Gaskühler führenden Arbeitsgaswege Steuerventile zugeordnet, die über eine Nockensteuerung abhängig von der Drehstellung der Kurbelwelle öffnen und schließen. Die Steuerzeiten der Steuerventile sind so gewählt, dass das Arbeitsgas in dem erstgenannten Zylinder mehrstufig kombiniert adiabatisch und isotherm komprimiert und in dem zweiten Zylinder mehrstufig adiabatisch und isotherm entspannt wird. Der Kreisprozess schließt sich zwischen der adiabatisch/isothermen Kompression und der adiabatisch/isothermen Entspannung in zwei Isochoren, in welchen das Arbeitsgas zwischen den beiden Zylindern umgepumpt wird.Out DE 25 39 878 A a thermal power plant with two cylinders is known in which working on a common crankshaft pistons are displaceable in opposite directions, are connected to each other via two working gas paths to a closed gas cycle. In a first of the working gas paths, a gas heater is arranged, while the second working gas contains a gas cooler. A first, thus working as a compressor cylinder, check valves between the gas cooler and the cylinder on the one hand and the cylinder and the gas heater are assigned on the other hand, which allow the flow direction of the working gas from the gas cooler to the cylinder and the cylinder to the gas heater and lock in the opposite direction. The other of the two cylinders control valves are assigned in each of the two of the gas heater to this cylinder and the cylinder leading to the gas cooler control valves, which open and close via a cam control depending on the rotational position of the crankshaft. The control times of the control valves are chosen so that the working gas in the first-mentioned cylinder is combined adiabatically and isothermally compressed in a multi-stage combination and expanded in the second cylinder in a multi-stage adiabatic and isothermal manner. The cyclic process closes between the adiabatic / isothermal compression and the adiabatic / isothermal relaxation in two isochores, in which the working gas is circulated between the two cylinders.

Aus DE 43 01 036 A ist eine weitere Wärmekraftanlage auf der Basis einer mehrzylindrigen Zylinderläufermaschine bekannt, deren doppelt wirkende Zylinder durch den Kolben in einen radial außen liegenden Arbeitsraum und einen radial innen liegenden Verdichterraum unterteilt sind. Eine Gaswechselsteuerung verbindet die Verdichterräume wechselweise mit den Arbeitsräumen jeweils eines anderen Zylinders, wobei in die Verbindungsleitungen vom Verdichterraum zum Arbeitsraum ein Gaserhitzer und in die Verbindungsleitung vom Arbeitsraum zum Verdichterraum ein Gaskühler angeordnet ist. Die Wärmekraftanlage arbeitet in einem geschlossenen Kreisprozess, bei welchem der Druck des Arbeitsgases im Gaserhitzer erhöht wird, bevor sich das Arbeitsgas in dem über die Ventilsteuerung verbundenen Arbeitsraum entspannt.Out DE 43 01 036 A is another heat power plant on the basis of a multi-cylinder cylinder rotor machine known, the double acting cylinder are divided by the piston in a radially outer working space and a radially inner compressor chamber. A gas exchange control connects the compressor chambers alternately with the working spaces of each other cylinder, wherein in the connecting lines from the compressor chamber to the working space a gas heater and in the connecting line from the working space to the compressor chamber a gas cooler is arranged. The thermal power plant operates in a closed cycle process in which the pressure of the working gas in the gas heater is increased before the working gas relaxes in the working space connected via the valve control.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine in einem geschlossenen Kreisprozess arbeitende Wärmekraftanlage zu schaffen, die auch bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen der in mechanische Energie umzuwandelnden Wärmeenergie einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad hat.It is an object of the invention to provide a working in a closed cycle thermal power plant, which has a relatively high efficiency even at relatively low temperatures of the heat energy to be converted into mechanical energy.

Die Erfindung geht von einer Wärmekraftanlage aus, welche umfasst:
einen ein Arbeitsgas, insbesondere Luft verdichtenden Verdichter, eine von verdichtetem Arbeitsgas angetriebene Druckgas-Arbeitsmaschine, einen Gaserhitzer in einer das Arbeitsgas vom Verdichter zur Arbeitsmaschine führenden, ersten Druckgasverbindung, und einen Gaskühler in einer das Arbeitsgas von der Arbeitsmaschine zum Verdichter zurückführenden zweiten Druckgasverbindung, wobei der Verdichter, der Gaserhitzer, die Arbeitsmaschine und der Gaskühler entsprechend einem geschlossenen Kreisprozess zusammenwirken, der dem Gaserhitzer zugeführte Wärmeenergie in an der Arbeitsmaschine verfügbare mechanische Energie umwandelt.The invention is based on a thermal power plant, which comprises:
a compressed gas working air compressor, a compressed gas working machine driven by compressed working gas, a gas heater in a working gas from the compressor to the working machine leading first compressed gas connection, and a gas cooler in a working gas from the working machine to the compressor leading back pressure gas connection, wherein the compressor, the gas heater, the working machine and the gas cooler cooperate according to a closed cycle process, which converts the heat energy supplied to the gas heater in mechanical energy available on the working machine.

Die erfindungsgemäße Verbesserung ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter eine den Druck des Arbeitsgases in dem Gaserhitzer oder/und dem Gaskühler im Wesentlichen auf einem vorgebbaren Wert haltende Drucksteueranordnung zugeordnet ist.The improvement according to the invention is characterized in that the compressor has a pressure of the working gas in the gas heater or / and the gas cooler is assigned to a pressure-control arrangement which essentially has a predeterminable value.

Ein solcher Kreisprozess arbeitet hinreichend angenähert entsprechend einem Joule-Kreisprozess mit geschlossenem Kreislauf des stets in seiner Gasphase verbleibenden Arbeitsgases. Da der Wirkungsgrad des Joule-Kreisprozesses im Gegensatz z. B. zum Wirkungsgrad des Stirling-Kreisprozesses unabhängig von dem am Gaserhitzer und Gaskühler zur Verfügung stehenden Temperaturniveaus ist, kann auch auf vergleichsweise niederem Temperaturniveau den Gaserhitzer zugeführte Wärmeenergie, wie sie beispielsweise durch Abgaswärme eines Verbrennungsmotors gegeben ist, mit hinreichendem Wirkungsgrad genutzt werden. Darüber hinaus kann durch geeignete Gaskühler das Arbeitsgas auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt werden, womit der zugeführten Wärmeströmung deutlich mehr Energie bei hinreichend hohem Wirkungsgrad entzogen werden kann, als im Falle des Stirling-Kreisprozesses.Such a cyclic process operates sufficiently approximated according to a closed-loop Joule cycle of the working gas always remaining in its gas phase. Since the efficiency of the Joule cycle process in contrast z. B. the efficiency of the Stirling cycle independent of the available gas heater and gas cooler temperature levels, can also be used at a comparatively low temperature level, the gas heater heat energy supplied, as given for example by exhaust heat of an internal combustion engine, with sufficient efficiency. In addition, the working gas can be cooled to very low temperatures by means of suitable gas cooler, whereby the heat flow supplied can be withdrawn significantly more energy with sufficiently high efficiency, as in the case of the Stirling cycle.

Der Wirkungsgrad des Joule-Kreisprozesses hängt im Wesentlichen nur vom Verhältnis des Arbeitsgasdrucks auf der Seite des Gaserhitzers zum Arbeitsgasdruck auf der Seite des Gaskühlers ab, wenn dafür gesorgt wird, dass der Druck des Arbeitsgases während der Wärmetauschphasen in dem Gaserhitzer und dem Gaskühler sein Volumen isobar d. h. bei konstantem Druck ändert. Während der Wärmetauschphasen wird das Arbeitsgas in dem Gaserhitzer auf seinem in dem Kreisprozess maximalen Druck gehalten, während es im Gaskühler seinen minimalen Druck hat. In der Arbeitsmaschine entspannt sich das Arbeitsgas entsprechend dem Joule-Kreisprozess in einer isentropen (adiabatischen) d. h. wärmeverlustfreien Volumenänderungsphase vom maximalen Druck auf den minimalen Druck. Der Kreisprozess schließt sich in einer weiteren isentropen (adiabatischen) Volumenänderungsphase in dem Verdichter, der das Arbeitsgas vom minimalen Druck erneut auf den maximalen Druck komprimiert.The efficiency of the Joule cycle essentially depends only on the ratio of the working gas pressure on the side of the gas heater to the working gas pressure on the side of the gas cooler, if it is ensured that the pressure of the working gas during the heat exchange phases in the gas heater and the gas cooler isobaric volume d. H. changes at constant pressure. During the heat exchange phases, the working gas in the gas heater is kept at its maximum pressure in the gas cycle while it has its minimum pressure in the gas cooler. In the working machine, the working gas relaxes according to the Joule cycle in an isentropic (adiabatic) d. H. heat loss-free volume change phase from the maximum pressure to the minimum pressure. The cycle completes in a further isentropic (adiabatic) volume change phase in the compressor, which re-compresses the working gas from the minimum pressure to the maximum pressure.

