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Die Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und bezieht sich somit darauf, wie mit Wärmeenergie mechanische Arbeit verrichtet werden kann.
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Wärmekraftmaschinen werden vorzugsweise zur Stromerzeugung eingesetzt. Zu ihnen gehören unter anderem Dampfkraftmaschinen oder Verbrennungsmotoren sowie dergleichen, bei denen in einem Prozess erzeugte Wärme in mechanische Energie gewandelt wird, um z. B. Strom zu erzeugen, Maschinen oder Kraftfahrzeuge anzutreiben etc..
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Die zuvor genannten Dampfkraft-Maschinen laufen ausnahmslos nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozess in einem thermodynamischen Kreisprozess ab. Dieser Dampfkraftprozess unterliegt in Bezug auf maximalen Wirkungsgrad bekanntlich ebenfalls den Regeln des Carnot-Prozess, hat jedoch den Vorteil großer spezifischer Kreisprozessarbeit gegenüber den Prozessen mit inerten Gasen wie z. B. bei Stirling-Motoren.
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Die Vorteile hoher spezifischer Kreis-Prozessarbeit werden bei bekannten Wärmekraftmaschinen mit Dampfkraftprozess unter Verwendung unterschiedlicher Fluid-Medien wie Wasser, Ethanol, usw. erzielt. Die vorstehend genannten bekannten Dampfkraft-Maschinen arbeiten in der Regel mit externen Einheiten zur Dampferzeugung und Schieber- oder Ventileinheiten zur Dampf-Einleitung sowie Dampf- oder Kondensat-Ausleitung, welche diese Wärmekraftmaschinen im Wirkungsgrad mindern können, zu großen Abmessungen führen und aufwendig in der Herstellung sind.
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Wärmekraftmaschinen mit Dampfkraft-Prozess benötigen zur Realisierung des Clausius-Rankine-Kreisprozess als geschlossener Kreisprozess mindestens eine kalte Zone zur Kondensation des dampfförmigen Arbeitsmedium. Dies wird durch mindestens einen externen Kondensator oder mindestens eine kalte Zonen im Motorinnenraum erreicht. Das kondensierte Arbeitsmedium, meist Wasser, wird dann über eine Speisepumpe oder vergleichbare Mechanismen der meist externen Verdampfungseinheit wieder zugeführt. Die Energie aus Kondensation wird zur Erhöhung des Wirkungsgrad meist zur Vorerwärmung am Kreisprozess beteiligter Medien verwendet.
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Es ist wünschenswert, eine Wärmekraftmaschine bereit zu stellen, die über eine beliebige externe Wärmequelle, also ohne interne Verbrennung und somit Ausstoß klimaschädlicher Gase, mechanische Arbeit verrichten kann. Weiter ist es wünschenswert, eine Wärmekraftmaschine unter Verwendung eines in der Herstellung möglichst kostengünstigen wie auch im Wirkungsgrad möglichst effizienten Motorkonzept bereit zu stellen.
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Es ist ebenfalls wünschenswert, die Wärmekraftmaschine mit geringen Abmessungen und brauchbar hoher Leistungsdichte bereit zu stellen.
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Es ist wünschenswert, zumindest eines der angesprochenen Probleme einer mindestens partiellen Linderung zuzuführen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Neues zur gewerblichen Anwendung einer gattungsgemäßen Wärmekraftmaschine bereitzustellen.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraft-Maschine weist mindestens einen Zylinder und einen in dem Zylinder beweglich geführten Kolben auf. An dem Zylinder oder Zylinderkopf ist mindestens eine warme Zone vorgesehen. Die für den Clausius-Rankine-Kreisprozess notwendige kalte Zone (mindestens eine) liegt außerhalb des Motorraums. Es ist bevorzugt die dem System zuzuführende Wärmeenergie am Zylinderkopf bereit zu stellen. Die Anbringung des Zylinderkopf am Zylinder ist bevorzugt durch eine Materialschicht mit geringem Wärmeleitwert zwischen Zylinder und Zylinderkopf vorgesehen, so dass diese thermisch möglichst voneinander isoliert sind. Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Wärmekraftmaschine mindestens einen Einlass für eine gasförmiges, mindestens einen Auslass für ein dampfförmiges sowie einen Einlass in Form einer Einspritzeinheit für ein flüssiges Arbeitsmedium besitzt. Bevorzugt besitzt die Wärmekraftmaschine ebenfalls einen zweiten Arbeitsraum zur Vorverdichtung sowie mindestens einen Überströmkanal vom zweiten zum ersten Arbeitsraum.
