DE102017002286A1 - Hydridwärmekraftanlage mit zwei Vorrichtungen zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie Ermöglicht mit einer isochor arbeitenden Arbeitsmaschine, einem Hybridwärmekreislaufprozess und einer isotherm arbeitenden Wärmekraftmaschine. - Google Patents

Hydridwärmekraftanlage mit zwei Vorrichtungen zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie Ermöglicht mit einer isochor arbeitenden Arbeitsmaschine, einem Hybridwärmekreislaufprozess und einer isotherm arbeitenden Wärmekraftmaschine. Download PDF

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Klaus Jürgen Herrmann
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HERRMANN, KLAUS JUERGEN, DE
MOLINARI, MANLIO, IT
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Abstract

Es wird eine Hybridwärmekraftanlage mit zwei Vorrichtungen zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie vorgeschlagen. Ermöglicht durch einen mit einer isochor arbeitenden Arbeitsmaschine und einem Hybridwärmekreislaufprozess, einer isotherm arbeitenden Wärmekraftmaschine. Die Anwendung der Erfindung ermöglicht eine dezentrale Kohlendioxid (CO2) freie Stromerzeugung aus Solarthermischen-Kraftwerken, Sonnenkraftwerken, Windkraftwerken und geothermische Kraftwerken, so auch eine regenerative Stromgewinnung durch Biogasanlagen und der Abwärme aus BHKW-Anlagen (Blockheizkraftwerken). Alle anfallende Abwärme mit Arbeitsprozesstemperaturen von 80°C --> 1000°C können ökologisch und ökonomisch gefahren werden. Als Arbeitsfluide können eingesetzt werden: Luft, Stickstoff, Edelgase und Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie Dämpfe aus Wasser, Ammoniak, synthetische Arbeitsmittel, Kohlenwasserstoffverbindungen und den bekannten umweltfreundlichen Kältemitteln. Die thermischen Zustandsänderungen werden in einem teilgeschlossenen und/ oder in einem geschlossenen Kreislaufprozess geregelt, angetrieben durch eine isochor arbeitenden Arbeitsmaschine wird der Volumenstrom und mit ihm der Wärmestrom Q um bis zum 5fachen Wert aller bekannten Wärmekraftprozesse erhöht.
Die Hybridwärmekraftanlage ersetzt alle bekannten Wärmekraftprozesse, wie ORC-Anlagen, Dampfkraftanlage, Gasturbinenanlagen. Verbrennungskraftmaschinen und Blockheizkraftwerken mit Kopplung von Kraft und Wärme. Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist, dass mindestens zwei Fluide und zwei Zusatzstoffe in einem thermodynamischen Kreislaufprozess gefahren werden, der durch zwei isothermen und zwei isochoren und einer isobaren Zustandsänderung gekennzeichnet ist, dadurch das eine Fluid das Arbeitsmittel, das zweite Fluid ein Heizmedium ist und die Zusatzstoffe als Schmier-, Dicht- und Wärmeüberträgermittel in den inneren Systemen arbeiten.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hybridwärmekraftanlage mit zwei Vorrichtungen zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie.Ermöglicht durch einen Hybridwärmekreislaufprozess mit einer isotherm arbeitenden Wärmekraftmaschinen, einen isobar arbeitenden Wärmesenke (Kühler) und einer isochor arbeitenden Arbeitsmaschine in einem geschlossenen thermodynamischen Kreislaufprozess. Die Arbeitstemperatur liegt von 80°C bis 1000°C, also von Niedertemperaturwärme 80°C bis 200°C bis in die Mitteltemperaturwärme 280°C bis 800°C. In diesen Temperaturbereichen arbeitenden ORC-Anlagen (Organic Rankine Cycle) und über 700°C bis 1200°C Heißgaskraftanlage, die thermische Energie in elektrischen Strom umwandeln. Wobei in der Regel die thermische Energie aus der Abwärme von BHKW-Anlagen, Abwärme aus Industrieprozessen, Biogas-Kraft-Wärmekopplungs-Anlagen, Verbrennungsmotoren und geothermischen Kraftwerken