DE102012111410B4

DE102012111410B4 - Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: DE102012111410B4
Application number: DE102012111410.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kaiser Gunter; Dr. Klier Jürgen; Moritz Kuhn
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2032-11-27
Also published as: DE102012111410A1; WO2014079524A1

Abstract

Wärmekraftmaschine (1) zum Umwandeln von thermischer in mechanische Energie mittels eines Arbeitsfluides (3), aufweisend: – einen ersten und einen zweiten Arbeitsraum (5, 7) mit einem darin bewegbar angeordneten Arbeitskolben (9), der mit seiner ersten Stirnfläche (11) an den ersten Arbeitsraum (5) und mit seiner zweiten Stirnfläche (13) an den zweiten Arbeitsraum (7) grenzt, – einen ersten und einen zweiten Antriebsabschnitt (17, 19) mit jeweils einer Verdrängervorrichtung (21) und einer Wärmetauschvorrichtung (23), wobei die Verdrängervorrichtung (21) parallel zu der Wärmetauschvorrichtung (23) geschaltet ist, und wobei die Wärmetauschvorrichtung (23) eine Warmseite (35) zum Erhitzen des Arbeitsfluides (3) und eine Kaltseite (31) zum Kühlen des Arbeitsfluides (3) aufweist, und – wobei der erste Antriebsabschnitt (17) an einer Position zwischen der Warmseite (35) seiner Wärmetauschvorrichtung (23) und seiner Verdrängervorrichtung (21) seriell mit dem ersten Arbeitsraum (5) und der zweite Antriebsabschnitt (19) an einer Position zwischen der Warmseite (35) seiner Wärmetauschvorrichtung (23) und seiner Verdrängervorrichtung (21) seriell mit dem zweiten Arbeitsraum (7) verschaltet ist, und – wobei sowohl der erste als auch der zweite Antriebsabschnitt (17, 19) derart ausgebildet ist, dass mittels der Verdrängervorrichtung (21) in einem Druckaufbautakt flüssiges Arbeitsfluid (3) über die Kaltseite (31) zu der Warmseite (35) der Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei verdampft und überhitzt wird, wobei der Druck in dem seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum (5, 7) von einem Niederdruck auf einen Hochdruck steigt, und in einem Druckabbautakt gasförmiges Arbeitsfluid (3) über die Warmseite (35) zu der Kaltseite (31) der Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei verflüssigt wird, wobei der Druck in dem seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum (5, 7) von dem Hochdruck auf den Niederdruck sinkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, d. h. eine Maschine zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie, und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmekraftmaschine.
Thermodynamische Kreisprozesse ermöglichen die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie. Es sind vielfältige Realisierungen solcher Kreisprozesse mittels entsprechender Wärmekraftmaschinen bekannt, z. B. mittels Stirling-Maschinen oder Rankine-Maschinen. Stirling-Maschinen weisen, wenn sie mittels einer Wärmequelle mit einer geringen Temperatur (z. B. zwischen 100°C und 500°C) betrieben werden, nur geringe volumetrische Leistungsdichten auf und müssen mit hohen Mitteldrücken betrieben werden. Rankine-Maschinen wiederum können auch mittels Niedertemperatur-Wärmequellen hohe Leistungsdichten erreichen, benötigen jedoch zur Realisierung des zugehörigen Kreisprozesses komplexe und wartungsintensive Vorrichtungen, die z. B. gesteuerte Nebenaggregate (z. B. Kondensatpumpen, Hauptschieber und Hilfsschieber) erfordern. Die DE 21 64 224 A beschreibt eine Wärmekraftmaschine unter Verwendung eines abgewandelten Stirling-Kreislaufs mit einem kondensierbaren Arbeitsmittel; wobei in einem ersten Zylinder ein Arbeitskolben, in einem zweiten Zylinder ein Verdrängerkolben, und in einem dritten Zylinder ein überflutbarer Wärmespeicher mit einem Verdampfer und einem Kondensator vorgesehen ist, und wobei die drei Zylinder unter Ausbildung einer Heißzone mittels eines Verteilerrohres miteinander verbunden sind und der Arbeitskolben aufgrund des Unterschieds zwischen Verdampferdruck und Kondensatordruck betätigt wird.
Durch die Erfindung wird eine Wärmekraftmaschine geschaffen, die mit einem unkomplizierten und kompakten Aufbau realisierbar ist und auch bei Betrieb mittels einer Niedertemperatur-Wärmequelle einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht. Zudem wird durch die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine bereitgestellt.
