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Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit einer ersten Kammer, in der ein erster rotierbarer Kolben angeordnet ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Rotationskolbenmotoren als Wärmekraftmaschinen bekannt, die eine erste Kammer mit einem ersten rotierbaren Kolben aufweisen, wobei der erste Kolben mit einer Welle verbunden ist. Ein erstes Fluid wird durch einen ersten Fluideinlass in die erste Kammer eingeleitet und mittels der Drehbewegung des ersten Kolbens verdichtet. Dabei erwärmt sich das erste Fluid. In das verdichtete erste Fluid wird ein zweites Fluid derart eingebracht, dass beide Fluide ein entzündliches Fluidgemisch bilden, das mittels Zündkerzen gezündet wird, die in der Kammer angeordnet sind. Das Fluidgemisch dehnt sich daraufhin aus und treibt den ersten Kolben an. Üblicherweise wird diese Ausgestaltung auch als Wankelmotor bezeichnet.
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Als zweites Fluid werden in den bekannten Ausführungsformen üblicherweise Benzin, Diesel, Kerosin, Ethanol und/oder Biogase verwendet. Bei der Verbrennung dieser Stoffe entstehen Stoffe, die gefährlich für die Umwelt und auch gesundheitsgefährdend sind. Zusätzliche Filteranlagen sind notwendig, bevor das gezündete Fluidgemisch unbedenklich in die Umwelt ausgeleitet werden kann, so dass mit den gängigen Wärmekraftmaschinen ein erhöhter Aufwand an Kosten und Material verbunden ist.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Wärmekraftmaschine zu entwickeln, die die genannten Nachteile beseitigt und die einen geringeren Aufwand an Kosten und Material bedarf.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst mittels einer Wärmekraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieser sieht eine Wärmekraftmaschine vor mit einer ersten Kammer, in der ein erster rotierbarer Kolben angeordnet ist, der mit einer Welle verbunden ist, wobei die erste Kammer einen ersten Fluideinlass für ein erstes Fluid, das durch die Bewegung des ersten Kolbens verdichtbar ist, und einen Zuführkanal mit mindestens einem Einspritzventil für ein zweites Fluid zur Bildung eines Fluidgemisches aus dem zweiten Fluid und dem verdichteten ersten Fluid aufweist, wobei in der ersten Kammer stromab des Zuführkanals mindestens zwei Elektroden angeordnet sind, die mit Gleichspannung beaufschlagbar sind und vom Fluidgemisch umströmbar sind, wobei stromab der Elektroden mindestens ein Zündelement angeordnet ist, mittels dessen das an den Elektroden umgewandelte Fluidgemisch entzündbar ist, wobei die erste Kammer stromab des Zündelements einen ersten Fluidauslass für das gezündete Fluidgemisch aufweist und wobei das zweite Fluid zumindest teilweise aus Wasser oder Wasserdampf besteht.
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Daneben wird die Aufgabe der Erfindung mit einem Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Dieses ist ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine mit einer ersten Kammer, die mit einem in der ersten Kammer rotierbar angeordneten ersten Kolben versehen ist, wobei ein erstes Fluid in der ersten Kammer mittels des ersten Kolbens verdichtet und dabei erwärmt wird, wobei ein zweites Fluid, das zumindest teilweise aus Wasser oder Wasserdampf besteht, in das verdichtete erste Fluid eingebracht wird, so dass sich das zweite Fluid mit dem ersten Fluid zu einem Fluidgemisch vermischt, wobei das Fluidgemisch mittels Elektrolyse derart umgewandelt wird, dass der Wasserstoff des zweiten Fluids im Fluidgemisch frei wird, wobei der frei gewordene Wasserstoff mittels eines Zündelements gezündet wird und die dabei frei werdende Energie den ersten Kolben antreibt.
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Der Begriff ”stromab” bezieht sich im Sinne der Erfindung auf die Drehrichtung des Kolbens, wobei die Fluide ebenfalls in diese Richtung strömen.
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Der Erfindung liegt dabei die Grundüberlegung zugrunde, dass bei der Verwendung von Wasser bzw. Wasserdampf für den Zündvorgang der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine keine umweltschädigenden Gase entstehen und auch die Notwendigkeit für hochwertige Filteranlagen entfällt. Wärmeexperten und Wissenschaftler sehen im Wasserstoff den Energieträger unserer Zukunft, denn er verbrennt zu reinem Wasser, ohne dass dabei die bekannten umweltschädigenden Gase entstehen.