verstromt werden. Nachteilig ist der niedrige elektrische Wirkungsgrad von 9-20% aufgrund des niedrigen Enthalpie-Gefälle, die enorme Baugröße der ORC-Anlage, die hohen Investitionskosten für kleinere Anlagen unter 500kW elektrischer Leistung und der Organic-Rankine-Cycle selbst, durch seine Zustandsänderungen (verdampfen, überhitzen, expandieren, rekuperieren, kondensieren, kühlen und pumpen) für das Arbeitsmittel. Die Nutzarbeit wird nur in der Expansionsmaschine aus dem überhitzten Dampf gewonnen. Die anfallende Abwärme von 80% muss genutzt werden oder diese wird vollständig zur Anergie. Die Anzahl der Systeme im ORC-Prozess erhöht die Summe der Entropieen. Eine kohlendioxidfreie oder -neutrale Stromerzeugung ist nicht wirtschaftlich und ist somit keine Alternative zu den heutigen Wasserdampfkraftwerken. In den öffentlichen und industriellen Strom- und Heizkraftversorgung lohnt sich der Einsatz der Gasturbinenkraftanlagen mit offenem Kreislaufprozess. Durch das Nachschalten von Dampfkraftwerken in den Abgasstrom der Gasturbine oder durch Kopplung von Kraft und Wärme werden die Brennstoffexergie bis zu 70% genutzt. Mehrstufige im offenem Prozess betriebenden Gasturbinenanlagen haben einen elektrischen Wirkungsgrad von 35%. Gasturbinenanlagen mit geschlossenem Kreislaufprozess haben den Vorteil eines besseren Teillastwirkungsgrad durch Veränderung des Druckniveaus und den Betrieb mit beliebigen Gasen wie Stickstoff, Helium und organischen Arbeitsmittel. Diese sind aber nicht wirtschaftlich und werden deshalb auch nicht gebaut. Kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke sind Stand der Technik, haben sehr hohe Investitionskosten und sind für eine dezentrale CO2-freie oder regenerative Stromerzeugung zu teuer, diese Anlagen sind zentrale überregionale Stromversorger mit bis zu 300MW Leistung. Der Kohlendioxidausstoß (CO2) dieser zentralen Kraftwerken trägt erheblich zu Klimaerwärmung bei. Für Kleinstkraftwerken 0,5-50 KW wurden bereits Heißgasmotoren (Stirling-Kraftmaschinenprozess) gebaut. Der theoretische, thermische, hohe Wirkungsgrad, in Annäherung des Carnot-Prozess, konnte in der Praxis von nur 20-25% nicht umgesetzt werden. Es besteht eine optimale Verbrennung: umweltfreundlich mit verschiedenen Brennstoffen. Der Nachteil sind die großen Wärmeaustauschflächen auf kurzer Distanz und kleinem Raum auf der heißen und der kalten Seite. Die Ursache liegt somit insbesondere damit begründet, dass die entsprechende Wärmesenke fehlt und deshalb Kälte- und Wärmebrücken entstehen.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es mittels eines neuen vorteilhaften Kreislaufprozess zur wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Energieerzeugung beizutragen. Insbesondere zur dezentralen kohlendioxidfreien oder regenerativen Stromerzeugung aus der Sonnenwärme durch die Wärmestrahlung, aus der optimalen Oxidation der Katalytischen Verbrennungstechnik mit der Biomasse als Brennstoff. Alle anfallenden Wärmequellen mit einem Temperaturniveau von 80-1000°C zu nutzen und in Strom umzuwandeln.
  • Die Bezeichnung Hybrid wählt der Erfinder, weil mindestens zwei Arbeitsfluide im Kreislaufprozess beteiligt sind. Das Arbeitsmittel im Hybridwärmekreislaufprozess geht nicht in Lösung mit dem Heizmedium Wasser oder einem Thermoöl. Zusätzlich werden Arbeitsstoffe wie Graphitpulver, Siliciumpulver, Aluminiumpulver oder Ammoniak in das Heizmedium gegeben, um somit die Wärmeleitfähigkeit, die Schmier - und Gleitfähigkeit deutlich zu erhöhen, gleichzeitig die Wärmeübergangskoeffizient Alpha, die Wärmedurchgangszahl k erheblich zu verbessern, zusätzlich dienen die Zusatzstoffe auch als Dichtmittel im System.
