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Die vorliegende Erfindung betrifft eine zyklisch arbeitende Wärme-Kraftmaschine mit wenigstens einem Grundkörper, einem Expansionsraum und einem Kompressionsraum, welche Räume im Grundkörper gebildet sind und mit einem im Grundkörper beweglich geführten Körper, welcher Körper die Räume jeweils dynamisch begrenzt.
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Stand der Technik
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Zyklisch arbeitende Wärme-Kraftmaschinen der vorbezeichneten Art sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Die weiteste Verbreitung finden Otto- und Dieselmotoren, bei denen der Grundkörper als Zylinder ausgeführt ist und in denen ein Kolben aufgenommen ist, der den beweglich geführten Körper bildet. Dieser Kolben begrenzt einen Expansionsraum und eine Expansion eines im Expansionsraum aufgenommenen Fluides bewirkt eine Bewegung im Kolben, welche über einen Kurbeltrieb und über eine Kurbelwelle abgreifbar ist.
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Ferner sind kontinuierlich arbeitende Wärme-Kraftmaschinen bekannt, die nach dem Prinzip des Joule Kreisprozesses arbeiten. In derartigen Wärme-Kraftmaschinen wird mittels einer Verdichtungseinheit das Arbeitsmedium wie ein Fluid, beispielsweise Luft, komprimiert und danach in einer Erwärmungskammer bei gleichbleibendem Druck erwärmt. Anschließend wird das Arbeitsfluid in einer Expansionseinheit entspannt und gibt Energie ab. Ein Teil der vom Fluid in der Expansionseinheit geleisteten Arbeit dient zum Antrieb der Verdichtungseinheit, mit einem Überschuss an Arbeit kann ein Generator oder eine andere Maschine angetrieben werden. Bei Maschinen mit offenem Prozess wird das Arbeitsfluid anschließend in die Umgebung abgegeben, bei Maschinen mit einem geschlossenen Prozess folgt auf die Expansionseinheit wieder ein Wärmetauscher. Bekannte Vorrichtungen basieren meist auf dem Prinzip der Turbomaschine und sind zum Beispiel als Gasturbine in Kraftwerken gebräuchlich. Umgebungsluft wird aus einem Verdichter komprimiert, anschließend in einer Brennkammer erwärmt und darauf folgend in einer Turbine wieder entspannt und an die Umwelt abgegeben. Die Turbine und der Verdichter sind dabei durch eine Welle miteinander verbunden, so dass ein Teil der Turbinenleistung direkt zum Antrieb des Verdichters verwendet werden kann. Dabei erfolgt die Zustandsänderung des Gases in Verdichter und in der Turbine im Idealfall adiabatisch. Der Joule-Kreisprozess weist gegenüber anderen in Wärme-Kraftmaschinen gebräuchlichen Prozessen einige Vorteile auf. Beispielsweise kommen nur gasförmige Arbeitsmedien wie beispielsweise Luft zum Einsatz, so dass der technische Aufwand für den Prozess vereinfacht werden kann. Ferner kann der Prozess offen ausgeführt werden, womit ein Wärmetauscher bzw. eine Kühlanlage entfallen kann.
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Derartige Wärme-Kraftmaschinen zur Umsetzung des Joule-Kreisprozesses weisen jedoch einige Nachteile auf, durch welche die Anwendbarkeit des Joule-Kreisprozesses für bestimmte Bereiche eingeschränkt ist. Kontinuierlich arbeitende Wärme-Kraftmaschinen in Form von Gas- oder Dampfturbinen weisen zwar eine hohe Leistungsdichte auf, die Leistung gebräuchlicher Gasturbinen liegt beispielsweise im Bereich von Megawatt. Kleinere Gasturbinen sind jedoch mit hohen Wirkungsgraden eher schwer realisierbar. Insbesondere müssen Turbomaschinen aus einer Vielzahl von hochwertigen Bauteilen gebildet werden, wodurch kleiner bauende Maschinen sehr teuer sind. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten und damit verbundene aerodynamische Effekte lassen nur eine interne Erwärmung zu, für die hochwertige Gas- oder Flüssigbrennstoffe verwendet werden müssen. Eine externe Erwärmung des Arbeitsmediums, beispielsweise durch solarthermische Enwärmung oder durch Befeuerung mit biogenen Brennstoffen, ist nicht oder nur schwer realisierbar. Die Turbine und der Verdichter erzeugen relativ große Verluste. Der Wirkungsgrad wird dadurch reduziert und gute Wirkungsgrade werden nur bei sehr hohen Arbeitstemperaturen erreicht.
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Wird für die Realisierung des Joule-Kreisprozesses anstelle einer Turbomaschine eine Kolbenmaschine verwendet, so können diese kleiner und effizienter hergestellt werden. Es gibt eine Vielzahl von Kolbenmotoren, welche verschiedene Kreisprozesse realisieren. Diese bilden jedoch nicht den Joule-Kreisprozess ab, der durch eine isobare Wärmezu- und -abfuhr und durch eine adiabatische Kompression und Expansion gekennzeichnet ist. Zwar sind Maschinen bekannt, bei denen das Arbeitsmedium extern enwärmt wird, die also ohne einen internen Verbrennungsprozess auskommen, jedoch weisen diese Maschinen regelmäßig eine geringe Leistungsdichte auf. Derartige Maschinen mit externer Erwärmung werden dadurch relativ groß gebaut und sind häufig kostenintensiv und das Einsatzspektrum ist eingeschränkt. Ein Beispiel einer Maschine mit externer Wärmezufuhr bildet der sogenannte Stirling-Motor.
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Linearkolbenmotoren sind besonders für die direkte Wandlung von mechanischer Arbeit in elektrische Energie geeignet. Motoren mit ausschließlich linear bewegten Kolben weisen geringe Reibungsverluste auf, da die Wandlung einer Linearbewegung in eine rotatorische Bewegung entfällt. Die lineare Bewegung des Kolbens im Linearmotor kann direkt einen Generator antreiben, so dass eine mechanische Verbindung zu einem externen Generator entfällt. Folglich lassen sich Maschinen realisieren, die eine minimale Anzahl von bewegten Teilen aufweisen, wobei ein Stelzer-Motor mit Generator ein Beispiel eines derartigen Linearmotors bildet. Jedoch benötigt ein Motor mit Generator nach Stelzer-Bauform eine interne Verbrennung und ist für eine externe Erwärmung eine Arbeitsfluids nicht geeignet. Ferner wird nicht der vorteilhafte Joule-Kreisprozess abgebildet.