Basis bzw. Referenz für die Steuerung bzw. Regelung der isobaren Wärmetauschphasen in dem Gaserhitzer und dem Gaskühler ist ein konstanter Massendurchfluss durch die Arbeitsmaschine und den Verdichter. Die Arbeitsgasmasse, die die Arbeitsmaschine durchströmt, muss vom Verdichter nachgeliefert werden, wenn der Druck im Gaserhitzer bzw. dem Gaskühler durch Regelung des Verdichterdurchsatzes konstant gehalten werden soll. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Verdichter von einem mittels der Drucksteueranordnung steuerbaren Motor, insbesondere Elektromotor, angetrieben. Die Drucksteueranordnung steuert bevorzugt die Drehzahl des Motors und damit den Ausgangsdruck des Verdichters. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei der Drucksteueranordnung um einen geschlossenen Regelkreis, der den Istdruck des Arbeitsgases mittels eines Drucksensors auf der Ausgangsseite des Verdichters erfasst. Es versteht sich, dass alternativ auch der Druck auf der Eingangsseite des Verdichters als Istgröße erfasst werden kann, da der Kreisprozess einen konstanten Gasmassedurchfluss einhält. Es versteht sich, dass der Verdichter anstelle von einem gesonderten Motor auch von der Arbeitsmaschine aus angetrieben werden kann, wenn die Arbeitsmaschine über ein Getriebe mit steuerbarem Übersetzungs- bzw. Untersetzungsverhältnis in Antriebsverbindung mit dem Verdichter steht und die Drucksteueranordnung das Getriebe steuert, um den Druck in den Wärmetauschphasen des Kreisprozesses im Wesentlichen konstant zu halten.The basis or reference for the control of the isobaric heat exchange phases in the gas heater and the gas cooler is a constant mass flow through the work machine and the compressor. The working gas mass, which flows through the working machine, must be supplied by the compressor, if the pressure in the gas heater or the gas cooler is to be kept constant by controlling the compressor throughput. In a preferred embodiment, the compressor is driven by a controllable by the pressure control arrangement motor, in particular electric motor. The pressure control arrangement preferably controls the speed of the engine and thus the output pressure of the compressor. Expediently, the pressure control arrangement is a closed control loop that detects the actual pressure of the working gas by means of a pressure sensor on the output side of the compressor. It is understood that alternatively, the pressure on the input side of the compressor can be detected as actual size, since the cycle maintains a constant gas mass flow. It will be understood that instead of being a separate motor, the compressor may be driven by the work machine when the work machine is in drive connection with the compressor via a variable ratio transmission and the pressure control arrangement controls the transmission to control the pressure to keep substantially constant in the heat exchange phases of the cycle process.

Zweckmäßigerweise umfasst die Drucksteueranordnung ein bezogen auf die erste Druckgasverbindung in Strömungsrichtung des Arbeitsgases vom Verdichter zur Arbeitsmaschine öffnendes und in Gegenrichtung schließendes Einwegventil und/oder ein bezogen auf die zweite Druckgasverbindung von der Arbeitsmaschine zum Verdichter öffnendes und in Gegenrichtung schließendes Einwegventil Die Einwegventile sind so ausgebildet, dass sie im Wesentlichen ohne oder aber nur gegen geringe Vorspannung öffnen. Das auf der Ausgangsseite des Verdichters angeordnete Einwegventil öffnet damit erst, wenn der Ausgangsdruck des Verdichters den im Gaserhitzer herrschenden Druck erreicht bzw. überschreitet. Bezogen auf einen durch die Arbeitsmaschine bestimmten Gasmassedurchsatz kann durch Steuern/Regeln des Verdichters der Gasmassedurchsatz durch den Verdichter an denjenigen der Arbeitsmaschine angeglichen werden und der Druck im Gaserhitzer konstant gehalten werden. Entsprechendes gilt für den Gaskühler, wenn eingangsseitig des Verdichters ein zum Verdichter hin öffnendes Einwegventil vorgesehen ist. Dieses Einwegventil öffnet, sobald der Druck in dem Gaskühler den Druck des Verdichters überschreitet.Expediently, the pressure control arrangement comprises a one-way valve opening in the direction of flow of the working gas in the flow direction of the working gas from the compressor to the working machine and closing in the opposite direction and / or a one-way valve opening from the working machine to the compressor and closing in the opposite direction. The one-way valves are designed such that that they open substantially without or only against slight bias. The arranged on the output side of the compressor one-way valve thus opens only when the output pressure of the compressor reaches or exceeds the prevailing pressure in the gas heater. Based on a determined by the working machine gas mass flow rate can be adjusted by controlling the compressor, the gas mass flow rate through the compressor to that of the working machine and the pressure in the gas heater are kept constant. The same applies to the gas cooler when the input side of the compressor, a one-way valve opening to the compressor is provided. This one-way valve opens as soon as the pressure in the gas cooler exceeds the pressure of the compressor.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Arbeitsmaschine eine den Massendurchsatz an Arbeitsgas durch die Arbeitsmaschine auf einem im Wesentlichen konstanten, vorgebbaren Wert haltende Durchsatzsteueranordnung zugeordnet. Die Durchsatzsteueranordnung sorgt für einen im Wesentlichen konstanten Massendurchsatzbasiswert, auf den die Drucksteueranordnung durch Steuern oder gegebenenfalls Regeln des Arbeitsgasdrucks den Massedurchsatz im Verdichter einstellen kann. Um den Massendurchsatz durch die Arbeitsmaschine zu beeinflussen, steuert bzw. regelt die Durchsatzsteueranordnung zweckmäßigerweise die Last, die eine an die Arbeitsmaschine gekuppelte Nutzmaschine auf die Arbeitsmaschine ausübt. Wird die Last erhöht, verringert sich die Drehzahl und damit der Massendurchsatz durch die Arbeitsmaschine; wird die Last erniedrigt, steigt die Drehzahl der Arbeitsmaschine und damit der Massendurchsatz an Arbeitsgas. Bei der Nutzmaschine kann es sich um einen elektrischen Generator handeln, wobei die Durchsatzregelanordnung die Erregung und damit die von dem Generator abgegebene elektrische Leistung steuert. Es versteht sich jedoch, dass es sich bei der Nutzmaschine auch um ein anderes Aggregat handeln kann, wie z. B. eine Pumpe oder dergleichen.In a preferred embodiment, the work machine is assigned a throughput control arrangement which holds the mass flow rate of working gas through the work machine at a substantially constant, predefinable value. The flow rate control arrangement provides a substantially constant mass flow rate base value to which the pressure control assembly may adjust the mass flow rate in the compressor by controlling or optionally regulating the working gas pressure. In order to influence the mass flow rate through the work machine, the throughput control arrangement expediently controls or regulates the load that a work machine coupled to the work machine exerts on the work machine. If the load is increased, the speed and thus the mass flow rate reduced by the working machine; If the load is lowered, the speed of the engine increases Working machine and thus the mass flow rate of working gas. The utility machine may be an electrical generator, wherein the flow rate control arrangement controls the excitation and thus the electrical power output by the generator. It is understood, however, that it may be at the pay machine also another unit, such. As a pump or the like.

Der von der Durchsatzsteueranordnung festgelegte Gasmassedurchsatz kann abhängig von der dem Gaserhitzer zugeführten Wärmeenergie festgelegt werden oder aber, zumindest in gewissem Umfang, durch die von der Arbeitsmaschine geforderte Leistung. Handelt es sich bei der Nutzmaschine um einen Wechselstromgenerator, muss in aller Regel dafür gesorgt werden, dass die Frequenz des erzeugten Wechselstroms einen vorbestimmten Wert, beispielsweise 50 Hz hat, um den so erzeugten Strom gegebenenfalls in ein anderes Stromnetz einspeisen zu können. In diesem Fall regelt die Durchsatzsteueranordnung die Ausgangsdrehzahl der Arbeitsmaschine auf einen vorgegebenen, die Stromfrequenz bestimmenden, konstanten Wert. Zweckmäßigerweise lässt die Durchsatzsteueranordnung abweichende Frequenzwerte lediglich beim Anfahren bzw. Starten der Wärmekraftanlage zu.The gas mass flow rate determined by the flow rate control arrangement may be determined as a function of the heat energy supplied to the gas heater or, at least to a certain extent, by the power demanded by the work machine. If the utility machine is an alternator, it must generally be ensured that the frequency of the alternating current generated has a predetermined value, for example 50 Hz, in order to be able to feed the power thus generated, if appropriate, into another power grid. In this case, the flow rate control arrangement regulates the output speed of the work machine to a predetermined, constant value determining the current frequency. Expediently, the throughput control arrangement allows deviating frequency values only when starting or starting the thermal power plant.

Die Größe des Massendurchsatzes an Arbeitsgas durch die Arbeitsmaschine bestimmt die momentane Arbeitsleistung der Arbeitsmaschine und muss für den optimalen Betrieb der Wärmekraftanlage der am Gaserhitzer zur Verfügung stehenden Wärmeenergie angepasst werden. Steigt die am Gaserhitzer zur Verfügung stehende Wärmeenergie, muss der Massendurchsatz angehoben werden, um die angebotene Energie der Arbeitsmaschine zuführen zu können, speziell wenn der durch die Drucksteueranordnung vorgegebene Arbeitsgasdruck in der isobaren Wärmetauschphase konstant gehalten werden soll. Um die Wärmekraftanlage auf den durch eine Änderung des Wärmeangebots am Gaserhitzer sich ändernden Arbeitspunkt einstellen zu können, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Steuerung vorgesehen, die auf den Druck und/oder die Temperatur und/oder die Strömungsgeschwindigkeit einer Wärmemittelströmung, mit der der Gaserhitzer in Wärmetauschverbindung steht, anspricht und von diesen Parametern abhängig den Wert des Drucks des Arbeitsgases vorgibt, auf welchen die Drucksteueranordnung den Druck des Arbeitsgases in dem Gaserhitzer oder dem Gaskühler konstant halten soll. Die Steuerung steuert zweckmäßigerweise abhängig von dem Druck und/oder der Temperatur und/oder der Strömungsgeschwindigkeit der Wärmemittelströmung alternativ oder auch zusätzlich den Massendurchsatz durch die Arbeitsmaschine durch eine Sollwertvorgabe an die Durchsatzregelanordnung und umfasst hierzu zweckmäßigerweise einen Tabellenspeicher oder Funktionsgenerator oder dergleichen.The size of the mass flow rate of working gas through the working machine determines the instantaneous performance of the working machine and must be adapted for the optimal operation of the thermal power plant of the heat energy available at the gas heater. If the heat energy available at the gas heater increases, the mass throughput must be increased in order to be able to supply the energy offered to the working machine, especially if the working gas pressure predetermined by the pressure control arrangement is to be kept constant in the isobaric heat exchange phase. In order to be able to adjust the heat power plant to the operating point changing as a result of a change in the supply of heat at the gas heater, in a preferred embodiment a control is provided which is based on the pressure and / or the temperature and / or the flow velocity of a heat medium flow, with which the gas heater Heat exchange connection is, responsive and dependent on these parameters, the value of the pressure of the working gas, on which the pressure control arrangement is to keep the pressure of the working gas in the gas heater or the gas cooler constant. The control expediently controls, depending on the pressure and / or the temperature and / or the flow velocity of the heat medium flow alternatively or additionally, the mass flow rate through the work machine by a setpoint input to the flow rate control arrangement and this expediently comprises a table memory or function generator or the like.