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Vorzugsweise wird die Einspritzeinheit für das flüssige zweite Arbeitsmedium, entgegen bekannter Verfahren der Einspritzung, nicht in den Arbeitsraum mit dem Ziel der Verdampfung durch einen Wärmeübergang von einem ersten komprimierten und erwärmten gasförmigen Arbeitsmittel gerichtet. Primäres Ziel der Einspritzung des flüssigen Arbeitsmedium ist erfindungsgemäß die direkte unter Überdruck durchgeführte flächige Benetzung des Material der warmen Zone. Hierzu wird eine Tropfengröße der Einspritzeinheit oder mehrerer Einspritzeinheiten gewählt, welche das Erreichen des Material der warmen Zone in Tropfenform ermöglicht. Idealerweise wird die Formung des oder der Einspritzstrahl/en so gewählt, dass eine möglichst vollflächige Benetzung der warmen Zone erreicht wird. Der Einspritzzeitpunkt wird idealerweise im Bereich des oberen Totpunkt (OT) des Kolben festgelegt.
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Vorteil dieses Einspritzverfahren ist ein großer Wärmeübergangskoeffizient am Material der warmen Zone, welcher zu extrem schnellen Phasenübergängen, also unmittelbarer Verdampfung des eingespritzten flüssigen Arbeitsmediums an der wärmsten Stelle der Wärmekraftmaschine führt und eine hohe nutzbare Leistungsdichte sowie gesteigerten Wirkungsgrad eben dieser als Vorteil aufweist. Eine weitere Übertragung der im vorverdichteten gasförmigen Arbeitsmedium gespeicherten Wärmeenergie zur möglichen Dampftemperatur-Erhöhung erfolgt während und nach dem Einspritzvorgang. Durch den entstehenden Dampfdruck des Arbeitsmedium kann mit Hilfe des Hubkolbenmotor Arbeit verrichtet werden. Auf den hohen und mit zusätzlichen Reibungsverlusten behafteten Aufwand jeglicher Einlasssteuerungen in Ventil- oder Schiebersteuerungen sowie Kessel mit Überhitzer oder ähnlichen externen Verdampfungseinrichtungen mit gefährlichen Dampfmengen kann bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine somit verzichtet werden.
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Die Expansion des verdampften Arbeitsmedium und daraus resultierende Abwärtsbewegung des Kolben führt zur Freigabe des Auslasskanal für das dampfförmige Arbeitsmedium. Gleichzeitig wird das unterhalb des Kolben eingeschlossene Gas, wie zum Beispiel Luft, vorkomprimiert und das Temperaturniveau entsprechend erhöht. Das noch unter einem Restdruck stehende Arbeitsmedium Dampf beginnt nun aus dem Auslasskanal auszuströmen und wird im weiteren Verlauf der Kolbenbewegung durch Freigabe des Überströmkanal durch den Eintritt des vorkomprimierten gasförmigen Arbeitsmedium weiter aus dem oberen Arbeitsraum gespült, so dass der obere Arbeitsraum zum Abschluss des Spülvorgang idealerweise keinen Dampf sondern zu diesem Zeitpunkt lediglich das gasförmige Arbeitsmedium enthält.