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Die Umwandlung von Wasserdampf zu Wasserstoff ist dabei auch deshalb von Vorteil, weil der Wasserstoff sich üblicherweise nicht an heißen Stellen entzünden kann. Sollte er sich an heißen Stellen doch entzünden, dann gibt es keine unkontrollierte Verpuffung, sondern es gibt einen Druck auf den Kolben, was somit das Drehmoment auf den Kolben erhöht.
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Zur einfachen Umwandlung des Fluidgemischs können die Elektroden als Litzenpaar, insbesondere als Litzenpaar aus Kupfer ausgestaltet sein.
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Erfindungsgemäß kann das zweite Fluid in alternativer Ausgestaltung Wasserstoff sein. In dieser Ausgestaltung besteht keine Notwendigkeit für die Elektrolyse, so dass auf die Elektroden in der ersten Kammer verzichtet werden kann. Diese Ausgestaltung soll ausdrücklich durch die vorliegende Anmeldung mit umfasst sein.
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Vorzugsweise weist das zweite Fluid vor dem Vermischen mit dem ersten Fluid eine Temperatur zwischen 400°C und 1350°C, insbesondere zwischen 850°C und 1050°C auf.
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Für die Umwandlung des Fluidgemischs mittels Elektrolyse wird weniger Energie benötigt, wenn dieses vorher erwärmt wird. Beispielsweise wird bei der Verwendung von Wasser als zweitem Fluid umso weniger Energie für die Elektrolyse benötigt, je warmer das Wasser vorher aufgeheizt wird. Dies trifft auch dann zu, wenn das Wasser infolge der Erwärmung gasförmig ist und als Wasserdampf vorliegt, denn die Umwandlung eines Wassermoleküls in Dampf mittels Elektrolyse benötigt weniger Energie als die Umwandlung von Wassermolekülen in flüssigem Wasser. Steigert man diese sogenannte Betriebstemperatur weiter auf ca. 850°C bis über 1350°C, spalten sich die Wassermoleküle nicht nur durch Elektrolyse, sondern auch durch Thermolyse aufgrund der zugeführten Wärme. Dies wird auch als Hochtemperatur-Elektrolyse bezeichnet.
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Bei weiterer Temperatursteigerung geht der Strombedarf fast gegen Null, die Wassermoleküle wandeln sich dann fast nur noch durch die Wärmezufuhr um. Der Wirkungsgrad der Elektrolyse ist bestimmt durch den Quotienten aus Energieinhalt des erzeugten Wasserstoffs und aufgewendeter elektrischer Energie.
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Um Materialschäden vorzubeugen weist das zweite Fluid vor dem Vermischen mit dem ersten Fluid eine Temperatur zwischen 850°C und 1050°C auf.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Bereich des Zuführkanals der ersten Kammer mindestens eine Beschichtung als Katalysator vorgesehen, um den Wirkungsgrad zur Gewinnung des Wasserstoffs zu steigern. Beispielsweise besteht die Beschichtung aus Gold, Kupfer, seltenen Erden und/oder Marmor.
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Das Einspritzventil ist vorzugsweise steuerbar und mit einem Temperatursensor verbunden, der in der Nähe und stromab des Zuführkanals in der ersten Kammer angeordnet ist. Dadurch ist die Temperatur des ersten Fluids bzw. des Fluidgemischs in der ersten Kammer messbar.
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Höchst vorzugsweise ist eine Dosiervorrichtung vorhanden, die mit dem Einspritzventil zur Steuerung des Einspritzventils und mit dem Temperatursensor verbunden ist. Damit ist das Einspritzventil in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur in der ersten Kammer steuerbar.