Gemäß der Erfindung wird eine Wärmekraftmaschine zum Umwandeln von thermischer in mechanische Energie mittels eines Arbeitsfluids bereitgestellt. Die Wärmekraftmaschine weist einen ersten und einen zweiten Arbeitsraum (auch als Arbeitskammer oder Arbeitszylinder bezeichnet) mit einem darin angeordneten Arbeitskolben auf. Der Arbeitskolben ist derart angeordnet, dass er mit seiner ersten Stirnfläche an den einen (ersten) Arbeitsraum angrenzt und mit seiner anderen Stirnfläche an den anderen (zweiten) Arbeitsraum angrenzt (sog. doppelt-wirkende Wärmekraftmaschine), wobei der Arbeitskolben derart bewegbar in den Arbeitsräumen aufgenommen ist, dass das Volumen der Arbeitsräume entsprechend der Position (bzw. der Bewegung) des Arbeitskolbens variiert (indem eine Begrenzungsfläche eines jeden Arbeitsraumes von einer der beiden Stirnflächen des Arbeitskolbens gebildet ist). Die Wärmekraftmaschine weist zudem einen ersten und einen zweiten Antriebsabschnitt (nachfolgend auch als „thermischer Kopf” bezeichnet) mit jeweils einer Verdrängervorrichtung und einer Wärmetauschvorrichtung auf, wobei die Antriebsabschnitte zum Einkoppeln thermischer Energie vorgesehen sind. Innerhalb des jeweiligen Antriebsabschnitts ist die Verdrängervorrichtung parallel zu der Wärmetauschvorrichtung geschaltet und steht in Fluidverbindung mit derselben (d. h. das Arbeitsfluid kann von der Verdrängervorrichtung zu der Wärmetauschvorrichtung verschoben werden und umgekehrt).
Jede der Wärmetauschvorrichtungen weist eine Warmseite zum Erhitzen des Arbeitsfluids und eine Kaltseite zum Kühlen des Arbeitsfluids auf. Der erste/zweite Antriebsabschnitt ist seriell zu dem ersten/zweiten Arbeitsraum geschaltet (d. h. steht in serieller Fluidverbindung mit demselben), wobei der jeweilige Antriebsabschnitt an einer Position zwischen der Warmseite seiner Wärmetauschvorrichtung und seiner Verdrängervorrichtung an den zugehörigen Arbeitsraum angebunden ist. Der erste Antriebsabschnitt ist somit seriell mit dem ersten Arbeitsraum und der zweite Antriebsabschnitt seriell mit dem zweiten Arbeitsraum verschaltet.
Die Wärmekraftmaschine ist als 2-Phasen-Verdränger-Wärmekraftmaschine ausgebildet, d. h. während des Betriebs der Wärmekraftmaschine durchläuft das Arbeitsfluid abwechselnd Phasenübergänge zwischen der flüssigen und der gasförmigen bzw. überkritischen Phase, wobei die Wärmekraftmaschine als Verdrängermaschine (insbesondere nach dem sog. Gamma-Prinzip, wonach Arbeitskolben und Verdrängerkolben in unterschiedlichen Zylindern bzw. Räumen angeordnet sind) realisiert ist. Als Arbeitsfluid kann z. B. Toluol, Ethanol, Tetrafluorethan (R134a) oder ein sonstiges Kältemittel verwendet werden. Der erste Antriebsabschnitt und der zweite Antriebsabschnitt werden antizyklisch (bzw. um 180° phasenverschoben) zueinander betrieben.
Sowohl der erste als auch der zweite Antriebsabschnitt ist (mittels entsprechender Ausbildung der Verdrängervorrichtung und der Wärmetauschvorrichtung) derart ausgebildet, dass in einem Druckaufbauschritt bzw. Druckaufbautakt mittels der Verdrängervorrichtung flüssiges Arbeitsfluid über die Kaltseite zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei (z. B. an der Warmseite) verdampft wird, wodurch der Druck im seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum von einem vorgegebenen Niederdruck auf einen (demgegenüber höheren) vorgegebenen Hochdruck steigt. Der Antriebsabschnitt bzw. die Verdrängervorrichtung kann z. B. derart ausgebildet sein, dass in dem Druckaufbautakt das flüssige Arbeitsfluid derart (schnell) zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dort verdampft wird, dass während des Druckaufbautaktes eine Zunahme des Druckes im Arbeitsraum bis zum Erreichen des vorgegebenen Hochdruckes bei gleichbleibendem oder im Wesentlichen gleichbleibenden Volumen des Arbeitsraumes erfolgt, d. h. eine isochore Zustandsänderung stattfindet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass bereits während des Druckaufbautaktes bis zum Erreichen des vorgegebenen Hochdrucks eine Zunahme des Arbeitsraumvolumens stattfindet, wobei der Arbeitskolben durch das in den Arbeitsraum expandierende gasförmige Arbeitsfluid in eine erste Richtung bewegt wird.