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Das Problem, einen Linearkolbenmotor nach Art eines Joule-Kreisprozesses abzubilden, liegt darin, dass für die Kompression des Gases eine Kraft auf den Kolben wirken muss, wobei mit fortschreitender Kompression der steigende Druck eine sich vergrößernde Kraft des Kolbens gegen das Gas erfordert. Die Expansion des warmen Gases hingegen erfolgt jedoch adiabatisch und damit nimmt die Kraft auf den Kolben kontinuierlich ab. Auf diesem Zusammenhang beruhend sind die Wirkungsgrade von bisher bekannten Linearkolbenmotoren stark begrenzt. Folglich ist es wünschenswert, analog zur Gasturbine auch beim Linearmotor die Möglichkeit zu nutzen, Energie aus dem Expansionsvorgang zwischenzuspeichern und diese während des Kompressionsvorgangs wieder bereitzustellen. Diese Möglichkeit ergibt sich insbesondere durch Freikolbenmotoren, da bei einer weggebundenen Kolbenbewegung eine Anpassung der Druckverhältnisse im Expansionsvorgang und im Kompressionsvorgang nicht möglich ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zyklisch arbeitende Wärme-Kraftmaschine zu schaffen, welche die Nachteile des vorstehend beschriebenen Standes der Technik überwindet. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärme-Kraftmaschine zu schaffen, die nach Art eines Joule-Kreisprozesses betreibbar ist, einen einfachen Aufbau aufweist und insbesondere eine Freikolbenmaschine bildet.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Wärme-Kraftmaschine gemäß der in Anspruch 1 näher bezeichneten Art in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung offenbart eine zyklisch arbeitende Wärme-Kraftmaschine mit wenigstens einem Grundkörper, einem Expansionsraum und einem Kompressionsraum, welche Räume im Grundkörper gebildet sind, mit einem im Grundkörper beweglich geführten Körper, welcher Körper die Räume jeweils dynamisch begrenzt, ferner mit einer räumlich vom Grundkörper getrennt angeordneten Erwärmungsvorrichtung zur Bereitstellung von heißem Fluid hoher Temperatur, und mit einer Einlassleitung zum Einlass des heißen Fluides hoher Temperatur aus der Erwärmungsvorrichtung in den Expansionsraum, eine Auslassleitung zum Auslass des Fluides aus dem Expansionsraum, eine Einlassleitung zum Einlass eines Fluides in den Kompressionsraum, eine Auslassleitung zum Auslass des Fluides aus dem Kompressionsraum, welche Auslassleitung das Fluid aus dem Kompressionsraum der Erwärmungsvorrichtung zuführt, wobei der Körper durch Entspannung des Fluides hohen Druckes und hoher Temperatur im Expansionsraum in Richtung zum Kompressionsraum bewegbar ist und wobei Mittel vorgesehen sind, durch die in der Bewegung des Körpers gebundene Energie nutzbar ist.
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Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, einen Freikolbenmotor nach Art eines Joule-Kreisprozesses zu realisieren. Die Zustandsänderung des Fluids während eines Maschinenzyklus entspricht folglich im Wesentlichen einem Joule-Kreisprozess und die Bewegung des beweglich geführten Körpers ist durch einen Joule-Kreisprozess erzeugt. Folglich wird durch die zyklisch arbeitende Wärme-Kraftmaschine ein Prozess abgebildet, der dem Joule-Kreisprozess ähnelt, da der exakte Joule-Kreisprozess lediglich einen abstrakten Idealfall darstellt und technisch nicht umsetzbar ist.
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Im Wesentlichen weist die Wärme-Kraftmaschine drei Bereiche auf: Einen Kompressionsbereich, gebildet durch den Kompressionsraum, einen Erwärmungsbereich, gebildet durch die Erwärmungsvorrichtung und einen Expansionsbereich, gebildet durch den Expansionsraum. In der Wärme-Kraftmaschine wird relativ kaltes, vorzugsweise gasförmiges Fluid komprimiert, welches anschließend in den Erwärmungsbereich überführt und in diesem erwärmt wird. Mit besonderem Vorteil kann die Erwärmung dabei sowohl durch interne Verbrennungsprozesse als auch durch die externe Zufuhr von Wärme erfolgen. Die Erwärmungsvorrichtung ist räumlich vom Grundkörper getrennt angeordnet und dient zur Bereitstellung von heißem Fluid hoher Temperatur. Das vom Kompressionsraum der Erwärmungsvorrichtung zugeführte Fluid kann durch Zufuhr von Wärme erwärmt werden, wobei zusätzlich oder alternativ der Fluidkreis als offener Kreis ausgeführt sein kann und erwärmtes Fluid kann in der Erwärmungsvorrichtung zugeführt werden, wodurch auf gleiche Weise heißes Fluid hoher Temperatur bereitgestellt wird, um über die Einlassleitung in den Expansionsraum zu gelangen. Ferner kann dem Fluid Brennstoff zugeführt werden, der mit dem komprimierten Fluid aus der Kommpressionskammer exotherm verbrennt.
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Nach Erwärmung des Fluids in der Erwärmungsvorrichtung wird dieses im Expansionsraum adiabatisch entspannt. Ein Teil der dabei geleisteten Arbeit wird über den beweglich geführten Körper zur Kompression der nächsten Mengeneinheit des kalten Arbeitsfluids verwendet, die überschüssige Arbeit wird über die vorgesehenen Mittel aus der Bewegung des beweglichen Körpers genutzt. Nach adiabatischer Entspannung des Arbeitsfluids im Expansionsraum wird dieses aus dem Expansionsraum über eine Auslassleitung wieder herausgeführt und kann beispielsweise an die Umgebung abgegeben werden.
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Der Expansionsraum bildet den Bereich, in dem das erwärmte Arbeitsfluid entspannt wird und ist mittels des beweglich geführten Körpers von dem Bereich gasdicht getrennt, in dem das kalte Arbeitsfluid komprimiert wird, welcher Bereich durch den Kompressionsraum gebildet wird. Der beweglich geführte Körper trennt folglich beide Bereiche beweglich voneinander, so dass das Volumen des Expansionsraumes vergrößert wird, während das Volumen des Kompressionsraumes verkleinert wird. Durch die bewegliche Anordnung des beweglich geführten Körpers kann die Wärme-Kraftmaschine eine repetive, d. h. zyklische Bewegung ausführen. Die Bewegung erfolgt im Idealfall gradlinig, diese kann jedoch auch auf einer Kreisbahn oder einer sonstigen gekrümmten Bahn erfolgen und beispielsweise als Drehschwinger ausgeführt sein.