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Beispielsweise tragen bei der Verwendung von Wasser bzw. Wasserdampf als zweitem Fluid die aufgeführten Maßnahmen dazu bei, einen hohen Prozentanteil des eingebrachten Wassers bzw. Wasserdampfes mittels Elektrolyse in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen, denn eine erhöhte Temperatur des Wassers bzw. Wasserdampfes bei der Elektrolyse erhöht die Effizienz der Umwandlung. Da die hohen Temperaturen von ca. 1350°C Materialprobleme mit sich bringen, trägt die Dosierung des eingespritzten Wassers bzw. Wasserdampfes dazu bei, die Materialbelastung zu reduzieren, indem die Temperatur des Fluidgemischs auf 850°C bis 1050°C gehalten wird, was durch die temperaturabhängige Regelung mittels Temperatursensor und Dosiereinheit bewerkstelligt wird.
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Ein Generator mit der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine weist eine umweltfreundliche Arbeitsweise und einen reduzierten Aufwand an Kosten und Material auf.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das zweite Fluid vorzugsweise derart umgewandelt, dass der Wasserstoff des zweiten Fluids im Fluidgemisch entzündet wird. Der Wasserstoff verbrennt zu reinem Wasser, ohne dass dabei umweltschädigende Gase entstehen.
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Höchst vorzugsweise unterstützt die Temperatur des zweiten Fluids die Umwandlung des zweiten Fluids. Dabei kann ein zweites Fluid mit einer Temperatur zwischen 400°C und 1350°C verwendet werden, insbesondere mit einer Temperatur zwischen 850°C und 1050°C. In diesem Temperaturbereich wird für die Umwandlung von Wasser bzw. Wasserdampf als zweitem Fluid im Fluidgemisch aufgrund der Temperatur weniger Energie benötigt.
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Die Temperatur des verdichteten ersten Fluids kann gemessen werden, um Kenntnis über die in der Kammer herrschenden Temperaturen zu erhalten.
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Vorzugsweise wird die Menge des zweiten Fluids, die in das verdichtete erste Fluid eingegeben wird, dosiert. Damit ist das Verhältnis zwischen erstem Fluid und zweitem Fluid im sich ausbildenden Fluidgemisch veränderlich. Mittelbar kann damit auch die Temperatur des Fluidgemischs gesteuert werden. Hierzu wird höchst vorzugsweise die Menge des zweiten Fluids, die in das verdichtete erste Fluid eingegeben wird, in Abhängigkeit von der Temperatur des verdichteten ersten Fluids dosiert.
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Im Bereich des Zuführkanals der ersten Kammer kann mindestens eine Beschichtung als Katalysator verwendet werden, um die Umwandlung des zweiten Fluids im Fluidgemisch zu unterstützen. Hierzu kann beispielsweise eine Beschichtung aus Gold und/oder Kupfer und/oder seltenen Erden und/oder Marmor verwendet werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert sind. Dabei zeigen:
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1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in einer ersten Arbeitsphase in einem skizzierten Querschnitt;
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2 die erste Kammer in einer zweiten Arbeitsphase;
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3 die erste Kammer in einer dritten Arbeitsphase;
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4 die erste Kammer in einer vierten Arbeitsphase und
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5 eine schematische Skizze der Zufuhr eines ersten Fluids zur ersten Kammer;
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In 1 ist in einem schematischen Querschnitt der Aufbau einer ersten Kammer 11 in einem ersten Gehäuse 12 einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine 10 skizziert. An einer in 1 gezeigten oberen Oberfläche 13 des ersten Gehäuses 12 ist auf der rechten Seite ein erster Fluideinlass 14 als Bohrung durch das erste Gehäuse 12 angeordnet. Links daneben ist ein erster Fluidauslass 15, ebenfalls als Bohrung durch das erste Gehäuse 12 ausgestaltet, vorgesehen. Entgegengesetzt zum ersten Fluideinlass 14 und zum ersten Fluidauslass 15 an der oberen Oberfläche 13 ist auf einer in 1 gezeigten unteren Oberfläche 16 ein Zuführkanal 17 als Bohrung durch das erste Gehäuse 12 ausgebildet. Im Zuführkanal 17 ist ein Einspritzventil 18 angeordnet. Der erste Fluideinlass 14, der erste Fluidauslass 15 und der Zuführkanal 17 münden jeweils in die zentral im ersten Gehäuse 12 angeordnete erste Kammer 11.