Sowohl der erste als auch der zweite Antriebsabschnitt ist (mittels entsprechender Ausbildung der Verdrängervorrichtung und der Wärmetauschvorrichtung) zudem derart ausgebildet, dass in einem Druckabbauschritt bzw. Druckabbautakt mittels der Verdrängervorrichtung gasförmiges Arbeitsfluid über die Warmseite zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei (z. B. an der Kaltseite) verflüssigt wird, wodurch der Druck im seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum von dem Hochdruck auf den Niederdruck sinkt. Der Antriebsabschnitt bzw. die Verdrängervorrichtung kann z. B. derart ausgebildet sein, dass in dem Druckabbautakt das gasförmige Arbeitsfluid derart (schnell) zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dort verflüssigt wird, dass während des Druckabbautaktes eine Abnahme des Druckes im Arbeitsraum bis zum Erreichen des vorgegebenen Niederdruckes bei gleichbleibendem oder im Wesentlichen gleichbleibendem Volumen des Arbeitsraumes erfolgt, d. h. eine isochore Zustandsänderung stattfindet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass bereits während des Druckabbautaktes bis zum Erreichen des vorgegebenen Niederdruckes eine Abnahme des Arbeitsraumvolumens stattfindet, wobei der Arbeitskolben aufgrund des Druckabbaus in eine zweite Richtung – die der ersten Richtung entgegen gerichtet ist – bewegt wird.
Somit kann an dem ersten und zweiten Antriebsabschnitt Energie in die Wärmekraftmaschine eingekoppelt werden, indem an der Wärmetauschvorrichtung thermische Energie zum Verdampfen und Überhitzen des flüssigen Arbeitsfluides eingekoppelt wird und an der Verdrängervorrichtung mechanische Energie zum Verschieben des Arbeitsfluides eingekoppelt wird. Mittels der eingekoppelten Energie wird der Arbeitskolben aufgrund des abwechselnden Druckaufbaus und Druckabbaus innerhalb der Arbeitsräume periodisch hin- und her bewegt, wobei an dem Arbeitskolben mechanische Energie bzw. Arbeit ausgekoppelt werden kann. Indem die Wärmekraftmaschine lediglich die o. g. (wenigen) Bestandteile erfordert und zudem lediglich in dem Arbeitskolben und den Verdrängervorrichtungen bewegbare Teile aufweist, kann die Wärmekraftmaschine mit einem unkomplizierten und kompakten Aufbau realisiert werden. Die Wärmekraftmaschine kann z. B. (ausschließlich) aus den Antriebsabschnitten mit den daran angebundenen Arbeitsräumen samt Arbeitskolben bestehen. Indem die Verdrängervorrichtung jeweils parallel zu der Wärmetauschvorrichtung geschaltet ist und an ihrer einen Seite mit der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung sowie dem zugeordneten Arbeitsraum und an ihrer anderen Seite mit der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung in Fluidverbindung steht, kann die Wärmekraftmaschine mit einem hohen Druckverhältnis (d. h. Verhältnis des vorgegebenen Hochdrucks zu dem vorgegebenen Niederdruck) betrieben werden, wodurch – auch wenn an der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung lediglich geringfügig höhere Temperaturen gegenüber der Antriebsseite vorliegen – eine hohe Leistungsdichte ermöglicht ist.
Die Wärmekraftmaschine kann z. B. derart ausgebildet sein, dass das Druckverhältnis, d. h. das Verhältnis des vorgegebenen Hochdrucks zu dem vorgegebenen Niederdruck, bei bis zu 20:1 liegt. Des Weiteren kann die Wärmekraftmaschine je nach Arbeitsfluid derart ausgebildet sein, dass die Temperatur an der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung (z. B. an dem Überhitzer) einen (z. B. konstanten oder örtlich verteiltem Anstieg) Wert zwischen 50°C und 500°C aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Antriebsabschnitt bzw. die Verdrängervorrichtung jeweils derart ausgebildet, dass nach dem Druckaufbautakt (zwischen dem Druckaufbautakt und dem nachfolgenden Druckabbautakt), d. h. nachdem der Druck im seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum den vorgegebenen Hochdruck bzw. Hochdruck-Wert erreicht, in einem Expansionsschritt bzw. Expansionstakt mittels der Verdrängervorrichtung weiterhin flüssiges Arbeitsfluid derart über die Kaltseite zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei verdampft wird, dass das gasförmige Arbeitsfluid unter Aufrechterhaltung des Hochdruckes in dem Arbeitsraum in denselben expandiert und dabei den Arbeitskolben unter Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes in die erste Richtung bewegt, d. h. eine isobare oder im Wesentlichen isobare Expansion stattfindet.
Zudem kann der Antriebsabschnitt bzw. die Verdrängervorrichtung jeweils derart ausgebildet sein, dass nach dem Druckabbautakt (zwischen dem Druckabbautakt und dem nachfolgenden Druckaufbautakt), d. h. nachdem der Druck im seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum den vorgegebenen Niederdruck bzw. Niederdruck-Wert erreicht, in einem Kontraktionsschritt bzw. Kontraktionstakt mittels der Verdrängervorrichtung weiterhin gasförmiges Arbeitsfluid derart über die Warmseite zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei verflüssigt wird, dass das Arbeitsfluid unter Aufrechterhaltung des Niederdruckes in dem Arbeitsraum an der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung verflüssigt wird und dabei der Arbeitskolben unter Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraums in die zweite Richtung bewegt wird, d. h. eine isobare oder im Wesentlichen isobare Kontraktion bzw. Kompression stattfindet.