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In der Erwärmungsvorrichtung vergrößert sich aufgrund der Wärmezufuhr die Enthalpie des Arbeitsfluids, welches aufgrund der erforderlichen Kompressibilität vorzugsweise durch ein thermisches Fluid, d. h. ein Gas, gebildet ist. Die Arbeit, welche das Gas durch die Entspannung im Expansionsraum verrichtet, ist größer als die Arbeit, welche zur Verdichtung der gleichen Mengeneinheit Gas im Kompressionsraum benötigt wird. Die überschüssige Arbeit kann folglich durch die Mittel genutzt werden, die die in der Bewegung des beweglichen Körpers gebundene Energie in andere nutzbare Energie umwandelt. Alternativ besteht die Möglichkeit, im Kompressionsraum der Wärme-Kraftmaschine eine größere Menge thermischen Fluids zu verdichten, als auf der Seite des Expansionsraums entspannt wird. Die auf der Seite des Expansionsraums geleistete Arbeit ist dabei nur so groß, wie sie wenigstens für die Verdichtung des Gases im Kompressionsraum und der Überwindung der Verluste notwendig ist. Das überschüssige Gasvolumen, das vom Kompressionsraum in die Erwärmungsvorrichtung überführt wird, kann in einem separaten Teil der Vorrichtung entspannt werden. Die dabei geleistete Arbeit wird in eine andere, technisch nutzbare Energieform gewandelt. Der Vorteil dieser Variante ist es, dass für die Wandlung auch rotatorisch arbeitenden Maschinen zur Anwendung kommen können, wie beispielsweise Strömungsmaschinen.
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Eine erfindungsgemäß ausgeführte zyklisch arbeitende Wärme-Kraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung weist gegenüber bestehenden Wärme-Kraftmaschinen einige Vorteile auf. Insbesondere ist kein spezieller Brennstoff erforderlich, so dass die Erwärmungsvorrichtung auf zahlreichen Wärmequellen basieren kann, beispielsweise auf dem Einsatz von Biomasse, von Sonnenstrahlung oder dergleichen. Ferner kann ein Hybridantrieb zwischen einem fossilen Brennstoff und einer alternativen Wärmequelle wie beispielsweise Sonneneinstrahlung, Anwendung finden. Die Erfindung kann beliebig skaliert werden, so dass von einer Leistung im unteren kW-Bereich beginnend die Wärme-Kraftmaschine auch für den MW-Bereich ausgeführt werden kann. An den beweglich geführten Körper und die zugeordneten Dichtmittel sind lediglich geringe Anforderungen gestellt, da das Dichtmittel nicht, wie beispielsweise beim Otto- oder Dieselmotor, quer zur Bewegungsrichtung einwirkende Belastungen aufnehmen muss, etwa durch eine Pleuel. Durch die vergleichsweise geringe Reibung und die optimale Ausnutzung der adiabatischen Expansion im Expansionsraum weist die erfindungsgemäße Wärme-Kraftmaschine einen sehr hohen Wirkungsgrad auf. Durch die variable Größe des Kompressions- und Expansionsraumes kann die Maschine immer einen optimalen Betriebspunkt anfahren, auch wenn sich die Zustandsgrößen wie die Temperatur, der Druck und die zugeführte Wärmeleistung verändern.
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Aufgrund nur weniger bewegter Teile und des möglichen Arbeitsfluids Luft ist die Maschine einfach und kostengünstig zu realisieren und weist nur einen geringen Wartungsaufwand auf. Besonders im Bereich der Nutzung von sogenannten alternativen Energiequellen deckt die Erfindung eine Lücke. Alternative Energiequellen führen Wärme-Kraftmaschinen die notwendige Energie großteils in Form externer Erwärmung zu. Bei kleinen Leistungen stehen oft nur Maschinen mit geringer Leistungsdichte zur Verfügung, wie beispielsweise der Stirling-Motor. Diese geringe Leistungsdichte macht diese Maschinen groß und teuer. Bei großen Leistungen kommen oft Strömungsmaschinen wie Dampfturbinen oder Gasturbinen zum Einsatz. Aufgrund der hohen Leistungsdichte und dem jeweiligen Realisierungsaufwand sind diese Maschinen erst im oberen kW- oder MW-Bereich wirtschaftlich. Die vorliegende Erfindung füllt folglich diese Lücke und kann mit geringem Materialaufwand realisiert werden. Insbesondere im Anwendungsgebiet der dezentralen Stromversorgung bietet die erfindungsgemäße Wärme-Kraftmaschine Vorteile. Auch im Fall interner Verbrennung im Fluid treten keine explosionsartigen Vorgänge auf. Folglich weist die Wärme-Kraftmaschine einen geringen Geräuschpegel auf und kann beispielsweise in privaten Wohnräumen integriert oder in Verbindung mit einer Kraft-Wärme-Kopplung betrieben werden.
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Mit besonderem Vorteil kann die zyklisch arbeitende Wärme-Kraftmaschine nach einem Joule-Kreisprozess arbeiten, so dass die Zustandsänderung des Fluids während eines Maschinenzyklus im Wesentlichen einem Joule-Kreisprozess entspricht und die Bewegung des beweglich geführten Körpers durch einen Joule-Kreisprozess erzeugt ist. Der Joule-Kreisprozess ist durch eine adiabatische Kompression, durch eine Wärmezufuhr bei konstantem Druck, eine anschließende adiabatische Expansion und eine Wärmeabfuhr bei konstantem Druck gekennzeichnet. Die Merkmale des Joule-Kreisprozesses werden dabei nur näherungsweise erfüllt, da die adiabatische Kompression und Expansion sowie die Wärmzu- und -abfuhr bei konstantem Druck immer nur einer Idealbetrachtung folgt.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Wärme-Kraftmaschinen kann die Auslassleitung zum Auslass des Fluids aus dem Expansionsraum fluidisch mit der Einlassleitung zum Einlass eines Fluids in den Kompressionsraum verbunden sein. Mit besonderem Vorteil kann in der fluidischen Verbindung zwischen der Auslassleitung aus dem Expansionsraum und der Einlassleitung in den Kompressionsraum eine Wärmetauschereinheit eingebracht sein, insbesondere um dem Fluid aus der Auslassleitung des Expansionsraumes Wärme zu entziehen und anschließend das Fluid über die Einlassleitung dem Kompressionsraum zuzuführen. Ist die Auslassleitung zum Auslass des Fluids aus dem Expansionsraum mit der Einlassleitung zum Einlass des Fluids in den Kompressionsraum verbunden, so kann die zyklisch arbeitende Wärmemaschine als fluidisch geschlossenes System ausgebildet werden. Über die Erwärmungsvorrichtung wird dem Fluid Wärme zugeführt, das aus dem Kompressionsraum in den Expansionsraum geleitet wird. Über die Wärmetauschereinheit wird das Fluid aus dem Expansionsraum unter gleichzeitiger Wärmeabfuhr wieder in den Kompressionsraum geführt, wodurch ein geschlossener Gesamtkreislauf gebildet ist. Ist das System der zyklisch arbeitenden Wärme-Kraftmaschine als offener Kreislauf ausgeführt, so kann das Fluid über die Auslassleitung aus dem Expansionsraum in die Umgebung abgeführt werden. Zugleich muss über die Einlassleitung das Fluid in den Kompressionsraum aus der Umgebung angesaugt werden.