Die durch die Wärmekraftanlage der treibenden Wärmeströmung entziehbare Energie ist durch die Differenz der Temperatur der zur Verfügung stehenden Wärmeströmung und der Temperatur, auf die das Arbeitsgas in dem Kreisprozess abgekühlt werden kann, bestimmt. Während bei vielen Wärmekraftprozessen, wie zum Beispiel dem Stirling-Kreisprozess der Wirkungsgrad mit abnehmender Maximaltemperatur des Prozesses stark abnimmt, muss bei diesen Kreisprozessen zum Erreichen eines akzeptablen Wirkungsgrads die Maximaltemperatur des Arbeitsgases in dem Kreisprozess heraufgesetzt werden, was die der Wärmeströmung entziehbare Wärmemenge reduziert. Wird hingegen, wie vorstehend erläutert, die Wärmekraftanlage durch Druckregelung während der isobaren Wärmetauschphasen in einem Joule-Kreisprozess betrieben, so ist der Wirkungsgrad unabhängig von der Temperaturdifferenz und kann durch geeignete Wahl der Drücke in den isobaren Wärmetauschphasen optimiert werden. Während die Temperatur der die Wärmeenergie liefernden Wärmemittelströmung beispielsweise zwischen 400°C und 800°C liegt, kann der Druck des Arbeitsgases im Gaserhitzer zwischen 18 und 45 Bar, insbesondere zwischen 25 und 40 Bar und vorzugsweise zwischen 30 bis 35 Bar gehalten werden. Der Gaskühler kühlt das Arbeitsgas bevorzugt auf weniger als 100°C, insbesondere weniger als 80°C und vorzugsweise weniger als 50°C, wobei der Druck des Arbeitsgases im Gaskühler zwischen 4 und 8 Bar betragen kann.The energy which can be extracted by the heat power plant of the driving heat flow is determined by the difference between the temperature of the available heat flow and the temperature to which the working gas can be cooled in the cyclic process. While in many thermal power processes, such as the Stirling cycle, the efficiency decreases sharply as the maximum temperature of the process decreases, in these cycle processes, to achieve acceptable efficiency, the maximum temperature of the working gas in the cycle must be increased, which reduces the amount of heat extractable from the heat flow. On the other hand, if, as explained above, the thermal power plant operated by pressure control during the isobaric heat exchange phases in a Joule cycle, the efficiency is independent of the temperature difference and can be optimized by a suitable choice of pressures in the isobaric heat exchange phases. For example, while the temperature of the heat flow delivering the heat energy is between 400 ° C and 800 ° C, the pressure of the working gas in the gas heater may be maintained between 18 and 45 bars, more preferably between 25 and 40 bars, and preferably between 30 and 35 bars. The gas cooler preferably cools the working gas to less than 100 ° C, in particular less than 80 ° C and preferably less than 50 ° C, wherein the pressure of the working gas in the gas cooler may be between 4 and 8 bar.

Der Verdichter ist im Betrieb der durch den Gaskühler bestimmten, verhältnismäßig niedrigen Prozesstemperatur ausgesetzt. Bei dem Verdichter kann es sich um einen Kolbenkompressor, einen Drehkolbenverdichter, einen Schraubenspindelverdichter oder ein Rootsgebläse oder dergleichen handeln.During operation, the compressor is exposed to the comparatively low process temperature determined by the gas cooler. The compressor may be a reciprocating compressor, a rotary compressor, a screw compressor or a Roots blower or the like.

Die Arbeitsmaschine hingegen muss bei den vergleichsweise hohen, durch den Gaserhitzer bestimmten Prozesstemperaturen, zumeist von mehr als 400°C betrieben werden können. Es kann sich bei der Arbeitsmaschine um ein Rootsgebläse oder einen Schraubenmotor oder eine Druckluftturbine handeln, wobei letztere erst bei vergleichsweise großer Leistung wirtschaftlich eingesetzt werden kann. Eine auch bei geringerer Leistung und hohen Betriebstemperaturen einsetzbare Arbeitsmaschine ist bevorzugt als Zylinderläufermaschine ausgebildet. Eine solche Maschine umfasst ein Gehäuse, eine Kurbelwelle in dem Gehäuse, einen in dem Gehäuse um eine erste Drehachse drehbar gelagerten Zylinderläufer mit radial zur ersten Drehachse verlaufenden, durch Zylinderdeckel verschlossenen Zylindern und einen radial zur ersten Drehachse verschiebbaren Kolben in jedem Zylinder, der zusammen mit seinem Zylinderdeckel und dem Kolben einen Arbeitsraum in dem Zylinder begrenzt. Die Kolben sind über Kolbenstangen, insbesondere paarweise starr über starre Kolbenstangen mit Exzenterlagern der Kurbelwelle verbunden und die Kurbelwelle ist um eine zur ersten Drehachse mit einer vorbestimmten Exzentrizität achsparallel versetzte zweite Drehachse drehbar gelagert. Insbesondere aufgrund der die Kolben paarweise miteinander verbindenden, starren Kolbenstangen, sind die Kolben vergleichsweise geringen Seitenflächendrücken ausgesetzt, was den Verschleiß zwischen Kolben und Zylinder mindert, sodass die Anforderungen an die Kolbenschmierung gering sind, insbesondere wenn die Kurbelwelle und der Zylinderläufer über ein die Kolben von Zylinderschubkräften in Drehrichtung des Zylinderläufers im Wesentlichen entlastendes Getriebe drehfest miteinander verbunden sind. Einzelheiten derartiger Zylinderläufermaschinen, die auch als Verdichter der Wärmekraftanlage eingesetzt werden können, sind in WO 90/15918 A , DE 42 28 639 A , DE 196 11 824 C1 und DE 10 2005 033 448 A1 beschrieben. Auf diese Druckschriften wird zur Erläuterung des Aufbaus und der Wirkungsweise solcher Zylinderläufermaschinen Bezug genommen.The working machine, however, must be able to be operated at the relatively high, determined by the gas heater process temperatures, usually of more than 400 ° C. The working machine may be a Roots blower or a screw motor or a compressed air turbine, the latter being able to be used economically only with comparatively high power. A working machine which can also be used at lower power and high operating temperatures is preferably designed as a cylindrical rotor machine. Such a machine comprises a housing, a crankshaft in the housing, a cylindrical rotor rotatably mounted in the housing about a first axis of rotation, with cylinders radially closed to the first axis of rotation closed by cylinder covers, and a piston displaceable radially of the first axis of rotation in each cylinder which, together with its cylinder cover and piston, defines a working space in the cylinder. The pistons are connected via piston rods, in particular rigidly in pairs via rigid piston rods with eccentric bearings of the crankshaft and the crankshaft is rotatably mounted about a first axis of rotation with a predetermined eccentricity axially parallel offset second axis of rotation. In particular, due to the piston connecting the pistons in pairs, rigid piston rods, the pistons are exposed to relatively low side surface pressures, which reduces wear between the piston and cylinder, so that the requirements for the piston lubrication are low, especially if the crankshaft and the cylinder rotor via a piston of Cylinder thrust in the direction of rotation of the cylinder rotor substantially relieving gear rotatably connected to each other. Details of such cylindrical rotor machines, which can also be used as compressors of the thermal power plant are in WO 90/15918 A . DE 42 28 639 A . DE 196 11 824 C1 and DE 10 2005 033 448 A1 described. These documents will be used to explain the structure and operation of such cylinder rotor machines reference.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Wärmekraftanlage anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:Embodiments of a thermal power plant according to the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. Hereby shows:

1 ein elektrisches Blockkraftwerk mit einem von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Generator und einer die Abgaswärme der Brennkraftmaschine in mechanische Energie umwandelnden Wärmekraftanlage, die gleichfalls einen elektrischen Generator antreibt; 1 an electric block power plant with a driven by an internal combustion engine generator and a heat of exhaust gas of the internal combustion engine into mechanical energy converting heat power plant, which also drives an electric generator;

2 ein pv-Diagramm zur Erläuterung eines bei der Wärmekraftanlage genutzten Joule-Kreisprozesses und 2 a pv diagram for explaining a used in the thermal power plant Joule cycle and

3 eine Schnittansicht einer als Arbeitsmaschine in der Wärmekraftanlage einsetzbaren Zylinderläufermaschine. 3 a sectional view of a usable as a working machine in the thermal power plant cylinder rotor machine.