Bei der Expansion des gasförmigen Arbeitsfluides in das Arbeitsraumvolumen und der damit einhergehenden Bewegung des Arbeitskolbens derart, dass das Volumen des Arbeitsraumes vergrößert wird, leistet das gasförmige Arbeitsfluid Arbeit an dem Arbeitskolben. Bei der Verflüssigung bzw. Kondensation des Arbeitsfluids unter Volumenverkleinerung und der damit einhergehenden Bewegung des Arbeitskolbens derart, dass das Volumen des Arbeitsraumes verkleinert wird, leistet der Arbeitskolben Arbeit am Dampf des Arbeitsfluides. Die von der Wärmekraftmaschine geleistete Nettoarbeit ist durch die Differenz zwischen der Arbeitsleistung bei der Volumenvergrößerung und der Volumenverkleinerung des Arbeitsraumvolumens gegeben.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Verdrängervorrichtung des ersten und des zweiten Antriebsabschnitts jeweils einen Verdrängerraum (auch als Verdrängerkammer oder Verdrängerzylinder bezeichnet) und einen darin mittels eines Antriebs bewegbar angeordneten Verdrängerkolben auf, wobei der Verdrängerkolben z. B. derart angeordnet sein kann, dass er an seiner ersten Stirnfläche mit der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung (und dem Arbeitsraum) und mit seiner zweiten Stirnfläche mit der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung in Fluidverbindung steht. Demgemäß kann eine stabile Ausführung der Wärmekraftmaschine und somit ein hohes Druckverhältnis (d. h. Verhältnis des Hochdrucks zu dem Niederdruck) ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Wärmetauschvorrichtung des ersten und des zweiten Antriebsabschnitts jeweils in Richtung von ihrer Kaltseite zu ihrer Warmseite hin nacheinander einen Unterkühler, eine Verdampfer-Kondensator-Kombinationsvorrichtung (im Folgenden kurz als „Verdampfer-Kondensator” bezeichnet) und einen Überhitzer auf. Der Verdampfer-Kondensator ist zum Verdampfen des durch ihn von der Kaltseite zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung hindurchströmenden (flüssigen) Arbeitsfluides und zum Verflüssigen des durch ihn von der Warmseite zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung hindurchströmenden (gasförmigen) Arbeitsfluides ausgebildet. Der Verdampfer-Kondensator kann z. B. als Regenerator (d. h. als Wärme-Zwischenspeicher) zum Zwischenspeichern der thermischen Energie des durch ihn hindurchströmenden Arbeitsfluides ausgebildet sein, wobei von dem Regenerator bei der Verflüssigung des von der Warmseite zu der Kaltseite strömenden (gasförmigen) Arbeitsfluides die dabei anfallende latente Wärme gespeichert wird und im Folgenden an das von der Kaltseite zu der Warmseite strömende (flüssige) Arbeitsfluid zur Verdampfung desselben abgegeben wird.
Der Unterkühler ist zum Kühlen des durch ihn in Richtung von der Warmseite zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung hindurchströmenden flüssigen Arbeitsfluides ausgebildet, der Überhitzer ist zum Erwärmen des durch ihn in Richtung von der Kaltseite zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung hindurchströmenden gasförmigen Arbeitsfluides ausgebildet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die zum Betreiben der Wärmekraftmaschine erforderliche thermische Energie an dem Überhitzer zugeführt bzw. eingekoppelt.
Gemäß einer Ausführungsform besteht zwischen dem Arbeitsraum und dem seriell dazu geschalteten Antriebsabschnitt jeweils eine freie (d. h. unmittelbare und ungehinderte) Fluidverbindung; wobei im Strömungsweg des Arbeitsfluides zwischen dem Arbeitsraum und dem Antriebsabschnitt z. B. kein Ventil oder sonstiges zur Strömungsregulierung vorgesehenes Bauteil angeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass an der Verdrängervorrichtung stets derselbe Druck anliegt wie im Arbeitsraum.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer 2-Phasen-Verdränger-Wärmekraftmaschine gemäß einer der vorstehend erläuterten Ausführungsformen bereitgestellt. Mittels des Verfahrens kann eine Wärmekraftmaschine gemäß den vorstehend erläuterten Ausgestaltungen betrieben werden, sodass im Folgenden lediglich knapp auf einige der entsprechenden Verfahrensschritte eingegangen wird und im Übrigen diesbezüglich hiermit auf die Erläuterungen hinsichtlich der Vorrichtung in Form der Wärmekraftmaschine verwiesen wird, die analog auch für das Verfahren gelten.