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Nach einer noch weiteren Ausführungsform kann in der fluidischen Verbindung zwischen der Auslassleitung aus dem Kompressionsraum und der Einlassleitung in den Expansionsraum eine weitere Erwärmungsvorrichtung vorgesehen sein, die mittels der Wärmetauschereinheit entzogene Wärme dem Fluid in der Auslassleitung bzw. der Einlassleitung wieder zuführt. Gemäß dieser Ausführungsform befindet sich in der Fluidleitung zwischen dem Kompressionsraum mit Fluidflussrichtung zum Expansionsraum eine zweite Erwärmungsvorrichtung, die zusätzlich zur Erwärmungsvorrichtung vorgesehen sein kann, die zur bereits notwendigen Bereitstellung von heißem Fluid hoher Temperatur notwendig ist, um das heiße Fluid hoher Temperatur dem Expansionsraum zuzuführen. Die weitere Erwärmungsvorrichtung kann folglich als Vorheizstufe ausgebildet sein, so dass die Erwärmung des Fluids in Richtung zum Expansionsraum 2-stufig ausgeführt ist. Die weitere Erwärmungsvorrichtung ist folglich in Richtung des Fluidflusses der Haupt-Erwärmungsvorrichtung vorgeschaltet. Zwischen der Wärmetauschereinheit in der Auslassleitung aus dem Expansionsraum und der weiteren Erwärmungsvorrichtung in der Einlassleitung vor dem Expansionsraum ist ggf. eine weitere Fluidleitung notwendig, die vom Haupt-Fluidsystem der Einlass- und Auslassleitungen des Expansionsraumes und des Kompressionsraumes fluidisch getrennt ist.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann die Einlassleitung ein Ventil zum Steuern des Einlasses des Fluides in den Expansionsraum, die Auslassleitung ein Ventil zum Steuern des Auslasses des Fluides aus dem Expansionsraum, die Einlassleitung ein Ventil zum Steuern des Einlasses des Fluides in den Kompressionsraum und die Auslassleitung ein Ventil zum Steuern des Auslasses des Fluides aus dem Kompressionsraum aufweisen. Damit besitzt sowohl der Einlass als auch der Auslass des Expansionsraumes und des Kompressionsraumes ein jeweiliges Ventil, über das der jeweilige Zustrom und Auslass aus den Räumen steuerbar ist. Mit Vorteil können die Ventile unabhängig voneinander angesteuert werden, so dass der Fluidzu- und -abstrom aus den jeweiligen Räumen zu variablen Steuerzeiten freigegeben und unterbrochen werden kann. Die Ventile können vorzugsweise als elektromechanische Ventile, beispielsweise als Magnetventile, ausgebildet sein.
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Mit weiterem Vorteil kann eine elektronische Steuereinrichtung vorgesehen sein, durch die die vorzugsweise elektromechanisch betätigbaren Ventile steuerbar sind. Insbesondere können die Ventile mittels der elektronischen Steuereinrichtung derart ansteuerbar sein, dass ein Maximum an fluidisch in den Expansionsraum eingebrachter Energie aus der Bewegung des Körpers nutzbar ist. Das Bewegungsprofil des beweglichen Körpers im Grundkörper der Wärme-Kraftmaschine kann über die Steuerzeiten der Ventile gesteuert werden. Eine maximale Ausnutzung der Energie, die durch die Expansion des Fluides im Expansionsraum in die Bewegung des Körpers eingebracht ist, ist dann nutzbar, wenn die Bewegung des beweglichen Körpers nur zu einem minimal notwendigen Anteil wieder in mechanisch-fluidische Energie rückgewandelt wird. Beispielsweise kann bei Expansion des Fluides im Expansionsraum der bewegliche Körper in Richtung zum Kompressionsraum beschleunigt werden. Durch die Steuerzeiten der Ventile, insbesondere des Auslassventils des Kompressionsraums, kann der bewegliche Körper durch Kompression des Fluides im Kompressionsraum wieder abgebremst werden, wobei die Bremswirkung lediglich auf ein Maß begrenzt ist, das notwendig ist, um den beweglichen Körper nicht mit der Begrenzung des Bewegungsweges in Richtung zum Kompressionsraum kollidieren zu lassen. Andererseits sollte nicht mehr Fluid komprimiert werden, insbesondere nicht auf ein höheres Druckniveau als notwendig. Die Findung eines Maximums an Gewinnung der fluidisch in den beweglichen Körper eingebrachte Energie kann durch die elektronische Steuereinrichtung optimiert werden, so dass der Gesamtwirkungsgrad der zyklisch arbeitenden Wärmekraftmaschine höher sein kann als bei Wärme-Kraftmaschinen, die einen zwangsgeführten beweglichen Körper aufweisen, wie dies beispielsweise bei einem Hubkolbenmotor der Fall ist.