1 zeigt ein elektrisches Blockkraftwerk 1 mit einem von einer Brennkraftmaschine 3, beispielsweise einem insbesondere mit Biokraftstoff betriebenen Dieselmotor, angetriebenen, elektrischen Generator 5. Zur Wiedergewinnung und Umwandlung von Abgaswärmeenergie der Brennkraftmaschine 3 in mechanische Energie und nachfolgend elektrische Energie ist dem Blockkraftwerk 1 eine in einem geschlossenen Kreislauf arbeitende Wärmekraftanlage 7 zugeordnet. Die Wärmekraftanlage 7 umfasst einen Verdichter 9, der ein in einem geschlossenen Kreislauf phasenänderungsfrei zirkulierendes Arbeitsgas, insbesondere Luft, komprimiert und eine von dem verdichteten Arbeitsgas angetriebene Druckgas-Arbeitsmaschine 11, beispielsweise eine Turbine, deren Ausgangswelle 13 mit einem elektrischen Generator 15 gekuppelt ist. In einer vom Verdichter 9 zur Arbeitsmaschine 11 führenden, ersten Druckgasverbindung 17 ist ein das Arbeitsgas erhitzender Gaserhitzer 19 angeordnet, der in Wärmetauschverbindung mit der Abgaswärmeströmung einer Abgasanlage 21 der Brennkraftmaschine 3 steht. In einer zweiten in Strömungsrichtung des Arbeitsgases von der Arbeitsmaschine 11 zum Verdichter 9 führenden Druckgasverbindung 23 ist ein das Arbeitsgas kühlender Gaskühler 25 angeordnet. Der Gaskühler 25 steht in Wärmetauschverbindung mit einer bei 27 angedeuteten Quelle eines Kühlmittels. Der Gaskühler 25 kann unmittelbar mit dem Kühlmittel in Wärmetauschverbindung stehen oder aber indirekt über einen zusätzlichen Wärmetauschkreis. Bei dem Kühlmittel kann es sich um Umgebungsluft oder Grund- oder Oberflächenwasser handeln; auch kann das Erdreich für die Kühlung ausgenutzt werden. 1 shows an electric block power plant 1 with one of an internal combustion engine 3 , For example, a particular biofuel-powered diesel engine, driven, electric generator 5 , For recovery and conversion of exhaust heat energy of the internal combustion engine 3 in mechanical energy and subsequent electrical energy is the block power plant 1 a closed-loop thermal power plant 7 assigned. The thermal power plant 7 includes a compressor 9 which compresses a working gas, in particular air, which circulates in a closed cycle free of phase change, and a compressed gas working machine driven by the compressed working gas 11 For example, a turbine whose output shaft 13 with an electric generator 15 is coupled. In one of the compressor 9 to the work machine 11 leading, first compressed gas connection 17 is a gas heater heating the working gas 19 arranged in heat exchange connection with the exhaust gas heat flow of an exhaust system 21 the internal combustion engine 3 stands. In a second in the flow direction of the working gas from the working machine 11 to the compressor 9 leading pressurized gas connection 23 is a gas cooler cooling the working gas 25 arranged. The gas cooler 25 is in heat exchange with a at 27 indicated source of a coolant. The gas cooler 25 may be directly in heat exchange with the coolant or indirectly via an additional heat exchange circuit. The coolant may be ambient or ground or surface water; Also, the soil can be used for cooling.

Die Wärmekraftanlage 7 arbeitet in nachstehend noch näher erläuterter Weise entsprechend einem Joule-Kreisprozess, dessen Druck-Volumen-Diagramm (pv-Diagramm) in 2 schematisch dargestellt ist. In einer isentropen (adiabatischen) Volumenänderungsphase 1-2 komprimiert der Verdichter 9 das Arbeitsgas von einem minimalen Prozessdruck pmin isentrop, d. h. im Wesentlichen ohne Wärmeverlust auf einen maximalen Prozessdruck pmax. In der daran anschließenden isobaren Wärmetausch Phase 2-3 erwärmt der Gaserhitzer 19 das Arbeitsgas isobar, d. h. bei konstant bleibendem Prozessdruck pmax, wobei sich das Gasvolumen erhöht. In der nachfolgenden isentropen (adiabatischen) Volumenänderungsphase 3-4 expandiert das Arbeitsgas in der Arbeitsmaschine 11 unter Abgabe mechanischer Energie an die Ausgangswelle 13. Auch die Expansion in der Arbeitsmaschine verläuft im Wesentlichen ohne Wärmeverlust. Der Druck des Arbeitsgases nimmt hierbei bis auf den minimalen Prozessdruck pmin ab. Der Kreisprozess schließt sich in einer isobaren Wärmetauschphase 4-1, in der der Gaskühler 25 das Gasvolumen isobar auf dem minimalen Prozessdruck pmin durch Abkühlen wieder vermindert.The thermal power plant 7 operates in the manner explained in more detail below in accordance with a Joule cycle whose pressure-volume diagram (pv diagram) in 2 is shown schematically. In an isentropic (adiabatic) volume change phase 1-2 compresses the compressor 9 the working gas from a minimum process pressure p min isentrop, ie essentially without heat loss to a maximum process pressure p max . In the subsequent isobaric heat exchange phase 2-3 the gas heater heats up 19 the working gas isobaric, ie at a constant process pressure p max , whereby the gas volume increases. In the following isentropic (adiabatic) volume change phase 3-4 the working gas expands in the working machine 11 with release of mechanical energy to the output shaft 13 , The expansion in the work machine is essentially without heat loss. The pressure of the working gas decreases here to the minimum process pressure p min . The cycle closes in an isobaric heat exchange phase 4-1 in which the gas cooler 25 the gas volume isobar reduced again on the minimum process pressure p min by cooling.

Der Vorteil des vorstehend erläuterten Joule-Kreisprozesses ist, dass der Wirkungsgrad, mit dem die zugeführte Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt werden kann anders als bei anderen Kreisprozessen, wie zum Beispiel dem Stirling-Kreisprozess nicht von der Temperaturdifferenz des Arbeitsgases zwischen der Temperatur am Gaserhitzer 19 und der Temperatur am Gaskühler 25 abhängt, sondern vom Verhältnis der Prozessdrücke pmax zu pmin. Diese Prozessdrücke lassen sich durch die Konstruktion und den Betrieb des Verdichters 9 und der Arbeitsmaschine 11 beeinflussen.The advantage of the Joule cycle process explained above is that the efficiency with which the supplied heat energy can be converted into mechanical energy, unlike other cycles, such as the Stirling cycle, does not depend on the temperature difference of the working gas between the temperature at the gas heater 19 and the temperature at the gas cooler 25 but depends on the ratio of the process pressures p max to p min . These process pressures can be determined by the design and operation of the compressor 9 and the working machine 11 influence.

Da der Wirkungsgrad nicht von den Prozesstemperaturen des Arbeitsgases abhängt, kann auch Wärmeenergie auf verhältnismäßig niedrigem Temperaturniveau rückgewonnen werden, wie dies bei der Rückgewinnung von Abgaswärme einer Brennkraftmaschine bei Temperaturen zwischen 400° und 800°C, beispielsweise 500° bis 600°C von Bedeutung ist. Da der Anteil rückgewinnbarer Wärmeenergie auch von der Temperaturdifferenz zwischen der Prozesstemperatur am Gaserhitzer 19 und der Prozesstemperatur am Gaskühler 25 abhängt, lässt sich durch Absenken der minimalen Prozesstemperatur am Gaskühler 25 der Anteil an wiedergewinnbarer Wärmeenergie erhöhen. Durch geeignete Gaskühler kann die minimale Prozesstemperatur gegebenenfalls auch auf weniger als 100°C, beispielsweise weniger als 80°C und besser weniger als 50°C abgesenkt werden. Bereits bei einem Druckverhältnis der Prozessdrücke pmax/pmin von etwa 11 ergibt sich ein (theoretischer) thermischer Wirkungsgrad von 50%, der durch Anheben des Druckverhältnisses auf 25 auf etwa 60% gesteigert werden kann. Since the efficiency does not depend on the process temperatures of the working gas, and heat energy can be recovered at a relatively low temperature level, as in the recovery of exhaust heat of an internal combustion engine at temperatures between 400 ° and 800 ° C, for example, 500 ° to 600 ° C is important , Since the proportion recoverable heat energy and the temperature difference between the process temperature at the gas heater 19 and the process temperature at the gas cooler 25 depends, can be lowered by lowering the minimum process temperature on the gas cooler 25 increase the proportion of recoverable heat energy. By suitable gas cooler, the minimum process temperature may also be lowered to less than 100 ° C, for example less than 80 ° C and better less than 50 ° C. Even at a pressure ratio of the process pressures p max / p min of about 11 results in a (theoretical) thermal efficiency of 50%, which can be increased by raising the pressure ratio to 25 to about 60%.

Die Wärmekraftanlage 7 wird in einem geschlossenen Joule-Kreisprozess betrieben. Der Verdichter 9 und die Arbeitsmaschine 11 wird hierbei so gesteuert, dass das im Kreislaufzirkulierende Arbeitsgas in dem Kreislauf stets konstanten Massendurchsatz hat. Die Größe des Massendurchsatzes wird durch die Drehzahl der Arbeitsmaschine 11 bestimmt und durch eine als Durchsatzsteueranordnung dienende Drehzahlregelung 29 auf einem konstanten Drehzahlwert und damit einem konstanten Massendurchsatzwert gehalten. Die Drehzahlregelung 29 steuert die Erregung des Generators 15 und damit die von dem Generator 15 an der Ausgangswelle 13 ausgeübte, die Arbeitsmaschine 11 belastende Last. Im Fall eines Wechselstromgenerators kann auf diese Weise zugleich die Wechselstromfrequenz konstant gehalten werden.The thermal power plant 7 is operated in a closed joule cycle. The compressor 9 and the working machine 11 is controlled so that the circulating in the circulating working gas in the circuit always has constant mass flow rate. The size of the mass flow rate is determined by the speed of the working machine 11 determined and by serving as a throughput control arrangement speed control 29 kept at a constant speed value and thus a constant mass flow rate. The speed control 29 controls the excitation of the generator 15 and with it from the generator 15 at the output shaft 13 exercised, the working machine 11 burdening load. In the case of an alternator can be kept constant in this way at the same time the AC frequency.