  • Diese Aufgabe der Erfindung wir durch eine Hybridwärmekreislaufprozess nach Anspruch (1) vorteilhaft mit einer Wärmekraftmaschine 1, die auch als Vorrichtung für den Hybridwärmekreislaufprozess unter 14,15,16,17,18,19,20,21,22 und 23 beschrieben wird. In der Flussschemazeichnung 1,2,3,4,5 und 6 wird der Hybridkreislaufprozess mit seinen Systemen und seiner Funktion dargestellt.
  • Der Hybridkreislaufprozess hat mindestens ein Arbeitsmittel, das als überhizter Dampf oder Gas im Kreislaufprozess geregelt gefahren wird, dazu gemischt über die Mischdüse 16 wird ein flüssiges, überhitztes erstes Heizmedium unter hohem Druck in einen isochor arbeitenden Verdränger 3 geregelt durch das Regelventil 17, durch die Druckleitung 33 in einem vorteilhaftem Bereich der Lavaldüse 15 gefahren. Unter einem Verdichtungsstoß vermischen sich das gasförmige Arbeitsmittel, das flüssige erste Heizmedium und strömen in die Arbeitsräume des beheizten sich drehenden Verdrängers 3. Die Heizräume 13 werden durch ein zweites Heizmedium über den Heizkreislauf 18 mit Wärme aus dem Wärmespeicher 24 versorgt. Der Heizkreislauf 18 besteht aus der Saugleitung 35, der Druckpumpe 11, deren Drehzahl geregelt ist, und dem Verteiler 36 sowie der Druckleitung 37, die das zweite Heizmedium durch die Wärmequelle 25 oder 26 oder 27 oder 103 in den Wärmespeicher 24 fährt über den Wärmetasucher 23. Das zweite Heizmedium können sein: überhiztes Wasser, Thermoöle oder Arbeitsstoffpaare z.B. Wasser/Ammoniak, Wasser/Lithiumbromid-Lösung, Wasser/Natriumchlorid-Lösung. Aus dem isochor arbeitenden Verdränger 3, der von einem Drehzahl geregeltem Elektromotor 19 angetrieben wird, werden das Arbeitsmittel und das Heizmedium mit erhöhtem Druck und Arbeitstemperatur durch die Druckleitung 38 in den isobar arbeitendem Wärmetauscher 9 gefahren. Die Enthalpieerhöhung wird durch die Volumenvergrößerung des Arbeitsmittels über die Druckleitung 39 in den Abscheider 89 gefahren. Im Abscheider 9 werden das überhitzte Dampf/Gasgemisch vom flüssigen Heizmedium und seinen Zusatzstoffen getrennt, und in dem Sumpfbereich 9a abgelagert. Das überhitzte, dampfförmige/gasförmige Arbeitsmittel wird über die Druckleitung 49 durch das Regelventil 20 in die Wärmekraftmaschine 1 gefahren. Das abgetrennte , heiße, flüssige Heizmedium wird über die Druckleitung 41 durch das Regelventil 21 etwa 10° vor dem Todpunkt in den isochoren Arbeitsbereich der Wärmekraftmaschine 1 eingeströmt. In der ersten Arbeitsraum 105 nach dem Todpunkt gibt es wieder eine Vermischung vom ersten Heizmedium und Arbeitsmittel.