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Die Mittel zur Nutzbarmachung von in der Bewegung des Körpers gebundener Energie können in Form eines Lineargenerators ausgebildet sein. Ein Lineargenerator kann nach dem Prinzip eines Generators mit einem drehbaren Rotor ausgeführt sein, jedoch weist ein Lineargenerator linear zueinander bewegte Komponenten auf. Beispielsweise können ein Magnet und eine Induktionsspule vorgesehen sein, wobei der Magnet vorzugsweise mit dem beweglich geführten Körper mitbewegt wird und wobei die Induktionsspule vorzugsweise unbewegt am Grundkörper angeordnet ist und in der durch die Bewegung des Magneten eine Spannung induzierbar ist. Führt der beweglich geführte Körper eine Oszillationsbewegung aus, kann durch die Oszillationsbewegung der Magnet an der Induktionsspule periodisch vorbeigeführt werden. Dadurch wird in der Induktionsspule eine Spannung induziert, und mittels der elektronischen Steuereinrichtung kann die Spannung an eine weitere Anschlussspannung angepasst werden. Während sich folglich das bewegliche Element an der Induktionsspule vorbeibewegt, wird ein Teil der kinetischen Energie mittels des Lineargenerators in elektrische Energie gewandelt und in einer Kapazität oder Induktivität zwischengespeichert. Da ein Strom nur dann in Richtung des elektrischen Speichers fließen kann, wenn das elektrische Potential des Lineargenerators höher ist als das des Speichers, die Ausgangsspannung des Lineargenerators jedoch mit der Geschwindigkeit variiert, kann zwischen dem Generatorausgang und dem Zwischenspeicher ein leistungselektronischer Spannungswandler zum Einsatz kommen. Dabei sorgt eine Digitalregelung dafür, dass die Generatorleistung und damit das Geschwindigkeitsprofil des beweglich geführten Körpers gezielt beeinflusst werden kann.
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Die Leistungsregelung kann den Leistungsabgriff aus der Bewegung des beweglich geführten Körpers derart vorsehen, dass durch die Größe der abgegriffenen Leistung wenigstens teilweise das Geschwindigkeitsprofil des Körpers über den Bewegungsweg steuerbar ist. Die Steuerung der Ventile kann mit der Steuerung des Leistungsabgriffes durch die Leistungsregelung korreliert werden, um das optimale Bewegungsprofil des beweglichen Körpers im Grundkörper der Wärme-Kraftmaschine zu erreichen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Bewegungsweg und damit die Position des beweglich geführten Körpers im Grundkörper der Wärme-Kraftmaschine sensorisch erfasst wird. Über eine Digitalregelung kann wenigstens aus dem Druck und/oder der Temperatur im Expansionsraum und/oder im Kompressionsraum und aus der Position des beweglich geführten Körpers ein Steuerprofil für die Ansteuerung der Ventile berechnet werden. Ebenso kann die Ausgangsspannung des Lineargenerators als Sensorsignal verwendet werden, um die Steuerung der Ventile vorzusehen.
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Vorteilhafterweise ist der beweglich geführte Körper als Kolben ausgebildet, der im Grundkörper der Wärme-Kraftmaschine linear geführt ist. Der Expansionsraum und der Kompressionsraum können aus einem gemeinsamen, zylinderförmig im Grundkörper ausgebildeten Raum gebildet sein, wobei die Trennung in den Expansionsraum und Kompressionsraum durch den Kolben gebildet wird. Weiterführend kann der beweglich geführte Körper als 2-teiliger Kolben ausgebildet sein, beispielsweise mit einem ersten Kolbenteil eines ersten Durchmessers und einem zweiten Kolbenteil eines zweiten Durchmessers, wobei die beiden Kolbenteile mit einer Kolbenstange miteinander verbunden sind. Folglich laufen die beiden Kolbenteile in Zylinderräumen, die einen unterschiedlichen Zylinderdurchmesser aufweisen. Damit kann bei einem gemeinsamen Bewegungsweg der beiden Kolbenteile der Expansionsraum eine andere Volumenänderung erfahren als der Kompressionsraum. Weiterführend ist es auch denkbar, den beweglich geführten Körper als sonstiges trennendes Element, beispielsweise als Membran, auszubilden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die zyklisch arbeitende Wärme-Kraftmaschine mehrere Grundkörper mit einem jeweiligen Expansionsraum und einem Kompressionsraum aufweisen, in denen jeweils ein Körper beweglich geführt ist, wobei die Expansionsräume und Kompressionsräume vorzugsweise derart fluidbeaufschlagt und/oder entlüftet werden, dass ein schwingungsdynamischer Ausgleich der Bewegung der einzelnen beweglich geführten Körper ermöglicht ist. Damit kann die Wärme-Kraftmaschine als Mehrzylinder ausgebildet sein, wobei die mehreren Grundkörper auch durch einen gemeinsamen Körper mit einer Vielzahl von Zylinderräumen zur Bildung der Expansionsräume und der Kompressionsräume ausgeführt sein kann. Sind die beweglich geführten Körper als Kolben ausgebildet, kann die jeweilige dynamische Bewegung der Kolben so aufeinander abgestimmt sein, dass ein Schwingungsausgleich ermöglicht wird, und Beschleunigungen und Verzögerungen der beweglich geführten Körper, die über fluidische Druckkräfte auf den Grundkörper übertragen werden können, gegenseitig aufgehoben werden. Dabei kann für jeden beweglich geführten Körper ein Lineargenerator vorgesehen sein, der ein jeweiliges Spannungsprofil bereitstellt. Die Spannungsprofile der jeweiligen Lineargeneratoren können so in Übereinstimmung gebracht werden, dass ein Glättungseffekt der einzelnen Ausgangsspannungen zur Bildung einer Gesamt-Ausgangsspannung ausgenutzt wird.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Diese zeigen in:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen zyklisch arbeitenden Wärme-Kraftmaschine mit einer Erwärmungsvorrichtung und einer Wärmetauschereinheit,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen zyklisch arbeitenden Wärme-Kraftmaschine, wobei zwei Erwärmungsvorrichtungen vorgesehen sind,
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3 ein Ausführungsbeispiel einer zyklisch arbeitenden Wärme-Kraftmaschine mit einer Erwärmungsvorrichtung und einem offenen Fluidsystem,
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zyklisch arbeitenden Wärme-Kraftmaschine, wobei über die Erwärmungsvorrichtung dem Fluid durch innere Verbrennung Wärme zugeführt wird, und wobei das Fluidsystem als offenes Fluidsystem ausgebildet ist,
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5–13 Darstellung verschiedener Arbeitsstadien der zyklisch arbeitenden Wärme-Kraftmaschine.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer zyklisch arbeitenden Wärme-Kraftmaschine mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung. Die zyklisch arbeitende Wärme-Kraftmaschine weist einen Grundkörper 10 auf, in dem in einer gemeinsamen zylinderförmigen Ausgestaltung ein Expansionsraum 11 und ein Kompressionsraum 12 gebildet ist. Die beiden Räume 11 und 12 sind durch einen im Grundkörper 10 aufgenommenen beweglich geführten Körper 13 voneinander getrennt, wobei der beweglich geführte Körper 13 als Kolben 13 ausgestaltet ist. Die beiden Räume 11 und 12 sind zylinderförmig ausgestaltet und erstrecken sich entlang einer Zylindermittelachse, die zugleich die Bewegungsachse des Kolbens 13 bildet, angedeutet durch einen Doppelpfeil. Bewegt sich der Kolben 13 in Richtung zum Expansionsraum 11, wird dieser verkleinert, wobei zugleich der Kompressionsraum 12 vergrößert wird. Bewegt sich der Kolben 13 in Richtung zum Kompressionsraum 12, wird dieser verkleinert, wobei zugleich der Expansionsraum 11 vergrößert wird.