Der Verdichter 9 wird von einem Elektromotor 31 angetrieben, dessen Drehzahl den Massendurchsatz durch den Verdichter 9 und damit den Druck in der Druckgasverbindung 17 und somit im Gaserhitzer 19 bestimmt. Die Drehzahl des Motors 31 bestimmt ein den Istdruck in der Druckgasverbindung 17 mittels eines Drucksensors 33 erfassender Druckregler 35.The compressor 9 is powered by an electric motor 31 whose speed is the mass flow rate through the compressor 9 and thus the pressure in the compressed gas connection 17 and thus in the gas heater 19 certainly. The speed of the engine 31 determines the actual pressure in the compressed gas connection 17 by means of a pressure sensor 33 detecting pressure regulator 35 ,

Der Sollwert des vom Druckregler 35 konstant zu haltenden Prozessdrucks wird von einer Steuerung 37 vorgegeben, die mit wenigstens einem Sensor 39 auf die Temperatur und/oder den Druck und/oder den Massendurchsatz an Abgas in der Abgasanlage 21 anspricht. Die Steuerung 37 legt damit abhängig vom Wärmeinhalt der Abgaswärmeströmung den Arbeitspunkt der Wärmekraftanlage 7 fest, um sicherzustellen, dass die angebotene Wärme mit optimalem Wirkungsgrad in elektrische Energie des Generators 15 umgewandelt werden kann. Über die Steuerung 37 kann bei sich änderndem Wärmeenergieangebot der Massendurchsatz durch die Arbeitsmaschine 11 durch Änderung der Prozessdrücke angepasst und die Bedingungen der isobaren Wärmetauschphasen des Joule-Kreisprozesses an dem Gaserhitzer 19 und dem Gaskühler 25 eingehalten werden. Die Steuerung 37 kann hierzu einen Kennlinienspeicher oder Kennliniengenerator umfassen.The setpoint of the pressure regulator 35 constant process pressure is controlled by a controller 37 given, with at least one sensor 39 on the temperature and / or the pressure and / or the mass flow rate of exhaust gas in the exhaust system 21 responds. The control 37 thus defines the operating point of the thermal power plant depending on the heat content of the exhaust gas heat flow 7 firm to ensure that the offered heat with optimal efficiency in electrical energy of the generator 15 can be converted. About the controller 37 The mass flow rate through the working machine can change as the heat energy supply changes 11 adapted by changing the process pressures and the conditions of the isobaric heat exchange phases of the Joule cycle at the gas heater 19 and the gas cooler 25 be respected. The control 37 can for this purpose include a characteristic memory or characteristic generator.

Dem Verdichter 9 ist, wie bei 41 angedeutet, ein Einwegventil zugeordnet, das in der ersten Druckgasverbindung 17 vom Verdichter 9 zur Arbeitsmaschine 11 hin durchlässig ist, in Gegenrichtung jedoch sperrt. Ein entsprechendes Einwegventil 43 ist in der zweiten Druckgasverbindung 23 vorgesehen. Bei den Einwegventilen 41, 43 handelt es sich um im Wesentlichen vorspannungsfrei arbeitende Ventile. Das auf der Ausgangsseite des Verdichters 9 angeordnete Einwegventil 41 öffnet, wenn der Ausgangsdruck des Verdichters 9 den im Gaserhitzer 19 herrschenden Druck übersteigt und schließt, wenn der Ausgangsdruck des Verdichters 9 diesen Druck unterschreitet. Das auf der Eingangsseite des Verdichters 9 angeordnete Einwegventil 43 öffnet hingegen, wenn der Druck im Gaskühler 5 den Eingangsdruck des Verdichters überschreitet und schließt bei Unterschreitung des Eingangsdrucks des Verdichters. Durch Steuern der Förderleistung des Verdichters 9 lässt sich auf diese Weise der Arbeitspunkt der Anlage einstellen und an die zur Verfügung stehende, zugeführte Wärmeenergie anpassen.The compressor 9 is like at 41 indicated, associated with a one-way valve, in the first compressed gas connection 17 from the compressor 9 to the work machine 11 is permeable, in the opposite direction, however, blocks. A corresponding one-way valve 43 is in the second compressed gas connection 23 intended. With the one-way valves 41 . 43 these are essentially preloadless valves. That on the output side of the compressor 9 arranged one-way valve 41 opens when the outlet pressure of the compressor 9 in the gas heater 19 prevailing pressure exceeds and closes when the outlet pressure of the compressor 9 falls below this pressure. That on the input side of the compressor 9 arranged one-way valve 43 opens, however, when the pressure in the gas cooler 5 exceeds the inlet pressure of the compressor and closes when the inlet pressure of the compressor falls below. By controlling the capacity of the compressor 9 In this way, the operating point of the system can be adjusted and adapted to the available heat energy supplied.

Es versteht sich, dass ein dem Drucksensor 33 entsprechender Sensor 33' zusätzlich oder alternativ auch den Druck in der zweiten Druckgasverbindung 23 für die Drucksteuerung des Verdichters 9 vorgesehen sein kann.It is understood that a the pressure sensor 33 corresponding sensor 33 ' additionally or alternatively also the pressure in the second compressed gas connection 23 for pressure control of the compressor 9 can be provided.

Die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine 3 beträgt beispielsweise 700° bis 800°C. Bei geeigneter Bemessung des Gaserhitzers 19 hat das Arbeitsgas dementsprechend am Gaseinlass der Arbeitsmaschine 11 eine Temperatur von etwa 600°C, die vom Gaskühler 25 auf eine Temperatur von etwa 70°C am Eingang des Verdichters 9 herunter gekühlt wird. Die Kompression des Arbeitsgases im Verdichter 9 erhöht die Temperatur geringfügig auf zum Beispiel 80°C. Der Verdichter 9 liefert in dem Gaserhitzer 19 und der ersten Druckgasverbindung 17 einen Prozessdruck pmax von zum Beispiel 36 Bar, der in der Arbeitsmaschine 11 auf einen Prozessdruck von etwa 6 Bar im Gaskühler 25 und der Druckgasverbindung 23 expandiert wird.The exhaust gas temperature of the internal combustion engine 3 is for example 700 ° to 800 ° C. With suitable dimensioning of the gas heater 19 has the working gas accordingly at the gas inlet of the working machine 11 a temperature of about 600 ° C, that of the gas cooler 25 to a temperature of about 70 ° C at the inlet of the compressor 9 cooled down. The compression of the working gas in the compressor 9 raises the temperature slightly to, for example, 80 ° C. The compressor 9 delivers in the gas heater 19 and the first pressurized gas connection 17 a process pressure p max of, for example, 36 bar, in the working machine 11 to a process pressure of about 6 bar in the gas cooler 25 and the compressed gas connection 23 is expanded.

Im realen Betrieb lassen sich die theoretisch erreichbaren Wirkungsgrade nicht erzielen. Es versteht sich jedoch, dass durch geeignete Wahl der Betriebsparameter des Verdichters 9 und der Arbeitsmaschine 11, bei einer Kolben-Arbeitsmaschine durch geeignete Wahl der Steuerzeiten eine wesentliche Verbesserung des tatsächlichen Wirkungsgrads und eine Annäherung an den theoretisch möglichen Wirkungsgrad erreicht werden kann.In real operation, the theoretically achievable efficiencies can not be achieved. It is understood, however, that by suitable choice of the operating parameters of the compressor 9 and the working machine 11 , in a piston-working machine by a suitable choice of the timing a significant improvement of the actual efficiency and an approximation to the theoretically possible efficiency can be achieved.

Bei dem Generator 15 handelt es sich um einen Wechselstromgenerator, der Wechselstrom mit einer vorbestimmten, konstanten Frequenz unabhängig von der am Gaserhitzer 19 angebotenen Wärmeenergie liefert. Die Steuerung 37 steuert aber auch die Drehzahlregelung während des Anfahrens der Wärmekraftanlage. Während dieser Anfangsphase kann die Arbeitsmaschine 11 noch Drehzahlschwankungen unterworfen sein, sodass es sich verbietet, den Generator 15 auf das Netz des Generators 5 zu schalten.At the generator 15 it is an AC generator, the AC with a predetermined, constant frequency regardless of the gas heater 19 supplied heat energy supplies. The control 37 but also controls the speed control during startup of the thermal power plant. During this initial phase, the working machine can 11 still subject to speed fluctuations, so it prohibits the generator 15 on the grid of the generator 5 to switch.

Alternativ zum Ausführungsbeispiel der 1 kann es sich bei der an die Arbeitsmaschine 11 gekuppelten Last auch um eine andere Nutzmaschine handeln, die aufgrund ihrer Funktionsweise nicht bei konstanter Drehzahl betrieben werden muss, wie zum Beispiel einer Pumpe oder einem Gleichstromgenerator. In solchen Anwendungsfällen hält die Steuerung 29 den Massedurchsatz durch die Arbeitsmaschine 11 auf einem durch die Steuerung 37 bestimmten Wert, indem sie die von der Nutzmaschine auf die Arbeitsmaschine 11 ausgeübte Last beeinflusst. Wird die Last erhöht, verringert sich die Drehzahl der Arbeitsmaschine 11 und damit der Gasmassendurchsatz durch die Arbeitsmaschine 11. Wird die Last erniedrigt, so steigt die Drehzahl der Arbeitsmaschine 11 und damit der Gasmassendurchsatz.Alternative to the embodiment of 1 It may be at the on the work machine 11 coupled load also act on another machine, which does not operate due to their operation at constant speed, such as a pump or a DC generator. In such applications, the controller keeps 29 the mass throughput through the working machine 11 on one by the controller 37 specific value by putting the from the utility machine to the working machine 11 applied load influenced. If the load is increased, the speed of the working machine is reduced 11 and thus the gas mass flow rate through the work machine 11 , If the load is lowered, the speed of the machine increases 11 and thus the gas mass flow rate.

Der Verdichter 9 ist in dem Joule-Kreisprozess nur vergleichsweise niedrigen Betriebstemperaturen ausgesetzt. Bei dem Verdichter 9 kann es sich um einen Kolbenkompressor, einen Drehkolbenverdichter, einen Schraubenspindelverdichter oder ein Rootsgebläse oder Ähnlichem handeln. Kritischer ist hingegen die Konstruktion der Arbeitsmaschine 11, da diese bei der maximalen Prozesstemperatur, hier zum Beispiel bei 600°C betrieben werden soll. Bei diesen Temperaturen kann es zu Schmierproblemen bei relativ zueinander sich bewegenden Teilen führen. Bei der Arbeitsmaschine 11 kann es sich beispielsweise auch um ein Rootsgebläse oder einen Schraubenmotor oder aber um eine Druckluftturbine handeln, wobei sich aber insbesondere Turbinenlösungen erst bei größerer Leistung unter Wirtschaftlichkeitsgesichtpunkten anbieten.The compressor 9 is exposed in the Joule cycle only comparatively low operating temperatures. At the compressor 9 it may be a reciprocating compressor, a rotary compressor, a screw compressor or a Roots blower or the like. On the other hand, the construction of the working machine is more critical 11 , since these at the maximum process temperature, here for example at 600 ° C to be operated. At these temperatures, lubrication problems with relatively moving parts may result. At the work machine 11 For example, it may also be a Roots blower or a screw motor or else a compressed-air turbine, but in particular turbine solutions are only offered with greater performance from the point of view of cost-effectiveness.