  • Um Investitionskosten zu sparen, kann der Hybridwärmekreislaufprozess auch ohne den isobar arbeitenden Wärmetauscher 4 gefahren werden. Die Zustandsänderungen sind in 7 und 8 in einem PV-Arbeitsdiagramm gezeichnet und erklärt, so auch im TS-Diagramm dargestellt. An Stelle des Wärmetauschers 4 kann auch ein ökonomisch, polytrop arbeitender Verdichter 4a mit geringem Druckverhältnis von P2/P1 <= 1,5 gesetzt werden.Da bei allen Arbeitsprozessen sowohl mit isothermer, isentroper als auch polytroper Zustandsänderungen, ist die technische Arbeit, wie auch für die Volumenänderungsarbeit nicht vom Ausgangsdruck P1, sondern vom Druckverhältnis P2/P1 und von der Ausgangstemperatur T1 abhängig. Bei sehr niedrigen Temperaturen der Wärmequelle z.B. Kühlwassertemperaturen von Verbrennungsmotoren gibt es große Wärmeströme, die so verstromt werden können, wenn man die Wärmeströme optimal in einem Kreislaufprozess nutzt. Die Wärmekraftmaschine 1 ist vorteilhaft ein Schwenkkreiskolbenmotor, wie in Schemazeichnung 14 bis 23 vorgeschlagen. Und beschrieben in den Ansprüchen (16), (17) und (18). Es können aber auch andere, bekannte Wärmekraftmaschinen der Bauart Entspannungsmaschinen wie Turbinen, Schraubenexpander und Hubkolbenexpander, wie in der Flussschemazeichnung 3,4 und 5 gezeichnet, eingesetzt werden. Der Hybridwärmekreislaufprozess kann mit einstufiger bis mehrstufigen Entspannungsmaschinen als Wärmekraftanlage gefahren werden. Die Zustandsänderungen während der Expansion des Arbeitsmittel können isentrop, politrop bis isotherm sein. Erreicht wird dies durch die Regelung des Volumenstroms des ersten Heizmediums. Nach der Arbeitsabgabe an die Vorrichtung der Wärmekraftmaschine 1 und den Generator 7 zur Verstromung, wird das entspannte, gasförmige Arbeitsmittel über die düsenförmige Ausgangsleitung 8 in die Abscheider-Kühlanlage 2 gefahren. Das Arbeitsmittel und das Heizmedium werden isobar gekühlt und getrennt. Das flüssige erste Heizmedium setzt sich im unteren Bereich (Sumpf) ab, das gasförmige, sattdampfförmige Arbeitsmittel strömt durch die Lavaldüse 15 über den Druckverteiler 42 in den isochor arbeitenden Verdränger 3. Im konstantem Arbeitsraum erfolgt die thermische Verdichtung isochor V=konstant, die Volumenänderungsarbeit = 0, die technische Arbeit ergibt sich bei V=konstant Wtich=V (p1-p2)= m × Ri × (T2-T1). Über den Drehzahl geregelten Elektromotor 19 kann der Volumenstrom und die thermische Verdichtung durch die Bestimmung der Verweilzeit und somit kann auch der Wärmestrom Q vorteilhaft beeinflusst werden. Q= Alpha × Wärmeaustauschfläche A × Verweilzeit t × Delta t. Die angeforderte Motorwellenleistung Pw= Dichte kg/m3 × Fallbeschleunigung 9,81 (m/s2) × dem Förderstrom (m3/s) × der Förderhöhe Ha (m) / Wirkungsgrad des Verdrängers.
  • Die Wärmesenke erfolgt isobar durch den Wärmetauscher 10. Der Wärmestrom wird im Verbraucher 41 wirtschaftlich genutzt. Durch die flexible Fahrweise polytrop, isotherm oder isentrope Zustandsänderungen fallen auch verschiedene Wärmeströme an, die je nach Bedarf gefahren und genutzt werden können.