Das Verfahren weist einen Druckaufbauschritt bzw. -takt auf, während dessen mittels der Verdrängervorrichtung des ersten bzw. zweiten Antriebsabschnitts flüssiges Arbeitsfluid über die Kaltseite zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei mittels der Wärmetauschvorrichtung unter Bildung von gasförmigem Arbeitsfluid verdampft wird, wobei das gasförmige Arbeitsfluid in den an die Warmseite der Wärmetauschvorrichtung angekoppelten Arbeitsraum eintritt, wodurch der Druck in dem Arbeitsraum von dem vorgegebenen Niederdruck auf den (demgegenüber höheren) vorgegebenen Hochdruck steigt. Es kann – wie bereits oben mit Bezug auf die Vorrichtung erläutert – z. B. vorgesehen sein, dass während des Druckaufbautaktes das flüssige Arbeitsfluid derart (schnell) zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dort verdampft wird, dass während des Druckaufbautaktes eine Zunahme des Druckes im Arbeitsraum bis zum Erreichen des vorgegebenen Hochdruckes bei (im Wesentlichen) gleichbleibendem Volumen des Arbeitsraumes erfolgt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass bereits während des Druckaufbautaktes bis zum Erreichen des vorgegebenen Hochdruckes unter entsprechender Bewegung des Arbeitskolbens eine Zunahme des Arbeitsraumvolumens stattfindet.
Das Verfahren weist zudem einen Druckabbauschritt bzw. -takt auf, während dessen mittels der Verdrängervorrichtung des ersten bzw. zweiten Antriebsabschnitts gasförmiges Arbeitsfluid über die Warmseite zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei mittels der Wärmetauschvorrichtung unter Bildung von flüssigem Arbeitsfluid verflüssigt wird bzw. kondensiert, wodurch der Druck in dem Arbeitsraum von dem Hochdruck auf den Niederdruck sinkt. Es kann – wie bereits oben mit Bezug auf die Vorrichtung erläutert – z. B. vorgesehen sein, dass während des Druckabbautaktes das gasförmige Arbeitsfluid derart (schnell) zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dort verflüssigt wird, dass während des Druckabbautaktes eine Abnahme des Druckes im seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum bis zum Erreichen des vorgegebenen Niederdruckes bei (im Wesentlichen) gleichbleibendem Volumen des Arbeitsraumes erfolgt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass bereits während des Druckabbautaktes bis zum Erreichen des vorgegebenen Niederdruckes unter entsprechender Bewegung des Arbeitskolbens eine Abnahme des Arbeitsraumvolumens stattfindet.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren einen nach dem Druckaufbautakt (und vor dem nachfolgenden Druckabbautakt), d. h. nach dem Erreichen des vorgegebenen Hochdruckes bzw. Hochdruck-Wertes im Arbeitsraum, erfolgenden Expansionsschritt bzw. Expansionstakt auf, während dessen von der Verdrängervorrichtung des ersten bzw. zweiten Antriebsabschnitts weiterhin flüssiges Arbeitsfluid derart über die Kaltseite zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei verdampft wird, dass das gasförmige Arbeitsfluid unter Aufrechterhaltung des Hochdruckes in den seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum expandiert und dabei einen in dem Arbeitsraum angeordneten Arbeitskolben unter Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes in die erste Richtung bewegt.
Das Verfahren kann zudem einen nach dem Druckabbautakt (und vor dem nachfolgenden Druckaufbautakt), d. h. nach dem Erreichen des vorgegebenen Niederdruckes bzw. Niederdruck-Wertes im Arbeitsraum, erfolgenden Kontraktionsschritt bzw. Kontraktionstakt aufweisen, während dessen von der Verdrängervorrichtung des ersten bzw. zweiten Antriebsabschnitts weiterhin gasförmiges Arbeitsfluid derart über die Warmseite zu der Kaltseite der Wärmetauscheinrichtung verschoben und dabei verflüssigt wird, dass unter Aufrechterhaltung des Niederdruckes in dem seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum der Arbeitskolben unter Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes in die zweite Richtung bewegt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert; hierbei zeigt schematisch:
1 eine zweidimensionale Darstellung einer Wärmekraftmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
1 veranschaulicht eine 2-Phasen-Verdränger-Wärmekraftmaschine 1 gemäß einer Ausführungsform, wobei die Wärmekraftmaschine 1 mittels eines Arbeitsfluids 3 betrieben wird. Die Wärmekraftmaschine 1 ist als doppeltwirkende Wärmekraftmaschine ausgebildet und weist eine erste Arbeitskammer 5 und eine zweite Arbeitskammer 7 auf. Zudem weist die Wärmekraftmaschine 1 einen Arbeitskolben 9 auf, der bewegbar derart in den Arbeitskammern 5, 7 angeordnet ist, dass er mit seiner ersten Stirnfläche 11 eine Begrenzungsfläche der ersten Arbeitskammer 5 und mit seiner zweiten Stirnfläche 13 eine Begrenzungsfläche der zweiten Arbeitskammer 7 bildet. Der Arbeitskolben 9 ist in die positive und die negative x-Richtung des in 1 dargestellten Koordinatensystems bewegbar.
Die Wärmekraftmaschine 1 weist zudem einen ersten Antriebsabschnitt 17 und einen zweiten Antriebsabschnitt 19 auf. Jeder der Antriebsabschnitte 17, 19 weist eine Verdrängervorrichtung 21 und eine Wärmetauschvorrichtung 23 auf. Jede der Verdrängervorrichtungen 21 weist eine Verdrängerkammer 25 mit einem darin bewegbar angeordneten Verdrängerkolben 27 auf, wobei der Verdrängerkolben 27 mittels eines Antriebs 29 in die positive und die negative y-Richtung des in 1 dargestellten xy-Koordinatensystems bewegbar ist.