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Die Wärme-Kraftmaschine weist weiterhin eine räumlich vom Grundkörper 10 getrennt angeordnete Erwärmungsvorrichtung 14 zur Bereitstellung von heißem Fluid hoher Temperatur auf, wobei die Erwärmung des Fluids durch eine Wärmezufuhr Qzu erfolgt. Weiterhin ist eine Einlassleitung 15 zum Einlass des heißen Fluides hoher Temperatur aus der Erwärmungsvorrichtung 14 in den Expansionsraum 11 vorgesehen, und eine Auslassleitung 16 dient zum Auslass des Fluides aus dem Expansionsraum 11. Weiterhin ist eine Einlassleitung 17 zum Einlass eines Fluides in den Kompressionsraum 12 vorgesehen, und eine Auslassleitung 18 dient zum Auslass des Fluides aus dem Kompressionsraum 12, welche Auslassleitung 18 mit der Erwärmungsvorrichtung 14 fluidisch verbunden ist. Folglich kann das im Kompressionsraum 12 komprimierte Fluid über die Auslassleitung 18 in die Erwärmungsvorrichtung 14 gelangen, um dort erwärmt zu werden. Anschließend wird dasselbe Fluid über die Einlassleitung 15 in den Expansionsraum 11 geführt. Dort kann das Fluid entspannen, wodurch der Kolben 13 in Richtung zum Kompressionsraum 12 bewegbar ist, wodurch eine fluidischmechanische Energiewandlung erfolgt.
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Der Fluidkreis vom Kompressionsraum 12 in Richtung zum Expansionsraum 11 erfolgt über die Auslassleitung 18 aus dem Kompressionsraum 12, die Erwärmungsvorrichtung 14 und weiterhin über die Einlassleitung 15 in den Expansionsraum 11, so dass der so gebildete Teilkreis als geschlossener Teilkreis ausgebildet ist. Über die Auslassleitung 16 gelangt das Fluid aus dem Expansionsraum 11 weiterhin in eine Wärmetauschereinheit 21, mittels der Wärme aus dem Fluid der Auslassleitung 16 abgeführt wird, gekennzeichnet mit Qab. Das gekühlte Fluid wird mittels der Einlassleitung 17 zunächst aus der Wärmetauschereinheit 21 abgeführt und dem Kompressionsraum 12 zugeführt. Folglich ist auch dieser fluidische Teilkreis über die Auslassleitung 16 aus dem Expansionsraum 11, die Wärmetauschereinheit 21 sowie die Einlassleitung 17 in dem Kompressionsraum 12 als geschlossener Teilkreis ausgebildet. Gemeinsam mit dem Teilkreis über die Erwärmungsvorrichtung 14 wird ein fluidischer Gesamtkreislauf gebildet, der als geschlossener Kreislauf ausgebildet ist.
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Die Einlassleitung 15 weist ein Ventil 22 auf, um den Einlass des Fluides in den Expansionsraum 11 zu steuern. Die Auslassleitung 16 weist ein Ventil 23 zum Steuern des Auslasses des Fluides aus dem Expansionsraum 11 auf. Ferner weist die Einlassleitung 17 ein Ventil 24 zum Steuern des Einlasses des Fluides in den Kompressionsraum 12 auf und die Auslassleitung 18 weist ein Ventil 25 zum Steuern des Auslasses des Fluides aus dem Kompressionsraum 12 auf. Die Ventile 22, 23, 24 und 25 sind im Bereich der Leitungen 15, 16, 17 und 18 schematisch dargestellt, welche Ventile 22, 23, 24 und 25 allgemein als bewegliche Öffnungen der Räume 11 und 12 angesehen werden können. Folglich können die Ventile 22, 23, 24 und 25 auch im Grundkörper 10 der Wärme-Kraftmaschine ausgebildet sein.
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Ferner sind Mittel gezeigt, durch die in der Bewegung des Kolbens 13 gebundene Energie nutzbar ist. Die Mittel zur Nutzbarmachung von in der Bewegung des Kolbens 13 gebundener Energie sind als Lineargenerator ausgebildet und weisen einen Magneten 19 und eine Induktionsspule 20 auf. Der Magnet 19 ist am Kolben 13 angeordnet, wobei die Induktionsspule 20 unbeweglich am Grundkörper 10 angeordnet ist. Führt der Kolben 13 eine Oszillationsbewegung in Richtung des gezeigten Doppelpfeiles aus, so kann in der Induktionsspule 20 eine Spannung induziert werden. Über eine Leistungsregelung besteht die Möglichkeit, die Größe der aus der Bewegung des Kolbens 13 abgegriffenen Leistung zu steuern, wodurch Einfluss auf das Bewegungsprofil des Kolbens 13 genommen werden kann. Ferner kann eine elektronische Steuereinrichtung vorgesehen sein, durch die die Ventile 22, 23, 24 und 25 steuerbar sind, um den Fluidzustrom und den Fluidabfluss in den Expansionsraum 11 und den Kompressionsraum 12 zu steuern. Folglich kann auch und insbesondere über die elektronische Steuereinrichtung Einfluss auf das Bewegungsprofil des Kolbens 13 genommen werden.