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Vorzugsweise wird zur Wirkungsgradsteigerung die gesamte Leitungslänge der Verbindung zwischen Auslass und Einlass in der Weise dimensioniert, dass bei einer festzulegenden idealen Drehzahl der Wärmekraftmaschine die im Auslasskanal entstehende Druckwelle, unter Berücksichtigung der Laufzeitverzögerung mit ungefähr 340 m/s, mit einer Verzögerung von etwa 130 Grad Kurbelwelle etwa 225 Grad nach OT am Einlass ankommt. Die Drehzahlsteuerung erfolgt idealerweise durch die Steuereinheit des Einspritzsystems, kann aber ersatzweise in Grenzen auch beeinflusst werden durch Reglung der zugeführten Wärmemenge wie auch durch das Bremsmoment eines angekoppelten Stromgenerators. In einem angenommenen Beispiel ist die Leitungslänge zwischen Auslass und Einlass unter Berücksichtigung aller noch genannten Einrichtungen wie z. B. aller Wärmetauscher-Rohrlängen und Anteile Kurbelgehäuse bis zur Unterseite Kolben bei einer beispielsweise angenommenen idealen Drehzahl von 1600 U/min: 1/26,7 [s] × 130°/360° × 340 [m/s] = 4,6 m Zeit/Umdrehung × Winkelanteil × Schallgeschwindigkeit = Verbindunglänge.
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Die somit zeitversetzte Druckwelle des Auslasskanal unterstützt idealerweise unter Ausnutzung ungenutzter Volumenarbeit des dampfförmigen Arbeitsmittel des geschlossenen Kreisprozess die Aufwärtsbewegung des Kolben und somit Komprimierung sowie Temperaturerhöhung des gasförmigen Arbeitsmedium im oberen Arbeitsraum. Idealerweise wird zur besseren Nutzung der Vorverdichtung im Einlassbereich ein Ventil in bekannten Formen wie etwa einem Membran-Einlass verwendet. Eine explizite Ventilsteuerung entfällt hier, da es sich um ein als Rückschlagventil ausgeprägtes Ventil handelt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung wird zur möglichen Anpassung der Dampf- bzw. Gas-Leitungslänge zwischen Ein- und Auslass ein schaltbarer Bypass in Teilen der Verbindung vorgesehen, um unterschiedliche Fest-Drehzahlen effektiv mit hohem Wirkungsgrad nutzen zu können.
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Es ist bevorzugt die Verbindung zwischen Auslass des dampfförmigen sowie Einlass des gasförmigen Arbeitsmedium in der berechneten Länge in der Art auszugestalten, dass sich möglichst geringe Strömungsverluste ergeben und der Querschnitt der idealerweise verwendeten Rohrleitungen stromabwärts proportional zur Reduktion oder Expansion des Dampf- bzw. Gasvolumen im Querschnitt angepasst wird.
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Zur Steigerung des Wirkungsgrad weist die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine stromabwärts des Auslasskanal einen Wärmetauscher zur Vorerwärmung des dem Einlass zuzuführenden gasförmigen Arbeitsmedium auf. Mögliche Kondensat-Ableitungen erfolgen hier in einen Kondensat-Behälter. Im stromabwärts anschließend folgenden Kondensator, welcher idealerweise Bestandteil einer Kraftwärmekopplung (KWK) ist und die kalte Zone im Clausius-Rankine-Kreisprozess darstellt, wird dem Dampf das durch Kondensation zu verflüssigende Arbeitsmedium entnommen und dem erneuten Einspritzvorgang über den Kondensat-Sammelbehälter und anschließender Einspritzpumpe (HDP) wieder zugeführt.