Jede der Wärmetauschvorrichtungen 23 besteht aus einer Serienschaltung aus einem Unterkühler 31, einer Verdampfer-Kondensator-Kombinationsvorrichtung 33 und einem Überhitzer 35. Innerhalb eines jeden Antriebsabschnittes 17, 19 ist die Verdrängervorrichtung 21 parallel zu der Wärmetauschvorrichtung 23 geschaltet. Der erste Antriebsabschnitt 17 ist seriell mit dem ersten Arbeitsraum 5 verschaltet und der zweite Antriebsabschnitt 19 ist seriell mit dem zweiten Arbeitsraum 7 verschaltet.
Der mittels der Wärmekraftmaschine 1 durchführbare Kreisprozess besteht aus vier Arbeitstakten und wird im Folgenden anhand eines vollständigen Zyklus des ersten Antriebsabschnittes 17 erläutert, wobei der zweite Antriebsabschnitt 19 analog dazu antizyklisch betrieben wird.
In einem Druckaufbautakt wird mittels der Verdrängervorrichtung 21 durch eine Bewegung des Verdrängerkolbens 27 in die negative y-Richtung ein Teil des flüssigen Arbeitsfluids 3 – das in Form von unterkühltem Kondensat in dem in direkter Fluidverbindung mit dem Unterkühler stehenden Abschnitt 37 der Verdrängerkammer 25 vorliegt (wobei dieser Abschnitt im Folgenden auch als „kalter Raum 37” der Verdrängerkammer 25 bezeichnet wird) – über den Unterkühler 31 in den Verdampfer-Kondensator 33 und den Überhitzer 35 verschoben. Dabei wird das Arbeitsfluid 3 unter Bildung von gasförmigem Arbeitsfluid 3 in dem Verdampfer-Kondensator 33 verdampft und in dem Überhitzer 35 weiter erhitzt. Das gasförmige Arbeitsfluid 3 tritt in die erste Arbeitskammer 5 ein, wodurch der Druck in der Arbeitskammer 5 von einem Niederdruck-Wert bzw. Niederdruck auf einen demgegenüber höheren Hochdruck-Wert bzw. Hochdruck ansteigt.
In einem auf den Druckaufbautakt folgenden Expansionstakt bewegt sich der Arbeitskolben 9 nach dem Druckaufbau aufgrund der Druckzunahme derart, dass sich das Volumen der Arbeitskammer 5 vergrößert (d. h. der Arbeitskolben bewegt sich in die positive x-Richtung, auch als „erste Richtung” bezeichnet). Hierbei leistet das gasförmige Arbeitsfluid 3 Arbeit an dem Arbeitskolben 9. Während des Expansionstaktes wird der Verdrängerkolben 27 mittels des Antriebes 29 derart weiter in die negative y-Richtung bewegt und somit weiterhin flüssiges Arbeitsfluid 3 durch die Wärmetauschvorrichtung 23 hindurch verschoben und dabei verdampft, dass der Hochdruck im Arbeitsraum 5 während des Expansionstaktes erhalten bleibt (d. h. der Druck im Arbeitsraum konstant auf dem Hochdruck-Wert verbleibt).
In einem auf den Expansionstakt folgenden Druckabbautakt wird mittels der Verdrängervorrichtung 21 durch eine Bewegung des Verdrängerkolbens 27 in die positive y-Richtung ein Teil des gasförmigen Arbeitsfluids 3 – das in Form von überhitztem Gas bzw. Dampf in dem in direkter Fluidverbindung mit dem Überhitzer 35 stehenden Abschnitt 39 der Verdrängerkammer 25 vorliegt (wobei dieser Abschnitt im Folgenden auch als „warmer Raum 39” der Verdrängerkammer 25 bezeichnet wird) – über den Überhitzer 35 in den Verdampfer-Kondensator 33 und den Unterkühler 31 verschoben. Dabei wird das Arbeitsfluid 3 unter Bildung von flüssigem Arbeitsfluid 3 in dem Verdampfer-Kondensator 33 verflüssigt bzw. kondensiert und in dem Unterkühler 31 weiter abgekühlt. Aufgrund der Volumenabnahme des Arbeitsfluides 3 beim Übergang von dem gasförmigen in den flüssigen Zustand sinkt der Druck in der ersten Arbeitskammer 5 von dem Hochdruck auf den Niederdruck.