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2 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der zyklisch arbeitenden Wärme-Kraftmaschine dar. In der Fluidverbindung zwischen dem Expansionsraum 11 und dem Kompressionsraum 12 über die Auslassleitung 16 und die Einlassleitung 17 ist eine Wärmetauschereinheit 21 vorgesehen, die über eine weitere Fluidleitung 27 mit einer Erwärmungsvorrichtung 26 fluidisch verbunden ist. Die dem Fluid aus der Auslassleitung 16 entzogene Wärme kann über ein Fluid durch die Fluidleitung 27 der weiteren Erwärmungsvorrichtung 26 zugeführt werden.
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Die weitere Erwärmungsvorrichtung 26 dient als Wärmetauschervorrichtung, um Wärme an das Fluid in der Auslassleitung 18 abzugeben. Die Erwärmungsvorrichtung 26 dient folglich als erste Erwärmungsstufe, und ist der Erwärmungsvorrichtung 14 in der Einlassleitung 15 in den Expansionsraum 11 vorgeschaltet. Folglich erfolgt eine Erhöhung der Temperatur des Fluides in der Auslassleitung 18 auf ein Zwischentemperaturniveau, wobei eine nachfolgende Haupterwärmung durch die Erwärmungsvorrichtung 14 erfolgen kann. Damit kann der Wirkungsgrad der Wärme-Kraftmaschine weiter erhöht werden. Die Fluidleitung 27 kann bei Entfall der weiteren Erwärmungsvorrichtung 26 auch direkt mit der Erwärmungsvorrichtung 14 verbunden sein, um über diese Wärme an das Fluid in der Einlassleitung 15 abzugeben.
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3 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der zyklisch arbeitenden Wärme-Kraftmaschine dar, wobei der Kreislauf zwischen dem Expansionsraum 11 und dem Kompressionsraum 12 über die Auslassleitung 16 und die Einlassleitung 17 als offener Kreislauf ausgebildet ist. Das Fluid, das aus dem Expansionsraum 11 über die Auslassleitung 16 herausgeführt wird, gelangt in die Umgebung und wird freigesetzt. Des Weiteren führt die Einlassleitung 17 dem Kompressionsraum 12 ein Fluid zu, das ebenfalls aus der Umgebung entstammt, und nicht dem Fluid bzw. dem Fluidzustand entspricht, das über die Auslassleitung 16 aus dem Expansionsraum 11 freigesetzt wurde. Der Fluidkreislauf über die Auslassleitung 18 aus dem Kompressionsraum 12 und die Einlassleitung 15 in den Expansionsraum 11 über die Erwärmungsvorrichtung 14 ist weiterhin als geschlossener Kreislauf ausgebildet, wobei die Energiezufuhr über eine zugeführte Wärme Qzu erfolgt, ohne dass ein Fluidaustausch in der Enwärmungsvorrichtung 14 erfolgt. Folglich wird das Fluid in der Leitung 18 bzw. 15 lediglich durch externe Erwärmung auf ein höheres Temperaturniveau gebracht.
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Das Ausführungsbeispiel der zyklisch arbeitenden Wärme-Kraftmaschine gemäß 4 zeigt ebenfalls einen offenen Kreislauf zwischen dem Expansionsraum 11 und dem Kompressionsraum 12 über die Auslassleitung 16 und die Einlassleitung 17, wie dieser bereits in 3 beschrieben wurde. Die Erwärmungsvorrichtung 14 führt gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Brennstoff 28 zu, der mit dem Fluid in der Auslassleitung 18 exotherm reagiert. Folglich wird über die Einlassleitung 15 ein Fluid-Mischgas zugeführt, welches die Verbrennungsprodukte aus der Verbrennung des Fluids aus der Auslassleitung 18 und dem zugeführten Brennstoff 28 umfasst. Nach Entspannung im Expansionsraum 11 wird das Gemisch über die Auslassleitung 16 ins Freie gesetzt.
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Die 5 bis 13 zeigen jeweils eine zyklisch arbeitende Wärme-Kraftmaschine in einer schematischen Darstellung, wobei die Figuren jeweils verschiedene Arbeitsschritte des Zyklus der Wärme-Kraftmaschine zeigen.
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Im Arbeitsschritt gemäß 5 befindet sich der Kolben 13 in seiner linken Extremposition, in der der Expansionsraum 11 ein minimales Volumen und der Kompressionsraum 12 ein maximales Volumen einnimmt. Dabei befindet sich das Fluid im Kompressionsraum 12 bei einem niedrigen Druck. Das Ventil 22 weist eine geöffnete Stellung auf, und Fluid mit hoher Temperatur und hohem Druck kann über die Einlassleitung 15 in den Expansionsraum 11 gelangen. Dadurch wird der Druck im Expansionsraum 11 stark erhöht, und durch den niedrigen Druck im Kompressionsraum 12 entsteht eine Druckdifferenz in den den Kolben 13 begrenzenden Räumen 11 und 12. Folglich wird der Kolben 13 in Richtung zum Kompressionsraum 12 nach rechts beschleunigt. Das Ventil 24 in der Einlassleitung 17 in dem Kompressionsraum 12 weist eine geöffnete Stellung auf, wobei der Druck im Kompressionsraum 12 dem Druck in der Einlassleitung 17 entspricht, der beispielsweise den Druck nach der Wärmetauschereinheit 21 in der Einlassleitung 17 oder dem Druck der Umgebung entsprechen kann. Zugleich ist die Auslassleitung 18 aus dem Kompressionsraum 12 sowie die Auslassleitung 16 aus dem Expansionsraum 11 durch die jeweiligen Ventile 25 und 23 geschlossen.
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Nachdem in der Stellung der Ventile 22, 23, 24 und 25 gemäß 5 eine Fluidmenge in den Expansionsraum 11 eingeströmt ist, schließt sich im Arbeitsschritt gemäß 6 das Ventil 22 in der Einlassleitung 15 in den Expansionsraum 11. Ab diesem Zeitpunkt entspannt sich das Fluid adiabatisch im Expansionsraum 11, so dass der Kolben 13 weiter in Richtung zum Kompressionsraum beschleunigt wird.