  • Der isochor arbeitende Verdränger 3, zum Teil bekannt als Zahnradmotor oder -pumpe, wird über den Heizraum 13 mit einem zweiten Heizmedium durchströmt. Als zweites Heizmedium kommt je nach Temperaturniveau Thermoöl, überhitztes Wasser oder Gase bis in den überkritischen Bereich zur Anwendung. Eine besondere Kennzeichnung ist im Ausschnitt A der in der 12 gezeichnet ist, die Trennwand 43 trennt den Arbeitsraum des Verdrängers 3 von dem Heizraum 13. Die Trennwand 43 übernimmt auch die Funktion der Wärmeaustauschfläche A zwischen dem Arbeitsmittel und dem Heizmedium. Der Wärmedurchgangskoeffizient k W/m2 wird bestimmt durch die Wärmeleitfähigkeit der Werkstoffe und die Oberflächenstruktur der Trennwand 43. Als Werkstoffe ist Kupfer, Aluminium und Graphit in einer Sandwich-Bauweise gewählt mit einer gerippten, rauen Oberfläche, die größer als dem dreifachen einer glatten, zylinderförmigen Oberfläche ist. Der K-Wert liegt bei 3500 bis 4000 W/m2K. Die Trennwand 43 ist mit Stütz- und Versteifungsstegen 45 im Heizraum 13 mit der Außenwand des Verdrängers 3 verbunden. Die Stütz- und Versteifungsstege 45 sind im nahem Bereich der Trennwand 43 mit Bohrungen versehen, sodass eine turbulente Strömung an der Trennwand als Wärmetauschfläche 43 entsteht. Der Arbeitsdruck des zweiten Heizmedium wird dem Arbeitsdruck des Arbeitsmittel im Arbeitsraum des Verdrängers 3 angepasst (pa =ph). Damit ein Heizkreislauf im Heizraum 13 entsteht ist der Druckraum durch den geschlossenen Stütz- und Versteifungssteg 44 vom Saugraum getrennt. Der Wärmeübergangskoeffizient Alpha W/m2K im Arbeitsraum des Verdränger 3 ist aufgrund der günstigen, turbulenten Strömungsbedingungen und der beginnenden Blasenverdampfung mit der vorteilhaften thermodynamischen Eigenschaften des Heizmedium mit 5000 bis 8000 W/m2K sehr effizient, sodass nach der Wärmeaustauschgleichung Qc= k × A × deltat m, kleine , kompakte, isochor arbeitenden Verdränger 3 gebaut werden können. Die Arbeitskolben 46 des Verdränger 3 können gerade, schräg, pfeil evolvent verzahnt sein. Die Verzahnung beeinflusst die Verweilzeit des Arbeitsmittels im Verdränger 3. Bei der Pfeilverzahnung wird das gasförmige Arbeitsmittel mit einem Druckverhältnis von p2/p1 von bis zu 1,4 komprimiert. Die thermische Formel für die zu- und abführende Wärme im isochor arbeitendem Verdränger 3 ist Qich =U2-U1 = m × cvm × (T2-T1), die hier theoretisch mit einem Wirkungsgrad von über 93% in potentielle Energie umgesetzt wird. Aus dem Sumpf des isobar gekühltem und gasdicht gechlossenem Abscheiders 2 wird über die Saugleitung 47 das flüssige , kalte Heizmedium von der Pumpe 48 angesaugt und mit dem entsprechendem Arbeitsdruck,über den Druckverteiler 60, durch die Druckleitung (49) in das 2/3 Wege-Regelventil 12 gefahren oder alternativ das Regelventil 63 in den Wärmetauscher 6 gefahren. Über den elektrischen Regelkreis 28 des Energiemanager 29 wird der Volumenstrom des ersten Heizmediums den Bedarf nach aufgeteilt. Ein Teil des Volumenstroms wird über die Druckleitung 50 in den Wärmetauscher 6 geleitet. Ein anderer Teil des Volumenstroms wird über die Druckleitung 51 in den Wärmespeicher 24 geführt. Der Energiemanager 29 bestimmt die Anteile der vorgenannten Volumenströme.