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Gemäß 1 ist an der Innenwandung des ersten Gehäuses 12 links und stromab neben dem Zuführkanal 17 ein Zündelement 21 angeordnet, das in der dargestellten Ausführungsform eine Zündkerze ist und in 1 als Strich skizziert ist. Benachbart zur Zündkerze 21 ist ein Elektrodenpaar 22, in diesem Ausführungsbeispiel ein Litzenpaar aus Kupfer, vorgesehen, das insbesondere mit Gleichstrom beaufschlagbar ist. Im Bereich der Zündkerze 21 und des Litzenpaares 22 ist die Innenwandung des ersten Gehäuses 12 mit einer Beschichtung 23 versehen, die Komponenten von Gold, Kupfer, seltenen Erden und/oder Marmor aufweist und insbesondere als Katalysator dient, worauf weiter unten eingegangen wird. In den 1 bis 5 ist die Beschichtung 23 gestrichelt dargestellt.
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Innerhalb der ersten Kammer 11 ist benachbart zum Litzenpaar 22 ein Temperatursensor 23a vorgesehen, der die Temperatur in dem ihm zugewandten Bereich der ersten Kammer 11 misst. Der Temperatursensor übermittelt die gemessenen Temperaturwerte an eine Dosiereinheit 23b außerhalb der ersten Kammer 11. Die Dosiereinheit 23b ist mit dem Einspritzventil 18 derart verbunden, dass das Einspritzventil 18 mittels der Dosiereinheit 23b steuerbar ist, insbesondere steuerbar in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur mittels des Temperatursensors 23a.
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Innerhalb der ersten Kammer 11 ist ein im Uhrzeigersinn drehbarer, im Querschnitt dreieckförmiger erster Kolben 19 mit konvex geformten Seitenflächen vorgesehen und an einer exzentrisch gelagerten Welle 20 angeordnet. Die Rotationsachse R des ersten Kolbens 19 ist daher räumlich veränderlich. Die erste Kammer 11 ist im Querschnitt der 1 elliptisch ausgeformt, so dass die Ecken des ersten Kolbens 19 stets in Kontakt mit dem ersten Gehäuse 12 sind. Aufgrund der dreieckigen Ausgestaltung des ersten Kolbens 19 in der elliptischen ersten Kammer 11 wird die erste Kammer 11 in drei gegeneinander fluiddicht abgedichtete Bereiche 25, 28, 29 unterteilt.
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Im Sinne der Erfindung bezieht sich der Begriff ”stromab” auf die Drehrichtung des ersten Kolbens.
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Im Folgenden wird ein Arbeitsgang der ersten Kammer 11 mit vier Arbeitsphasen anhand der 1 bis 4 beschrieben: 1 zeigt die erste Arbeitsphase. Die Rotationsachse R des ersten Kolbens 19 ist exzentrisch nach links verschoben, so dass ein erstes Fluid 24, beispielsweise auf 400°C bis 450°C erwärmte Luft, durch den ersten Fluideinlass 14 in den ersten Bereich 25 der ersten Kammer 11 angesaugt wird. Das erste Fluid 24 ist in den 1 bis 4 als punktierte Fläche dargestellt. Das Einspritzventil 18 ist derart geschlossen, dass der Zuführkanal 17 gegenüber der ersten Kammer 11 fluiddicht abgedichtet ist.
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Infolge der weiteren Drehung des ersten Kolbens 19 im Uhrzeigersinn verlagert sich dessen Rotationsachse R nach rechts im Wesentlichen ins Zentrum der ersten Kammer 11, wodurch der erste Bereich 25 mit dem angesaugten ersten Fluid 24 insbesondere gegenüber dem ersten Fluideinlass 14 fluiddicht abgedichtet ist und das Volumen des ersten Fluids 24 durch die Drehbewegung des ersten Kolbens 19 komprimiert wird. Diese zweite Arbeitsphase ist in 2 dargestellt.