Im Ausführungsbeispiel der 1 wird der Verdichter 9 von dem Elektromotor 31 angetrieben. Der Antrieb des Verdichters 9 kann aber alternativ auch von der Arbeitsmaschine 11 her erfolgen, wenn diese über ein nicht näher dargestelltes Getriebe mit steuerbarem Übersetzungs- oder Untersetzungsverhältnis, beispielsweise in Form eines stufenlosen Getriebes mit dem Verdichter 9 gekuppelt ist. Die Steuerung 35 steuert dann das Übersetzungs- bzw. Untersetzungsverhältnis des Getriebes.In the embodiment of 1 becomes the compressor 9 from the electric motor 31 driven. The drive of the compressor 9 but can alternatively also from the work machine 11 take place, if they have a non-illustrated transmission with controllable transmission or reduction ratio, for example in the form of a continuously variable transmission with the compressor 9 is coupled. The control 35 then controls the transmission or reduction ratio of the transmission.

Die Brennkraftmaschine 3 und der Generator 5 können Komponenten eines stationären Blockkraftwerks sein. Es versteht sich jedoch, dass die Abwärme auch durch die Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Schiffsantriebs geliefert werden kann. Die Wärmekraftanlage kann hierbei mit einem elektrischen Generator gekuppelt sein, aber auch für den mechanischen Fahrzeugantrieb mit ausgenutzt werden. Es versteht sich ferner, dass die Wärmekraftanlage für die Rückgewinnung und Umwandlung der Wärmeenergie auch anderer Wärmequellen geeignet ist, beispielsweise für die Rückgewinnung von Abwärme eines Hochofens oder dergleichen. Es versteht sich aber, dass an Stelle von Abwärme auch primär z. B. mittels eines Gas- oder Ölbrenners erzeugte Wärme zum Betrieb der Wärmekraftanlage eingesetzt werden kann.The internal combustion engine 3 and the generator 5 can be components of a stationary block power plant. It is understood, however, that the waste heat can also be supplied by the internal combustion engine of a vehicle, such as a marine propulsion. The thermal power plant can be coupled with an electric generator, but also be exploited for the mechanical vehicle drive with. It is further understood that the thermal power plant for recovering and converting the heat energy of other heat sources is suitable, for example, for the recovery of waste heat from a blast furnace or the like. It is understood, however, that in place of waste heat and primary z. B. generated by a gas or oil burner heat can be used to operate the thermal power plant.

3 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Arbeitsmaschine 11 in Form eines Zylinderläufermotors, der aufgrund seiner Konstruktion nahezu schmiermittelfrei arbeiten kann, insbesondere was die Kolbenschmierung der in Zylindern verschiebbaren Kolben am anbelangt. Zylinderläufermaschinen und deren Konstruktionsprinzipien sind bekannt, beispielsweise aus WO 90/15918 A , DE 42 28 639 A1 , DE 196 11 824 C1 und DE 10 2005 033 448 A1 . Zur Verdeutlichung der Konstruktionsprinzipien derartiger Zylinderläufermotoren wird auf diese Schriften ausdrücklich Bezug genommen. 3 shows a preferred embodiment of the working machine 11 in the form of a cylindrical rotor motor, which can work virtually lubricant-free due to its construction, in particular as regards the piston lubrication of the displaceable in cylinders piston on. Cylinder machines and their design principles are known, for example WO 90/15918 A . DE 42 28 639 A1 . DE 196 11 824 C1 and DE 10 2005 033 448 A1 , To clarify the design principles of such cylinder rotor motors, reference is expressly made to these documents.

Der in 3 dargestellte Druckgas-Zylinderläufermotor umfasst ein als Maschinenbasis dienendes Gehäuse 51 mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Innenraum 53, in welchem ein ebenfalls im Wesentlichen zylindrischer Zylinderläufer 55 um eine Drehachse 57 drehbar angeordnet ist. Der Zylinderläufer 55 hat eine zur Drehachse 57 konzentrische, zumindest angenähert zylindrische, hier jedoch gerippte Umfangswand 59, die von dem Innenraum 53 umschlossen ist, und ist um Wälzlager 61 an Lageransätzen 63, 65 des Gehäuses 51 gelagert.The in 3 illustrated pressurized gas cylinder rotor motor comprises a serving as a machine base housing 51 with a substantially cylindrical interior 53 in which a likewise substantially cylindrical cylindrical rotor 55 around a rotation axis 57 is rotatably arranged. The cylinder rotor 55 has one to the axis of rotation 57 concentric, at least approximately cylindrical, but here ribbed peripheral wall 59 that from the interior 53 is enclosed, and is around rolling bearings 61 on stock approaches 63 . 65 of the housing 51 stored.

Der Zylinderläufer 55 umfasst vier Zylinder 67, in welchen je ein Kolben 69 senkrecht zur Drehachse 57 verschiebbar angeordnet ist. Die Zylinder 67 bzw. Kolben 69 sind paarweise auf einander gegenüberliegenden Seiten der Drehachse 57 zueinander fluchtend, d. h. gleichachsig, angeordnet. Die Achsen der Zylinderpaare sind hierbei um 90° um die Drehachse 57 herum gegeneinander winkelversetzt und liegen in der selben achsnormalen Ebene des Zylinderläufers 55, können aber in Richtung der Drehachse 57 gegeneinander versetzt sein. Die einander paarweise zugeordneten Kolben 69 sind durch Kolbenstangen 71 starr miteinander verbunden.The cylinder rotor 55 includes four cylinders 67 , in each of which a piston 69 perpendicular to the axis of rotation 57 slidably arranged. The cylinders 67 or piston 69 are in pairs on opposite sides of the axis of rotation 57 aligned, ie coaxially arranged. The axes of the cylinder pairs are in this case by 90 ° about the axis of rotation 57 around each other angularly offset and lie in the same axis normal plane of the cylinder rotor 55 but may be in the direction of the axis of rotation 57 be offset against each other. The pistons associated with each other in pairs 69 are by piston rods 71 rigidly connected.

In dem Gehäuse 51 ist in Wälzlagern 73 eine zugleich die Ausgangswelle des Motors bildende Kurbelwelle 75 um eine zur Drehachse 57 um eine Exzentrizität e achsparallel versetzte Drehachse 77 drehbar gelagert. Die Kurbelwelle 57 trägt feststehend zwei axial nebeneinander angeordnete Exzenter-Kreisscheiben 79, die in Lageröffnungen 81 der Kolbenstangen 71 sitzen und die Kolbenstangen 71 über Nadellager 83 führen. Die Exzenter-Kreisscheiben 79 definieren Exzenterlager mit zur Drehachse 77 der Kurbelwelle 75 achsparalleler, jedoch um den Wert der Exzentrizität e gegen die Drehachse 77 versetzten Exzenter-Drehachsen 85. Die Exzenter-Drehachsen 85 der beiden Exzenter-Kreisscheiben 79 sind ebenfalls um 90° gegeneinander um die Drehachse 77 herum winkelversetzt. Die Exzenter-Kreisscheiben 79 haben einen Radius, der größer ist als die Exzentrizität e und sind ausschließlich in ihrem radialen Überlappungsbereich miteinander verbunden. Über die Umfangsflächen der einzelnen Exzenter-Kreisscheiben 79 stehen damit ausschließlich Kreisbereiche der übrigen Exzenter-Kreisscheiben vor. In der dargestellten bevorzugten Ausgestaltung sind die Laufflächen der Nadellager 33 jeweils unmittelbar durch die Umfangsflächen der Exzenter-Kreisscheiben 79 bzw. die Innenflächen der Lageröffnungen 81 gebildet. Weitere Einzelheiten und bevorzugte Ausgestaltungen der Kurbelwelle 75 und ihrer Exzenterlager sind in WO 90/15918 A beschrieben. In the case 51 is in rolling bearings 73 an at the same time the output shaft of the engine forming crankshaft 75 one to the axis of rotation 57 about an eccentricity e axially parallel offset axis of rotation 77 rotatably mounted. The crankshaft 57 carries fixed two axially juxtaposed eccentric discs 79 in storage openings 81 the piston rods 71 sit and the piston rods 71 via needle roller bearings 83 to lead. The eccentric disks 79 Define eccentric bearing with the axis of rotation 77 the crankshaft 75 paraxial, but by the value of the eccentricity e against the axis of rotation 77 offset eccentric rotary axes 85 , The eccentric rotary axes 85 the two eccentric discs 79 are also 90 ° to each other about the axis of rotation 77 angularly offset. The eccentric disks 79 have a radius greater than the eccentricity e and are interconnected only in their radial overlap area. About the peripheral surfaces of the individual eccentric circular disks 79 Thus, only circular areas of the remaining eccentric disks are available. In the illustrated preferred embodiment, the running surfaces of the needle roller bearings 33 each directly through the peripheral surfaces of the eccentric discs 79 or the inner surfaces of the bearing openings 81 educated. Further details and preferred embodiments of the crankshaft 75 and their eccentric camps are in WO 90/15918 A described.

Die Kolben 69 begrenzen zusammen mit den sie umgebenden Zylindern 67 und der Umfangswand 59 des Zylinderläufers 55 jeweils Druckräume 87, in die über eine nachstehend noch näher erläuterte Gaswechselsteuerung für den Betrieb des Motors unter Überdruck stehendes Druckgas beginnend mit der oberen Totpunktstellung zugeführt wird. Im Verlauf der Drehung des Zylinderläufers 55 expandieren die Druckräume 87, die in der oberen Totpunktstellung der Kolben 69 ihr minimales Volumen, haben, bis auf ihr maximales Volumen in der unteren Totpunktstellung, wobei die Druckenergie des Druckgases in Abtriebsenergie der Kurbelwelle 75 umgesetzt wird. Während der nachfolgenden Kontraktionsphase der Druckräume 87 wird das zumindest teilweise entspannte Gas, hier Luft, aus den Druckräumen 87 ausgeschoben.The pistons 69 limit together with the surrounding cylinders 67 and the peripheral wall 59 of the cylinder rotor 55 each pressure chambers 87 , in which a gas exchange control, which will be explained in more detail below, for the operation of the engine is supplied under pressurized gas beginning with the top dead center position. In the course of the rotation of the cylinder rotor 55 expand the pressure chambers 87 in the top dead center position of the pistons 69 their minimum volume, have, except for their maximum volume in the bottom dead center position, wherein the pressure energy of the compressed gas in the output energy of the crankshaft 75 is implemented. During the subsequent contraction phase of the pressure chambers 87 is the at least partially relaxed gas, here air, from the pressure chambers 87 ejected.