  • Der Wärmespeicher 24 besteht aus einem oder mehreren zylinderischen wärmeisolierten Behältern, in dem ein kompakter Wärmetauscher 23 den Wärmestrom an das flüssige erste Heizmedium des Verdrängers 3 durch die Druckleitung 54 über den Verteiler 55, der Druckleitung 61 in das 2/3 Wege-Ventil 17 gefahren wird . Das 2/3 Wege-Ventil 17 wird gesteuert über den elektrischen Regelkreis 28 vom Energiemanager 29. Der Volumenstrom aus der Druckleitung 61 und 34 wird im 2/3 Wege-Ventil 17 gemischt und durch die Druckleitung 33 in den isochor arbeitenden Verdränger 3 über die Mischdüse 16 in den vorteilhaften Bereich der Lavaldüse 15 gefahren.
  • Die Druckleitung 34 wird mit dem Wärmestrom aus dem Wärmetauscher 6 über den Verteiler 62 gespeist. Aus dem Verteiler 62 wird ein Teil des Volumenstroms durch die Druckleitung 34 geregelt mit dem Regelventil 31 in das erste geschlossene Arbeitsraum 106 des Schwenkkreiskolbenmotor 1 gefahren. In dem geschlossenen Arbeitsraum 106 findet sofort ein direkter Wärmeaustausch zwischen dem gasförmigen, expandierenden Arbeitsmittel und dem überhitztem, flüssigen erstem Heizmedium statt, sodass sich eine isotherme Zustandsänderung bei der Arbeitsgabe einstellt. Bei einem erhöhten Wärmestrom aus der Wärmequelle 25, 26, 27 und 103 wird der isobar arbeitende Wärmetauscher 4 mit flüssigem, überhitzten erstem Heizmedium aus dem Verteiler (55) über das Regelventil 32 durch die Druckleitung 56 in den isobar arbeitenden Wärmetauscher 4) gefahren. Das gasförmige Arbeitsmittel wird überhitzt und vergrößert sein Volumen bei V/T= konstant , nach der thermischen Zustandsgleichung Wib = m × Ri × (T1-T2). Gleichzeitig wird vorteilhaft der Wärmeübergangskoeffizient Alpha um bis zum 30-fachen gegenüber einem trockenem Wärmeübergang verbessert. Vorteilhaft ist die Führung des abgekühltem Heizmedium aus dem Sumpf des Abscheiders 2 über die Druckpumpe 48, durch die Druckleitung 49 in den Volumenstromverteiler 60. geregelt durch das Regelventil 22 wird das abgekühlte Heizmedium durch die Druckleitung 64 in die erste geschlossene Arbeitsraum 109 der Rückverdichtung des gasförmigen Arbeitsmittels. Mit diesem Verfahrensschritt erfolgt eine isotherme Zustandsänderung des gasförmigen Arbeitsmittels bei der Teilstromrückverdichtung in der Wärmekraftmaschine 1, in dem isochor arbeitendem Bereich, der bei einem Drehwinkel von 280° in dem Arbeitsraum beginnt. Dieser vorteilhafte, beschriebene Verfahr4ensschritt kann nur im vorgeschlagenen Schwenkkreiskolbenmotor 1 gefahren werden (Flussschema 1 und 2). In der Flussschemazeichung 3 wird als Alternative ein zweistufiges Schraubenexpander (66) vorgeschlagen. Hier wird über die Druckleitung 41, geregelt durch das Regelventil (21), der Volumenstrom durch den Verteiler 67 überhitztes, flüssiges Heizmedium als Gemisch mit den Zusatzstoffen in den Expansionsbereich des Schraubenexpander 66 gefahren. Es entsteht gezielt eine isothermische Zustandsänderung durch die Regelung des Volumenstroms mit dem Regelventil 21 können verschiedene Zustandsänderungen, isentrop, politrop bis isotherm nach Bedarf gefahren werden. Der Energiemanager 29 regelt über den elektrischen Regelkreis 28 die Bedarfsvorgaben. Aus dem Sumpf 9a des Abscheiders 9 wird durch die Druckrohrleitung 68 über das Regelventil 69 abgetrenntes, flüssiges erstes Heizmedium über den Verteiler 70 