In einem auf den Druckabbautakt folgenden Kontraktionstakt bzw. Kompressionstakt bewegt sich der Arbeitskolben 9 nach dem Druckabbau aufgrund der Druckabnahme derart, dass sich das Volumen der ersten Arbeitskammer 5 verkleinert (d. h. der Arbeitskolben bewegt sich in die negative x-Richtung, auch als „zweite Richtung” bezeichnet). Hierbei leistet der Arbeitskolben 9 Arbeit an dem gasförmigen Arbeitsfluid 3. Während des Kontraktionstaktes wird der Verdrängerkolben 27 mittels des Antriebes 29 derart weiter in die positive y-Richtung bewegt und somit weiterhin gasförmiges Arbeitsfluid 3 durch die Wärmetauschvorrichtung 23 hindurch verschoben und dabei kondensiert, dass der Niederdruck im Arbeitsraum 5 während des Kontraktionstaktes erhalten bleibt (d. h. der Druck im Arbeitsraum konstant auf dem Niederdruck-Wert verbleibt) Die Wärmekraftmaschine 1 wird mittels Einkoppelns von mechanischer Energie an dem Verdränger-Antrieb 29 und thermischer Energie an dem Überhitzer 35 betrieben, wobei die eingekoppelte Energie in mechanische Energie umgesetzt wird und diese am Arbeitskolben 9 ausgekoppelt und mittels des Generators 36 in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Gemäß der Ausführung nach 1 ist der Verdampfer-Kondensator 33 als Regenerator ausgebildet, wobei von dem Regenerator bei der Verflüssigung des von dem Überhitzer 35 zu dem Unterkühler 31 strömenden gasförmigen Arbeitsfluides die dabei anfallende latente Wärme gespeichert wird und im Folgenden an das von dem Unterkühler 31 zu dem Überhitzer 35 strömende flüssige Arbeitsfluid zur Verdampfung desselben abgegeben wird. Der Unterkühler 31 bildet somit die Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung 23, der Überhitzer 35 deren Warmseite.
Der erste Antriebsabschnitt 17 ist an einer Position zwischen der Warmseite bzw. dem Überhitzer 35 und der Verdrängervorrichtung 21 (d. h. an einer Position, die auf der direkten Verbindung zwischen der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung 23 und dem warmen Raum 39 der Verdrängervorrichtung 21 liegt und in unmittelbarer Fluidverbindung mit der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung 23 und dem warmen Raum 39 der Verdrängerkammer 25 steht) seriell an den ersten Arbeitsraum 5 angekoppelt. Insbesondere besteht zwischen dem ersten Arbeitsraum 5 und dem ersten Antriebsabschnitt 17 eine freie Fluidverbindung, d. h. das Arbeitsfluid 3 kann jederzeit ungehindert in beliebiger Richtung zwischen dem Arbeitsraum 5 und dem Antriebsabschnitt 17 verschoben werden. Dies gilt analog für die Ankopplung des zweiten Antriebsabschnittes 19 an den zweiten Arbeitsraum 7. Die Wärmekraftmaschine 1 ist für ein Druckverhältnis des Hochdruckes zu dem Niederdruck zwischen 5:1 und 20:1 und für eine an dem Überhitzer 35 anliegende Temperatur zwischen 100°C und 500°C ausgelegt.
Bezugszeichenliste

1: Wärmekraftmaschine
3: Arbeitsfluid
5: erster Arbeitsraum/erste Arbeitskammer
7: zweiter Arbeitsraum/zweite Arbeitskammer
9: Arbeitskolben
11: erste Stirnfläche des Arbeitskolbens
13: zweite Arbeitsfläche des Arbeitskolbens
17: erster Antriebsabschnitt/erster thermischer Kopf
19: zweiter Antriebsabschnitt/zweiter thermischer Kopf
21: Verdrängervorrichtung
23: Wärmetauschvorrichtung
25: Verdrängerkammer
27: Verdrängerkolben
29: Verdränger-Antrieb
31: Unterkühler
33: Verdampfer-Kondensator-Kombinationsvorrichtung
35: Überhitzer
36: Generator
37: kalter Abschnitt des Verdrängerraums/kalter Raum
39: warmer Abschnitt des Verdrängerraums/warmer Raum

Claims

Wärmekraftmaschine (1) zum Umwandeln von thermischer in mechanische Energie mittels eines Arbeitsfluides (3), aufweisend: – einen ersten und einen zweiten Arbeitsraum (5, 7) mit einem darin bewegbar angeordneten Arbeitskolben (9), der mit seiner ersten Stirnfläche (11) an den ersten Arbeitsraum (5) und mit seiner zweiten Stirnfläche (13) an den zweiten Arbeitsraum (7) grenzt, – einen ersten und einen zweiten Antriebsabschnitt (17, 19) mit jeweils einer Verdrängervorrichtung (21) und einer Wärmetauschvorrichtung (23), wobei die Verdrängervorrichtung (21) parallel zu der Wärmetauschvorrichtung (23) geschaltet ist, und wobei die Wärmetauschvorrichtung (23) eine Warmseite (35) zum Erhitzen des Arbeitsfluides (3) und eine Kaltseite (31) zum Kühlen des Arbeitsfluides (3) aufweist, und – wobei der erste Antriebsabschnitt (17) an einer Position zwischen der Warmseite (35) seiner Wärmetauschvorrichtung (23) und seiner Verdrängervorrichtung (21) seriell mit dem ersten Arbeitsraum (5) und der zweite Antriebsabschnitt (19) an einer Position zwischen der Warmseite (35) seiner Wärmetauschvorrichtung (23) und seiner Verdrängervorrichtung (21) seriell mit dem zweiten Arbeitsraum (7) verschaltet ist, und – wobei sowohl der erste als auch der zweite Antriebsabschnitt (17, 19) derart ausgebildet ist, dass mittels der Verdrängervorrichtung (21) in einem Druckaufbautakt flüssiges Arbeitsfluid (3) über die Kaltseite (31) zu der Warmseite (35) der Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei verdampft und überhitzt wird, wobei der Druck in dem seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum (5, 7) von einem Niederdruck auf einen Hochdruck steigt, und in einem Druckabbautakt gasförmiges Arbeitsfluid (3) über die Warmseite (35) zu der Kaltseite (31) der Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei verflüssigt wird, wobei der Druck in dem seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum (5, 7) von dem Hochdruck auf den Niederdruck sinkt.