Die Gaswechselsteuerung umfasst ein der Kurbelwelle 75 benachbartes Drehschieberventil 89, welches sowohl den Gaseinlass als auch den Gasauslass steuert und axial seitlich des Zylinderläufers 55 angeordnet ist. Das Drehschieberventil 89 hat koaxial ineinander angeordnete Schieberelemente 91, 93, wobei als inneres stationäres Schieberelement 93 der Umfangsbereich des den Zylinderläufer 55 lagernden, gehäusefesten Lageransatzes 65 ausgenutzt wird. Die nicht näher dargestellten Einlasssteueröffnungen sind mit einem Druckgaseinlass 99 des Gehäuses 51 verbunden, während die gleichfalls nicht dargestellten Auslasssteueröffnungen mit einem gehäusefesten Auslass 103 für das entspannte Gas verbunden sind. Die Einlasssteueröffnungen sind ebenso wie die Auslasssteueröffnungen in die Umfangsfläche des Lageransatzes 65 als in Umfangsrichtung aufeinander folgende Umfangsnuten eingearbeitet, die mit Steueröffnungen 105 des kreiszylindrischen, rotierenden äußeren Schieberelements 91 im Verlauf der Rotation des Zylinderläufers 55 kommunizieren. Hierbei ist jedem Druckraum 87 eine der Steueröffnungen 105 zugeordnet und über einen sowohl für den Gaseinlass als auch den Gasauslass gemeinsam genutzten Gaswechselkanal 107 mit dem Druckraum 87 des Zylinders verbunden. Der Gaswechselkanal 107 reicht hierbei vom Bereich der Kurbelwelle 75 bis in den Bereich der Umfangswand 59 des Zylinderläufers. Bei dem Drehschieberventil 89 verläuft der Druckgasweg radial zu der im Wesentlichen kreiszylindrischen Dichtfuge zwischen den Schieberelementen 91 und 93, was die Abdichtung erleichtert, da der zur Abdichtung mit ausgenutzte Schmierölfilm der Dichtungsfuge nicht aufgrund der Rotationsbewegung abgeschleudert wird.The gas exchange control includes one of the crankshaft 75 adjacent rotary valve 89 which controls both the gas inlet and the gas outlet and axially laterally of the cylinder rotor 55 is arranged. The rotary valve 89 has coaxial with each other arranged slide elements 91 . 93 , wherein as the inner stationary slide element 93 the peripheral region of the cylinder rotor 55 bearing, housing-fixed bearing approach 65 is exploited. The inlet control openings, not shown, are provided with a compressed gas inlet 99 of the housing 51 connected, while also not shown outlet control openings with a housing-fixed outlet 103 are connected for the expanded gas. The inlet control openings are as well as the outlet control openings in the peripheral surface of the bearing lug 65 incorporated as circumferentially successive circumferential grooves, with control openings 105 the circular cylindrical, rotating outer slide element 91 in the course of the rotation of the cylinder rotor 55 communicate. This is every pressure chamber 87 one of the control openings 105 assigned and via a gas exchange channel shared for both the gas inlet and the gas outlet 107 with the pressure room 87 connected to the cylinder. The gas exchange channel 107 ranges from the range of the crankshaft 75 into the area of the peripheral wall 59 of the cylinder rotor. At the rotary valve 89 the compressed gas path runs radially to the substantially circular cylindrical sealing joint between the slide elements 91 and 93 , which facilitates the sealing, since the used for sealing with exploited lubricating oil film of the sealing joint is not thrown off due to the rotational movement.

Auf der dem Drehschieberventil 89 axial abgewandten Seite ist die Kurbelwelle 75 über ein Stirnradgetriebe 113 drehfest mit dem Zylinderläufer 55 gekuppelt. Des Stirnradgetriebe 113 ist so justiert, dass die über ihre Kolbenstangen 71 an den Exzenter-Kreisscheiben 79 der Kurbelwelle 75 geführten Kolben 69 im Wesentlichen keine Schubkräfte auf die Zylinder 67 des Zylinderläufers 55 ausüben, was ansonsten bei fehlendem Stirnradgetriebe 113 der Fall wäre und den Verschleiß erhöhen würde.On the rotary valve 89 axially facing away from the side is the crankshaft 75 via a spur gear 113 rotatably with the cylinder rotor 55 coupled. The spur gear 113 is adjusted so that the over their piston rods 71 on the eccentric discs 79 the crankshaft 75 guided piston 69 essentially no pushing forces on the cylinders 67 of the cylinder rotor 55 exercise, what else with missing spur gear 113 the case would be and would increase the wear.

Das Stirnradgetriebe 113 umfasst hierzu ein auf der Kurbelwelle 75 drehfest sitzendes erstes Stirnrad 115 sowie ein an einem Lageransatz 117 des Zylinderläufers 55 gleichachsig zu dessen Drehachse 57 drehfest sitzendes zweites Stirnrad 119. Das erste Stirnrad 115 kämmt mit einem achsparallel zur Drehachse 77 der Kurbelwelle 75 an dem Gehäuse 51 drehbar gelagerten dritten Stirnrad 121, das seinerseits drehfest mit einem gleichachsigen vierten Stirnrad 123 verbunden ist. Das vierte Stirnrad 123 kämmt mit dem zweiten Stirnrad 119. Aufgrund der Kinematik des Zylinderläufermotors rotiert die Kurbelwelle 75 mit doppelter Drehzahl bezogen auf die Drehzahl des Zylinderläufers 55. Dementsprechend ist das Verhältnis der Teilkreisdurchmesser der Stirnräder 119, 123 gleich 2:1 gewählt, während die Stirnräder 115 und 121 der Einfachheit halber den gleichen Teilkreisdurchmesser haben. Da das Stirnradgetriebe 113 ausschließlich aus Stirnzahnrädern aufgebaut ist, lässt es sich mit vergleichsweise geringem Aufwand realisieren. Das Übersetzungsverhältnis des Stirnradgetriebes 113 kann aber auch anders auf die Stirnradpaare verteilt sein.The spur gear 113 includes one on the crankshaft 75 rotatably seated first spur gear 115 as well as one on a bearing approach 117 of the cylinder rotor 55 equiaxed to its axis of rotation 57 rotatably seated second spur gear 119 , The first spur gear 115 meshes with an axis parallel to the axis of rotation 77 the crankshaft 75 on the housing 51 rotatably mounted third spur gear 121 , which in turn rotatably with an equiaxed fourth spur gear 123 connected is. The fourth spur gear 123 meshes with the second spur gear 119 , Due to the kinematics of the cylinder rotor motor rotates the crankshaft 75 with double speed based on the speed of the cylinder rotor 55 , Accordingly, the ratio of the pitch circle diameter of the spur gears 119 . 123 equal to 2: 1 chosen while the spur gears 115 and 121 for simplicity, have the same pitch circle diameter. Because the spur gear 113 is constructed exclusively of spur gears, it can be realized with relatively little effort. The transmission ratio of the spur gear 113 but can also be distributed differently on the Stirnradpaare.

Es versteht sich, dass der in 3 dargestellte Zylinderläufermotor in inverser Betriebsweise auch für den Verdichter 9 eingesetzt werden kann. Es versteht sich ferner, dass der Zylinderläufermotor auch mehr oder weniger als 2 Zylinderpaare haben kann. It is understood that the in 3 Cylinder rotor motor shown in inverse operation also for the compressor 9 can be used. It is further understood that the cylinder rotor motor may also have more or fewer than two cylinder pairs.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 2539878 A [0004] DE 2539878A [0004]
  • DE 4301036 A [0005] DE 4301036 A [0005]
  • WO 90/15918 A [0018, 0039, 0042] WO 90/15918 A [0018, 0039, 0042]
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  • DE 4228639 A1 [0039] DE 4228639 A1 [0039]

Claims (15)