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Eine weitergehende Verbesserung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine kann vorteilhafterweise durch zusätzliche Vorerwärmung des dem Einlass des gasförmigen Arbeitsmedium zugeführten Gas erreicht werden. Es sei hierbei abzuwägen, ob die durch diese Maßnahme erzielte Steigerung des Wirkungsgrades durch Temperaturerhöhung der gasförmigen Medien in beiden Arbeitsräumen im Verhältnis zu den hierdurch verursachten Mehrbelastungen der eingesetzten Materialien und Arbeitsmittel steht. Die Auslegung dieser Maßnahme steht unter anderem in Zusammenhang mit dem zur Verfügung stehenden Temperaturniveau sowie Leistungsangebot der Wärmequelle, den Verdichtungsverhältnissen der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine und den Eigenschaften des gewählten flüssigen Arbeitsmedium gerade in Bezug auf Langzeit-Stabilität sowie etwa der gegebenenfalls in Betracht zu ziehenden Selbst-Entzündungstemperatur der Arbeitsmittel.
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Eine weitergehende wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine kann vorteilhafterweise dadurch erreicht werden, dass die gesamte Wärmekraftmaschine inklusive aller verwendeten Komponenten, beispielsweise mit Steinwolldämm-Material, thermisch isoliert und zugleich schallgedämmt wird.
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Der Vorteil einer solchen Ausführungsform besteht in der signifikanten Reduktion von Wärmeverlusten. Jede Form zugeführter, wie auch durch beispielsweise auftretende Reibungsverluste entstehende Wärmeenergie, wird so auf einfachste Weise wieder der Verwendung durch die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine zur Erhöhung der Temperatur-Niveaus der warmen Zone im Clausius-Rankine-Kreisprozess zugeführt. Dieser Aufbau ermöglicht somit höchste Energie-Effizienz. Ein thermischer Kurzschluss ist durch die nach außerhalb der Wärmekraftmaschine verlegten kalten Zone ebenfalls ausgeschlossen. Abzuwägen sei auch bei dieser Maßnahme der Einfluss auf die verwendeten Materialien und Arbeitsmedien sowie Schmiermittel in Bezug auf die entstehenden Temperatur-Niveaus. Eine gegebenenfalls erforderliche Kühlung von Bestandteilen des Gehäuse der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine führt in diesem Fall ihre Wärmeenergie ebenfalls über zusätzliche Wärmetauscher idealerweise stromabwärts nachgelagert dem Kondensator dem gasförmigen Arbeitsmedium zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrad zu.
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Als zur Verdampfung einzuspritzende Arbeitsmedien werden vorzugsweise Fluide verwendet, welche typischerweise bei der Temperatur der warmen Zone sowie der Temperatur und dem Druck des gasförmigen Arbeitsmittel zum Zeitpunkt des OT des Kolben dampfförmig vorliegen. Hier seien beispielsweise salzfreies Wasser (Leitfähigkeit < 0,2 μS/cm), Ethanol oder Methanol genannt. Es wird einzuschätzen sein, welches Arbeitsmittel für den als Wärmequelle zur Verfügung stehenden Temperaturbereich das geeignete ist. Methanol eignet sich beispielsweise optimal im Bereich niedriger Temperaturniveaus.
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Die Zufuhr der Wärmeenergie zur warmen Zone der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine kann in unterschiedlichen Ausführungen erfolgen. Ziel ist dabei neben hohen Temperaturübergangs-Koeffizienten immer auch ein entsprechend den Temperaturverhältnissen des wärme-liefernden Prozess möglichst hohes Temperatur-Niveau der warmen Zone der Wärmekraftmaschine zu erreichen. Dies kann durch Strahlung oder direkten Kontakt zur Wärmequelle über unterschiedliche Medien erfolgen.
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Dem geschlossenen Kreislauf der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine kann zum flüssigen Arbeitsmedium Schmiermittel beigemischt werden. Es besteht auch die Möglichkeit einen Öl-Sumpf und/oder eine Injektor-Lösung im Einlassbereich zu nutzen.