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei sowohl der erste als auch der zweite Antriebsabschnitt (17, 19) derart ausgebildet ist, dass von der Verdrängervorrichtung (21) – nach dem Druckaufbautakt in einem Expansionstakt weiterhin flüssiges Arbeitsfluid (3) derart über die Kaltseite (31) zu der Warmseite (35) der Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei verdampft wird, dass das gasförmige Arbeitsfluid unter Aufrechterhaltung des Hochdruckes in den seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum (5, 7) expandiert und dabei den Arbeitskolben (9) unter Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes (5, 7) in eine erste Richtung bewegt, und – nach dem Druckabbautakt in einem Kontraktionstakt weiterhin gasförmiges Arbeitsfluid (3) derart über die Warmseite (35) zu der Kaltseite (31) der Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei verflüssigt wird, dass unter Aufrechterhaltung des Niederdruckes in dem seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum (5, 7) der Arbeitskolben (9) unter Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes in eine zweite Richtung bewegt wird.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verdrängervorrichtung (21) einen Verdrängerraum (25) und einen darin bewegbar angeordneten Verdrängerkolben (27) aufweist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wärmetauschvorrichtung (23) in Richtung von ihrer Kaltseite zu ihrer Warmseite hin nacheinander einen Unterkühler (31), eine Verdampfer-Kondensator-Kombinationsvorrichtung (33) und einen Überhitzer (35) aufweist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen dem ersten Arbeitsraum (5) und dem ersten Antriebsabschnitt (17) sowie zwischen dem zweiten Arbeitsraum (7) und dem zweiten Antriebsabschnitt (19) eine freie Fluidverbindung besteht.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmekraftmaschine (1) derart ausgebildet ist, dass das Verhältnis des Hochdrucks zu dem Niederdruck zwischen 5:1 und 20:1 beträgt.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wärmekraftmaschine (1) derart ausgebildet ist, dass die Temperatur an der Warmseite (35) der Wärmetauschvorrichtung (23) einen Wert zwischen 100°C und 500°C aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei unter antizyklischem Betrieb des ersten und des zweiten Antriebsabschnitts sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Antriebsabschnitt (17, 19) – in einem Druckaufbautakt mittels der Verdrängervorrichtung (21) flüssiges Arbeitsfluid (3) über die Kaltseite (31) zu der Warmseite (35) der Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei unter Bildung von gasförmigem Arbeitsfluid (3) verdampft wird, wobei das gasförmige Arbeitsfluid in den seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum (5, 7) eintritt und der Druck in dem Arbeitsraum von dem Niederdruck auf den Hochdruck steigt, und – in einem Druckabbautakt mittels der Verdrängervorrichtung (21) gasförmiges Arbeitsfluid (3) über die Warmseite (35) zu der Kaltseite (31) der Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei unter Bildung von flüssigem Arbeitsfluid verflüssigt wird, wobei der Druck in dem seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum (5, 7) von dem Hochdruck auf den Niederdruck sinkt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Antriebsabschnitt (17, 19) – nach dem Druckaufbautakt in einem Expansionstakt von der Verdrängervorrichtung (21) weiterhin flüssiges Arbeitsfluid (3) derart über die Kaltseite (31) zu der Warmseite (35) der Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei verdampft wird, dass das gasförmige Arbeitsfluid (3) unter Aufrechterhaltung des Hochdruckes in den seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum (5, 7) expandiert und dabei den in dem Arbeitsraum angeordneten Arbeitskolben (9) unter Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes in eine erste Richtung bewegt, und – nach dem Druckabbautakt in einem Kontraktionstakt von der Verdrängervorrichtung (21) weiterhin gasförmiges Arbeitsfluid (3) derart über die Warmseite (35) zu der Kaltseite (31) der Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei verflüssigt wird, dass unter Aufrechterhaltung des Niederdruckes in dem seriell mit dem jeweiligen Antriebsabschnitt verschalteten Arbeitsraum der Arbeitskolben (9) unter Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes in eine zweite Richtung bewegt wird.