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Bei weiterer Drehung des ersten Kolbens 19 wird die Kompression des ersten Fluids 24 so lange fortgesetzt, bis das erste Fluid 24 in der dritten Arbeitsphase eine in 3 gezeigte maximale Kompression aufweist. Das erste Fluid 24 befindet sich demgemäß im ersten Bereich 25 im unteren Teil der ersten Kammer 11, insbesondere im Bereich des Zuführkanals 17, der mit dem bisher noch geschlossenen Einspritzventil 18 versehen ist. Aufgrund der raschen Kompression des ersten Fluids 24 erhöht sich dessen Temperatur auf ca. 1000°C bis 1350°C. Der in 3 aus Übersichtsgründen nicht gezeigte Temperatursensor 23a misst diese Temperatur und übermittelt den Messwert an die ebenfalls in 3 nicht gezeigte Dosiereinheit 23b, die daraufhin das Einspritzventil 18 öffnet, wodurch ein zweites Fluid 26 in das komprimierte Volumen des ersten Fluids 24 im ersten Bereich 25 eingespritzt wird. Das zweite Fluid 26 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel Wasser, insbesondere destilliertes Wasser.
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Durch die mit Gleichstrom beaufschlagten Litzen 22 wird die Umwandlung des Wassers 26 mittels elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff bewirkt (Elektrolyse). Die Temperatur des eingespritzten Wassers 26 im Fluidgemisch 27 unterstützt diesen Vorgang, so dass dieser Vorgang, üblicherweise mit Hochtemperatur-Elektrolyse bezeichnet, wesentlich weniger elektrische Energie erfordert als eine herkömmliche Elektrolyse. Die Beschichtung 23 der ersten Kammer 11 im Bereich des Zuführkanals 17 dient als Katalysator bei der Umwandlung und unterstützt diesen Vorgang zusätzlich, so dass dessen Wirkungsgrad optimiert wird.
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Die Menge des eingespritzten Wassers 26 wird in Abhängigkeit der mittels des Temperatursensors 23a über die Dosiereinheit 23b geregelt. Da bei hohen Temperaturen von über ca. 1350°C die Gefahr von Materialbeschädigungen gegeben ist, trägt die Dosierung des Wassers 26 dazu bei, die Temperatur in einem sicheren Bereich zwischen 850°C und 1350°C zu halten.
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Das erste Fluid 24 bildet mit Wasserstoff aus dem umgewandelten Wasser 26 ein entzündliches Fluidgemisch 27, das nach weiterer Drehung des ersten Kolbens 19 mittels der Zündkerze 21 gezündet wird. Durch die anschließende Zündung mittels der Zündkerze 21 reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff zu Wasser in einer exothermen Reaktion, was zu einer Ausdehnung des gezündeten Fluidgemischs 27 führt, so dass ein Drehmoment auf den ersten Kolben 19 im Uhrzeigersinn wirkt. Der erste Kolben 19 wird angetrieben, wobei sich gleichzeitig das gezündete Fluidgemisch 27 entspannt.
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4 zeigt die vierte Arbeitsphase der Wärmekraftmaschine 10. Die Rotationsachse R des ersten Kolbens 19 ist nach rechts verschoben, so dass der erste Fluidauslass 15 gegenüber dem ersten Bereich 25 freigegeben ist. Somit strömt nach weiterer Drehung des ersten Kolbens 19 das gezündete und sich ausdehnende Fluidgemisch 27 im ersten Bereich 25 durch den ersten Fluidauslass 15 aus der ersten Kammer 11 heraus.
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Durch die dreieckige Ausgestaltung des ersten Kolbens 19 finden die vorstehend beschriebenen Arbeitsphasen für die drei Bereiche 25, 28, 29 gleichzeitig, aber phasenversetzt statt. Beispielsweise wird gemäß 3 die Ansaugphase des zweiten Bereichs 27 eingeleitet, während im ersten Bereich 25 das erste Fluid 24 bereits maximal komprimiert ist.
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5 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Zufuhr von erwärmter Luft als erstes Fluid 24 zum ersten Fluideinlass 14 der Wärmekraftmaschine 10 mit dem ersten Gehäuse 12. Ein Ventilator 30 saugt beispielsweise warme Luft 31 von einem (nicht dargestellten) Motor an und führt diese einem Kühlwassertauscher 32 zu, dessen Abwärme die Luft 31 auf ca. 80°C erwärmt. Danach wird die warme Luft 31 einem Abgaswärmetauscher 33 zugeführt, wodurch die warme Luft 31 auf ca. 400°C bis 450°C weiter aufgeheizt und dann dem ersten Fluideinlass 14 der ersten Kammer 11 zugeführt wird. Danach folgen die bereits beschriebenen Arbeitsphasen gemäß den 1 bis 4.