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Der Grundgedanke einer kostengünstigen, mit wenig bewegten Teilen, auf bestehenden Motorprinzipien beruhenden und mit gewöhnlichen Komponenten des Motorenbau zu realisierenden Wärme-Kraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad und brauchbar hohen Leistungsdichten für den gewerblichen Einsatz kann in allen Ausführungen der vorgeschlagenen Wärmekraftmaschine umgesetzt werden. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine kann vorzugsweise als Hubkolben- oder aber auch Rotationskolben-Motor ausgeprägt und hergestellt werden. Die Kombination der Merkmale kostengünster Aufbau, hoher Wirkungsgrad sowie hohe Leistungsdichte kennzeichnen die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine eignet sich idealerweise für Wärme-Kraft-Kopplung in kleinen wie auch mittelgroßen Anlagen. Beispielsweise seien Mini-Blockheizkraftwerke genannt. Es ist möglich durch Kopplung der Wärmekraftmaschine an einen Stromgenerator elektrische Energie zu erzeugen. Auch eine Adaption an bestehende Kleinfeuerungsanlagen zwecks beispielsweise dezentraler Stromerzeugung bietet sich an. Die hohe Leistungsdichte ermöglicht prinzipiell auch einen mobilen Einsatz.
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Anhand nachfolgender Zeichnung wird die Erfindung an einem dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiel, der Erfindung sowie der beigefügten Zeichnung mit den Ansprüchen.
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1 eine Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung.
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2 eine Anordnung mit einer Wärme-Kraftmaschine der vorliegenden Erfindung.
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3 eine schematische Darstellung der Dampf- und Gasdruckwelle einer Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung.
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Die 1 zeigt in den 1a–1f eine als Hubkolbenmotor ausgebildete erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 1, mit einem Zylinder 26 und einem in dem Zylinder 26 beweglich geführten Kolben 28, der über eine Pleuelstange 9 mit einer Kurbelwelle 23 verbunden ist. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 1 weist einen Zylinderkopf 2 auf, der, isoliert durch ein Isoliermittel 6, thermisch getrennt von der Zylinderwand 26 ist. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 1 setzt eine Volumenänderung eines im Zylinderinneren 5 zwischen dem Kolben 28 und dem Zylinderkopf 2 befindlichen Arbeitsmedium 29 über den axial verschiebbaren Kolben 28 in eine Drehbewegung an der Kurbelwelle 23 um. Die Zuführung extern erzeugter oder beispielweise aus Prozessabwärme zugeführter Energie 3 erfolgt hier am Zylinderkopf 2, welcher die warme Zone im Clausius-Rankine-Kreisprozess darstellt.
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In den Unteransichten 1a bis 1f ist die Wärmekraftmaschine 1 in verschiedenen Kolbenstellungen sowie Volumina und Strömungsverhältnissen des Arbeitsmediums 29 dargestellt. In 1a befindet sich der Kolben 28 in seinem oberen Totpunkt (OT). Im Bereich des oberen Totpunkt wird mit Hilfe der Einspritzeinheit 7 das flüssige Arbeitsmedium 30 in flüssiger Form möglichst vollflächig an das Material der warmen Zone 4 des Zylinderkopf 2 gespritzt. Hierzu wird eine entsprechende Tropfengröße, wie beispielsweise 100–120 μm, bei der Dimensionierung der Einspritzeinheit 7 gewählt, welche gewährleistet, dass das flüssige Arbeits-Medium 30 in noch flüssiger Form das Material der warmen Zone 4 erreicht. Das Einlassventil 10 ist bis zu diesem Zeitpunkt durch Unterdruck im Inneren des Arbeitsraumes 24 relativ zum Druck das gasförmigen Arbeitsmedium 31 in der Einlass-Zuleitung 12 noch geöffnet.