Wärmekraftanlage, umfassend – einen ein Arbeitsgas, insbesondere Luft verdichtenden Verdichter (9), – eine von verdichtetem Arbeitsgas angetriebene Druckgas-Arbeitsmaschine (11), – einen Gaserhitzer (19) in einer das Arbeitsgas vom Verdichter (9) zur Arbeitsmaschine (11) führenden, ersten Druckgasverbindung (17), und – einen Gaskühler (25) in einer des Arbeitsgas von der Arbeitsmaschine (11) zum Verdichter (9) zurückführenden, zweiten Druckgasverbindung (23), wobei der Verdichter (9), der Gaserhitzer (19), die Arbeitsmaschine (11) und der Gaskühler (25) entsprechend einem geschlossenen Kreisprozess zusammenwirken, der dem Gaserhitzer (19) zugeführte Wärmeenergie in an der Arbeitsmaschine (11) verfügbare mechanische Energie umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter (9) eine den Druck des Arbeitsgases in dem Gaserhitzer (19) oder/und dem Gaskühlers (25) im Wesentlichen auf einem vorgebbaren Wert haltende Drucksteueranordnung (35) zugeordnet ist.Thermal power plant, comprising - a working gas, in particular air-compressing compressor ( 9 ), - a compressed gas working machine driven by compressed working gas ( 11 ), - a gas heater ( 19 ) in one of the working gas from the compressor ( 9 ) to the working machine ( 11 ), first compressed gas connection ( 17 ), and - a gas cooler ( 25 ) in one of the working gas from the working machine ( 11 ) to the compressor ( 9 ), the second pressurized gas connection ( 23 ), the compressor ( 9 ), the gas heater ( 19 ), the working machine ( 11 ) and the gas cooler ( 25 ) cooperate according to a closed cycle process, the gas heater ( 19 ) supplied heat energy in at the working machine ( 11 ) converts available mechanical energy, characterized in that the compressor ( 9 ) one the pressure of the working gas in the gas heater ( 19 ) and / or the gas cooler ( 25 ) substantially at a predeterminable value pressure control arrangement ( 35 ) assigned. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (9) von einem mittels der Drucksteueranordnung (35) steuerbarem Motor (31), insbesondere einem Elektromotor angetrieben ist.Thermal power plant according to claim 1, characterized in that the compressor ( 9 ) from one by means of the pressure control arrangement ( 35 ) controllable motor ( 31 ), in particular an electric motor is driven. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (11) über ein Getriebe mit steuerbarem Übersetzungs- bzw. Untersetzungsverhältnis in Antriebsverbindung mit dem Verdichter (9) steht und die Drucksteueranordnung (35) das Getriebe steuert.Thermal power plant according to claim 1, characterized in that the working machine ( 11 ) via a gear with a controllable transmission or reduction ratio in drive connection with the compressor ( 9 ) and the pressure control arrangement ( 35 ) controls the transmission. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksteueranordnung (35) ein in der ersten Druckgasverbindung (17) angeordnetes, in Strömungsrichtung des Arbeitsgases vom Verdichter (9) zur Arbeitsmaschine (11) öffnendes und in Gegenrichtung schließendes Einwegventil (41) und/oder ein in der zweiten Druckgasverbindung (23) angeordnetes, in Strömungsrichtung des Arbeitsgases von der Arbeitsmaschine (11) zum Verdichter (9) öffnendes und in Gegenrichtung schließendes Einwegventil (43) umfasst.Thermal power plant according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pressure control arrangement ( 35 ) in the first compressed gas connection ( 17 ), in the flow direction of the working gas from the compressor ( 9 ) to the working machine ( 11 ) opening and closing in the opposite direction one-way valve ( 41 ) and / or in the second compressed gas connection ( 23 ), in the flow direction of the working gas from the working machine ( 11 ) to the compressor ( 9 ) opening and closing in the opposite direction one-way valve ( 43 ). Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmaschine (11) eine den Massendurchsatz an Arbeitsgas durch die Arbeitsmaschine (11) auf einen im Wesentlichen konstanten, vorgebbaren Wert haltende Durchsatzsteueranordnung (29) zugeordnet ist.Thermal power plant according to one of claims 1 to 4, characterized in that the working machine ( 11 ) one the mass flow rate of working gas through the working machine ( 11 ) to a substantially constant, specifiable value throughput control arrangement ( 29 ) assigned. Wärmekraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchsatzsteueranordnung (29) die Drehzahl einer Abtriebswelle (13) der Arbeitsmaschine (11) auf einem vorgebbaren Wert hält.Thermal power plant according to claim 5, characterized in that the flow rate control arrangement ( 29 ) the speed of an output shaft ( 13 ) of the working machine ( 11 ) holds at a predefinable value. Wärmekraftanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nutzmaschine (15), insbesondere ein elektrischer Generator mit der Arbeitsmaschine (11) gekuppelt ist und die Durchsatzsteueranordnung (29) die von der Nutzmaschine (15) auf die Arbeitsmaschine (11) ausgeübte Last steuert.Thermal power plant according to claim 5 or 6, characterized in that a utility machine ( 15 ), in particular an electric generator with the working machine ( 11 ) and the throughput control arrangement ( 29 ) from the utility machine ( 15 ) on the working machine ( 11 ) applied load controls. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaserhitzer (19) in Wärmetauschverbindung mit einer Wärmemittelströmung steht und dass eine auf den Druck und/oder die Temperatur und/oder die Strömungsgeschwindigkeit der Wärmemittelströmung ansprechende Steuerung (37) hiervon abhängig den Wert des Drucks des Arbeitsgases vorgibt, auf welchen die Drucksteueranordnung (35) den Druck des Arbeitsgases in dem Gaserhitzer (19) von dem Gaskühler (25) im Wesentlichen konstant hält.Thermal power plant according to one of claims 1 to 7, characterized in that the gas heater ( 19 ) is in heat exchange connection with a flow of heat medium and that a responsive to the pressure and / or the temperature and / or the flow rate of the flow of heat flow control ( 37 ) depends thereon on the value of the pressure of the working gas, to which the pressure control arrangement ( 35 ) the pressure of the working gas in the gas heater ( 19 ) from the gas cooler ( 25 ) keeps substantially constant. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaserhitzer (19) in Wärmetauschverbindung mit einer Abwärme einer weiteren Arbeitsmaschine (3), insbesondere einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise einer einen elektrischen Generator (5) antreibenden Brennkraftmaschine, oder mit Abwärme einer Nutzanlage, insbesondere eines Hochofens oder dergleichen, oder mit einem Wärmeerzeuger, insbesondere einem Gas- oder Ölbrenner steht.Thermal power plant according to one of claims 1 to 8, characterized in that the gas heater ( 19 ) in heat exchange connection with a waste heat of another working machine ( 3 ), in particular an internal combustion engine, preferably an electric generator ( 5 ) driving internal combustion engine, or waste heat of a utility, in particular a blast furnace or the like, or with a heat generator, in particular a gas or oil burner. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaserhitzer (19) in Wärmetauschverbindung mit einer Wärmemittelströmung mit einer Temperatur zwischen 400°C und 800°C steht.Thermal power plant according to one of claims 1 to 9, characterized in that the gas heater ( 19 ) is in heat exchange communication with a heat medium flow at a temperature between 400 ° C and 800 ° C. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskühler (25) das Arbeitsgas auf weniger als 100°C, insbesondere weniger als 80°C, vorzugsweise weniger als 50°C abkühlt.Thermal power plant according to one of claims 1 to 10, characterized in that the gas cooler ( 25 ) cools the working gas to less than 100 ° C, in particular less than 80 ° C, preferably less than 50 ° C. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Arbeitsgases im Gaserhitzer (19) zwischen 18 und 45 Bar insbesondere zwischen 25 und 40 Bar, vorzugsweise zwischen 30 bis 35 Bar gehalten ist.Thermal power plant according to one of claims 1 to 11, characterized in that the pressure of the working gas in the gas heater ( 19 ) is maintained between 18 and 45 bar, in particular between 25 and 40 bar, preferably between 30 to 35 bar. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Arbeitsgases im Gaskühler (25) zwischen 4 und 8 Bar gehalten ist.Thermal power plant according to one of claims 1 to 12, characterized in that the pressure of the working gas in the gas cooler ( 25 ) is held between 4 and 8 bar. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (11) und/oder der Verdichter (9) als Zylinderläufermaschine ausgebildet ist, welche aufweist: – ein Gehäuse (51), – eine Kurbelwelle (75) in dem Gehäuse (51), – einen in dem Gehäuse (51) um eine erste Drehachse (57) drehbar gelagerten Zylinderläufer (55) mit radial zur ersten Drehachse (57) verlaufenden, durch Zylinderdeckel (59) verschlossenen Zylindern (67), – einen radial zur ersten Drehachse (57) verschiebbaren Kolben. (69) in jedem Zylinder (67), der zusammen mit seinem Zylinderdeckel (59) und dem Kolben (69) einen Arbeitsraum (87) begrenzt, wobei die Kolben (69) über Kolbenstangen (71), insbesondere paarweise über starre Kolbenstangen mit Exzenterlagern (79) der Kurbelwelle (75) verbunden sind, und die Kurbelwelle (75) um eine zur erste Drehachse (57) mit einer vorbestimmten Exzentrizität (e) achsparallel versetzte, zweite Drehachse (77) drehbar gelagert ist, insbesondere wenn die Kurbelwelle (75) und der Zylinderläufer (55) über ein die Kolben (69) von Zylinderschubkräften in Drehrichtung des Zylinderläufers (55) im Wesentlichen entlastendes Getriebe (113) drehfest miteinander verbunden sind.Thermal power plant according to one of claims 1 to 13, characterized in that the working machine ( 11 ) and / or the compressor ( 9 ) is designed as a cylindrical rotor machine, which comprises: - a housing ( 51 ), - a crankshaft ( 75 ) in the housing ( 51 ), - one in the housing ( 51 ) about a first axis of rotation ( 57 ) rotatably mounted cylindrical rotor ( 55 ) with radial to the first axis of rotation ( 57 ), by cylinder cover ( 59 ) sealed cylinders ( 67 ), - a radial to the first axis of rotation ( 57 ) displaceable piston. ( 69 ) in each cylinder ( 67 ), which together with its cylinder cover ( 59 ) and the piston ( 69 ) a work space ( 87 ), the pistons ( 69 ) via piston rods ( 71 ), in particular in pairs via rigid piston rods with eccentric bearings ( 79 ) of the crankshaft ( 75 ), and the crankshaft ( 75 ) about one to the first axis of rotation ( 57 ) with a predetermined eccentricity (e) axially parallel offset, second axis of rotation (e) 77 ) is rotatably mounted, in particular when the crankshaft ( 75 ) and the cylinder rotor ( 55 ) via a piston ( 69 ) of cylinder thrust in the direction of rotation of the cylinder rotor ( 55 ) substantially relieving gear ( 113 ) are rotatably connected to each other. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaserhitzer (19) in Wärmetauschverbindung mit einer Abgasströmung einer Brennkraftmaschine (3), insbesondere einer einen elektrischen Generator (15) und/oder ein Fahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine steht.Thermal power plant according to one of claims 1 to 14, characterized in that the gas heater ( 19 ) in heat exchange communication with an exhaust gas flow of an internal combustion engine ( 3 ), in particular an electric generator ( 15 ) and / or a vehicle driving internal combustion engine is.
DE102010003537A 2010-03-31 2010-03-31 Thermal power plant for converting heat energy of exhaust gas of diesel engine into mechanical energy, has compressor attached to pressure controller that holds pressure of gas in gas heater and/or gas cooler to preset value Withdrawn DE102010003537A1 (en)

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