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Gemäß dem Arbeitsschritt in 7 schließt das Ventil 24 die Einlassleitung 17. In diesem Arbeitsschritt sind alle Ventile 22, 23, 24 und 25 geschlossen. Der Zeitpunkt des Schließens aller Ventile 22, 23, 24 und 25 hängt von einer Vielzahl von Systemgrößen ab und wird mittels einer elektronischen Steuereinrichtung zum Ansteuern der Ventile 22, 23, 24 und 25 berechnet. Die nun im Kompressionsraum 12 eingeschossene Fluidmenge wird anschließend durch den sich in Richtung zum Kompressionsraum 12 nach rechts bewegenden Kolben 13 weiter verdichtet. In einem geschlossenen Fluidsystem der Wärme-Kraftmaschine müssen bei zyklischem Betrieb der Wärme-Kraftmaschine so viele Masseneinheiten auf der Kompressionsseite im Kompressionsraum 12 verdichtet werden, wie auf der Expansionsseite im Expansionsraum 11 wieder entspannt werden, damit die Massestrombilanz des Kreisprozesses ausgeglichen ist. Kurzfristig betrachtet muss die Bilanz hingegen nicht ausgeglichen sein, welcher Betriebszustand beispielsweise beim Start oder dem Anfahren neuer Betriebspunkte vorübergehend erreicht wird.
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8 stellt einen weiteren Arbeitsschritt dar, in dem das Fluid im Expansionsraum 11 den Druck erreicht, der auch in der Wärmetauschereinheit 21 und folglich in der Auslassleitung 16 vorliegt. Zu diesem Zeitpunkt überschreitet der Druck im Kompressionsraum 12 den Druck im Expansionsraum 11. Ab oder vor diesem Zeitpunkt wird der Kolben 13 in seiner Bewegung in Richtung zum Kompressionsraum 12 verzögert und folglich in Richtung zum Expansionsraum 11 wieder beschleunigt. Durch die zuvor aufgenommene kinetische Energie bewegt sich der Kolben 13 aber weiterhin in Richtung zum Kompressionsraum 12 und verdichtet das dort eingeschlossene Fluid.
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9 stellt einen weiteren Arbeitsschritt dar, in welchem der Druck des Fluids im Kompressionsraum 12 den Druck des Fluids in der Erwärmungsvorrichtung 14 erreicht. Das Ventil 25 der Auslassleitung 18 ist dabei geöffnet, wobei ferner das Ventil 23 der Auslassleitung 16 des Expansionsraumes 11 geöffnet ist. Durch das geöffnete Ventil 25 in der Auslassleitung 18 strömt das komprimierte Fluid in die Erwärmungsvorrichtung 14. Durch die Bewegung des Kolbens 13 wird das Volumen des Kompressionsraumes 12 weiterhin verringert. Zugleich wird in der Erwärmungsvorrichtung 14 das Fluid erwärmt.
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Im Arbeitsschritt gemäß 10 erreicht die kinetische Energie des Kolbens 13 den Wert 0, und der Kompressionsraum 12 nimmt sein minimales Volumen ein. Anschließend erfolgt die Bewegung des Kolbens 13 in Richtung zum Expansionsraum 11. Der Großteil der Fluidmasse, welche im Kompressionsraum 12 verdichtet wurde, befindet sich nun in der Erwärmungsvorrichtung 14. Ein kleiner Teil des Fluids verbleibt jedoch im Kompressionsraum 12. Das Auslassventil 25 in der Auslassleitung 18 des Kompressionsraumes 12 schließt sich und der Kolben 13 wird in Richtung zum Expansionsraum 11 beschleunigt. Das im Kompressionsraum 12 verbliebene Fluid entfaltet dabei die Wirkung einer Gasdruckfeder, so dass eine Bewegungsumkehr des Kolbens 13 ermöglicht wird.
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Im nachfolgenden Arbeitsschritt gemäß 11 wird der Kolben durch das sich im Kompressionsraum 12 entspannende Fluid beschleunigt. Das Ventil 24 in der Einlassleitung 17 im Kompressionsraum 12 öffnet sich in dem Zeitpunkt, in dem der Druck im Kompressionsraum 12 dem Druck der Umgebung bzw. dem Druck in der Wärmetauschereinheit 21 entspricht. Dadurch wird vermieden, dass sich im Kompressionsraum 12 ein Unterdruck bildet, durch den die Bewegung des Kolbens 13 in Richtung zum Expansionsraum 11 unnötig verzögert würde.
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Im Arbeitsschritt gemäß 12 wird das Ventil 23 in der Auslassleitung 16 aus dem Expansionsraum 11 geschlossen, und der Druck im Expansionsraum 11 steigt an und der Kolben 13 wird ab diesem Zeitpunkt in seiner Bewegung in Richtung zum Expansionsraum 11 verzögert. Jedoch bewegt sich der Kolben 13 weiter in Richtung zum Expansionsraum 11, weil dieser hinreichend große kinetische Energie aus der Beschleunigung durch das sich im Kompressionsraum 12 leicht entspannende Fluid besitzt. Die Masse des Fluides, welche nun im Expansionsraum 11 verdichtet wird, ist im Vergleich zur Fluidmasse gemäß der Schritte in den 5, 6, 7 und 8 vergleichsweise klein.
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Im letzten Arbeitsschritt gemäß 13 erreicht das Volumen des Fluides im Expansionsraum 11 wieder seinen minimalen Wert, ähnlich 5. Die kinetische Energie des Kolbens 13 erreicht den Wert 0 und die Bewegung erfolgt von nun an wieder in Richtung zum Kompressionsraum 12. Der Druck des Fluides im Expansionsraum entspricht im Idealfall dem Druck in der Erwärmungsvorrichtung 14. Das zuvor im Arbeitsschritt gemäß 12 eingeschlossene Fluidvolumen wirkt dabei als eine Art Bremse, um zu vermeiden, dass der Kolben 13 gegen die Wandung des Grundkörpers 10 stößt. Folgt wird der Kolben 13 abgebremst, bevor das Volumen des Expansionsraumes 11 den Wert 0 erreicht, was mit Ansteuerung der Ventile 22 und 23 geschaffen wird.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Grundkörper
- 11
- Expansionsraum
- 12
- Kompressionsraum
- 13
- beweglich geführter Körper, Kolben
- 14
- Erwärmungsvorrichtung
- 15
- Einlassleitung
- 16
- Auslassleitung
- 17
- Einlassleitung
- 18
- Auslassleitung
- 19
- Magnet
- 20
- Induktionsspule
- 21
- Wärmetauschereinheit
- 22
- Ventil
- 23
- Ventil
- 24
- Ventil
- 25
- Ventil
- 26
- Erwärmungsvorrichtung
- 27
- Fluidleitung
- 28
- Brennstoff
- v
- Geschwindigkeit
- a
- Beschleunigung
- Qzu
- zugeführte Wärme
- Qab
- abgeführte Wärme