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Durch die direkte Einspritzung des flüssigen Arbeitsmedium 30 an das Material der warmen Zone 4 wird durch den hohen Wärmeübergangskoeffizienten eine entsprechend hohe Energieübertragung vom Zylinderkopf 2 und folglich ein schneller Phasenübergang in Form der Verdampfung des flüssigen Arbeitsmedium 30 oberhalb der Verdampfungstemperatur des flüssigen Arbeitsmedium 30 erreicht. Die Expansion bewirkt eine Druckerhöhung im Zylinderinneren 5 und somit die Abwärtsbewegung des Kolben 28 sowie das Schließen des Einlassventil 10 durch Druckerhöhung auf der Unterseite des Kolben 28. Eine weitere Energieübertragung und somit Dampfdruckerhöhung der Dampfphase 29 im Zylinderinneren 5 erfolgt durch die im gasförmigen Arbeitsmedium 31 mittels Vorerwärmung und Kompression bereits zugeführter Wärmeenergie.
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In der 1b ist die Expansion der Dampfphase 29 des Arbeitsmedium im Zylinderinneren 5 abgebildet, die den Kolben 28 in Richtung der Kurbelwelle bewegt und zuerst den Auslasskanal 28 freigibt. Während dieser Phase findet zeitgleich eine Kompression des gasförmigen Arbeitsmedium 31 im unterhalb des Kolben 28 geschlossenen Arbeitsraum 24 statt. Die Druckwelle der ausströmenden Dampfphase 29 am Auslass 27 beginnt zu diesem Zeitpunkt mit etwa 90 Grad nach OT des Kolben 28.
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In der 1c ist die Stellung des Kolben 28 mit 180 Grad nach OT sowie der freigegebene Überströmkanal 8 mit überströmendem vorverdichtetem gasförmigen Arbeitsmedium 31 dargestellt. Durch das Einströmen des vorverdichteten gasförmigen Arbeitsmedium 31 in das Zylinderinnere 5 der Wärmekraftmaschine 1 wird das dampfförmige Arbeitsmedium 29 unter Überdruck am Auslass 27 ausgeblasen.
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In den 1d–1e ist die durch die Schwungmasse 14 unterstützte Aufwärtsbewegung der Kolben 28 dargestellt. In 1d wird der Verschluss der Überströmkanal 8 und der beginnende Einströmungsvorgang am Einlass 11 dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt ist mit etwa 225 Grad nach dem oberen Totpunkt des Kolben 28 der Auslassvorgang und somit die nutzbare Druckwelle am Auslass 27 als beendet angenommen. In 1e ist der abschließende Verschluss des Auslass 27 und das fortgesetzte Einströmen des gasförmigen Arbeitsmedium 31 am Einlass 11 bei Aufwärtsbewegung des Kolben 28 dargestellt. Das gasförmige Arbeitsmedium 31' im Zylinderinneren 5 nimmt durch den hierbei ausgeführten Komprimierungsvorgang ein höheres Temperaturniveau an.
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In der 1f ist der Abschluss der Aufwärtsbewegung des Kolben 28 und somit des Kompressionsvorgang im Zylinderinneren 5 und des noch einströmendem gasförmigen Arbeitsmedium 31 kurz vor Erreichen des OT des Kolben 28 dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt hat das Temperaturniveau des gasförmigen Arbeitsmedium 31' nahezu sein Maximum erreicht, so dass der Kreisprozess in 1a von Neuem beginnt.
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Die 2 zeigt eine Anordnung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine 1 mit Darstellung der für den geschlossenen Kreisprozess eingesetzten Komponenten. Alle Komponenten können zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Wärmekraftmaschine idealerweise, wie in 2 nicht dargestellt, thermisch beispielsweise mit Dämmung aus Steinwolle isoliert werden. Durch Auslagerung der kalten Zone des Clausius-Rankine-Prozess in Form von Wärmetauscher 22 und Kondensator 19 im Rahmen einer Kraft-Wärme-Kopplung sowie der Ausführung in einem geschlossenen Kreisprozess, ist eine höchst effiziente Nutzung der über die Wärmezufuhr 3 sowie gegebenenfalls über beispielweise zusätzliche Wärmetauscher zugeführter Wärmeenergie möglich. Auf diese Weise wird jegliche im System abgegebene Wärmeenergie oberhalb der Kondensationstemperatur des flüssigen Arbeitsmedium 30 nutzbar gemacht, da thermische Kurzschlüsse konstruktiv ausgeschlossen und thermische Verluste durch eine nahezu komplette Rückführung nutzbarer Abwärme auf ein Minimum reduziert wird. Wird eine Kühlung des Gehäuse der Wärmekraftmaschine 1 aufgrund des Temperaturniveau der Wärme-Kraftmaschine erforderlich, so kann die abgeführte Wärme-Energie ebenfalls über weitere Wärmetauscher dem Einlass 11 wieder zugeführt werden.
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Der in 2 eingesetzte Wärmetauscher 22 wird idealerweise im Gegenstromprinzip ausgeführt und führt die gewonnene Wärmeenergie über die Leitung 12 dem Einlass 11 als gasförmiges Arbeitsmedium 31 der Wärmekraftmaschine zu.
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Der in 2 stromabwärts nach dem Wärmetauscher 22 eingesetzte Kondensator 19 führt die Kondensation des in der Dampfphase des Arbeitsmedium 29 enthaltenen Arbeitsmittel 30 durch und führt dieses über beispielsweise einen Kondensat-Behälter 37 der Hochdruckpumpe (HDP) 16 zu. Ein bereits im Wärmetauscher 22 anfallendes Kondensat wird ebenfalls dem Kondensat-Behälter 37 zugeführt. Die Einspritzung des flüssigen Arbeitsmittel 30 über die Einspritz-Einheit 7 erfolgt beispielsweise gesteuert über einen Hallsensor nahe dem oder wenige Grad vor dem oberen Totpunkt des Kolben 28.
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In der 3 ist die am Auslassschlitz 34, beginnend bei etwa 90 Grad nach OT, entstehende Druckwelle 33 abgebildet. Die Dauer der Druckwelle 33 des am Auslass 27 austretenden dampfförmigen Arbeitsmittel 29 ist konstruktiv durch die Offenzeit des oder der Auslass-Schlitz/e 34 auf 135 Grad Kurbelwelle festgelegt. Die Länge der in 2 dargestellten Verbindungs-Leitungen (25, 20, 21, 12) und aller beispielsweise in Wärmetauschern oder Kondensatoren zu berücksichtigenden Bestandteile bilden die gesamte effektive Rohrlänge der Verbindung 36 des geschlossenen Kreislauf zwischen Auslass 27 und Einlass 11. Die Betriebsdrehzahl der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine wird idealerweise auf eine feste Drehzahl eingestellt. Durch die Länge der Verbindung 36 wird unter Berücksichtigung der definierten Drehzahl sowie der Schallgeschwindigkeit des verwendeten gasförmigen Arbeitsmittel 31 eine Laufzeitverzögerung der Druckwelle 33, 33', 33'' um etwa 130 Grad gewählt. Mit dieser Maßnahme erreicht die Druckwelle 33'' mit Ursprung Auslassschlitz 34 den Einlass 11 bei 220 Grad nach OT des Kolben 28. Wie in 1 des gesamten Arbeitszyklus der Wärmekraftmaschine 1 ist unter 1d der Zeitpunkt des Eintritt der verzögerten Druckwelle 33'' am Einlass 11 dargestellt. Mit der Dauer der Druckwelle 33, 33', 33'' von etwa 135 Grad Kurbelwelle hält diese bis etwa 355 Grad nach OT Kolben 28 am Einlass 11, dargestellt in 1f, an.
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Die in 3 abgebildete zeitverzögerte Rückführung der Druckwelle 33, 33', 33'' unterstützt somit den unter 1d–1f dargestellten Komprimierungsvorgang des zugeführten gasförmigen Arbeitsmedium 31' im Arbeitsraum 5 mit Hilfe der am Auslassschlitz 34 vorhandenen Expansionsarbeit. Die Nutzung dieser Volumenarbeit zur Druckerhöhung am Einlass 11 erhöht signifikant den möglichen Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine 1.