in die Saugrohrleitung 74 gefahren. So wird das flüssige erste Heizmedium wieder zurück in den Kreislaufprozess gefahren. Ein weiterer Verfahrensschritt ist durch die Saugrohrleitung 74 wird das mit Wärme aufgeladene Heizmedium aus dem Wärmespeicher 24 geregelt über das Regelventil 71, durch die Pumpe 72 auf den Arbeitsdruck erhöht, mit der Druckleitung 73 wird das flüssige erste Heizmedium in den Wärmetauscher 6 gefahren. Im Wärmetauscher 6 wird das flüssige erste Heizmedium isobar überhitzt. Die zugeführte Wärme ist gleich der Enthalpieerhöhung des Systems. Qib = H2-H1 = U2-U1 = Qib+Wv ib. Wv ib = m × Ri (T1-T2) . Der Wärmetauscher 6 bildet ein Reaktionsraum mit dem Porenbrenner 5. Die Verbrennungsreaktion des vorgemischten Brennstoff-Luft-Gemisches läuft ohne offene Flamme ab. Die flammenlose, volumetrische Verbrennung ist ein glühender Schaum. Durch diese technologische Entwicklung kann die Leistung in weiteren Bereichen bis um den Faktor 20 moduliert werden. Das Resultat ist ein kompaktes , emissionsarmes Verbrennungssystem mit hoher Leistungsdichte und Energieeffizienz. Durch den Einsatz geeigneter Katalysatoren kann die Verbrennungstemperatur gesenkt werden, die Entstehung von Stickoxiden wird um 98% reduziert und dadurch die für deren Reaktionsenthalpien verbrauchte, erhebliche Wärmeenergie eingespart werden kann und die Energieeffizienz steigt. Es können alle ortsgebundene Biomassen-Brennstoffe verwendet werden. Die neue TA-Luft setzt Schadstoffgrenzwerte für das Abgas aus Verbrennungsmotoren und Gasturbinen fest. Es werden Grenzwerte von Schadstoffen aufgeführt, die bei der flammenlosen, katalytischen Oxidation gar nicht mehr anfallen. z.B. Kohlenwasserstoffe, Formaldehyd und Staubpartikel, Rußzahl. Die Stickoxide von 1000mg/m3 pro Abgas fallen nur noch 15mg/m3 Abgas an. Eine Senkung von 98,5%. Bei CO Kohlenmonoxid von 650mg/m3 Abgas entsteht bei der flammenlosen, katalytischen Oxidation 5mg/m3 Abgas an, also eine Senkung von 99%. Der Porenbrenner 5 fährt nur die Spitzenlast ab oder ist in Betrieb, wenn die Wärmequellen aus den Systemen 24, 25, 26 oder 27, die die Grundlast fahren nicht die erforderlichen Wärmeströme liefern, denn Ziel ist eine kohlendioxidfreie und umweltfreundliche mechanische Energie zur Stromgewinnung zu erreichen. Die mechanische Energie kann natürlich über den Hybridwärmekraftprozess mit seiner Wärmekraftmaschine 1 auch ein Schiff, Lastschiff, Ozeanschiffe, Containerschiffe, aber auch Omnibusse, Lastwagen und Schwerlastmaschinen antreiben. Bei einer kompakten Ausführung von 1m3 Raumbedarf können 500kW Antriebsleistung bereitgestellt werden. Ein elektrischer Antrieb kann das auch, aber das Gewicht und die Kosten der Batterie sind zu hoch. Die hier vorgeschlagene Hybridwärmekraftanlage ist vorteilhafter und vom höheren Stand der Technik. Für die mobile Anwendung ist es auch vorteilhaft einen teilgeschlossenen Kreislaufprozess gemäß den Verfahrensschritten des Flussschemas 5 auszuführen. Die Systemgrenze 30 zwischen Ökologie und Ökonomie ist zum Vorteil der Umwelt zu berücksichtigen. Als Arbeitsmittel wird Luft aus der Umwelt genommen und als Heizmedium Wasser mit dem Zusatzstoff Graphitpulver, das in einem geschlossenen Kreislaufprozess gefahren wird. Eine Arbeitsmaschine als ein- mehrstufigen Verdichter 75 ausgelegt wird angetrieben von einem Elektromotor 77. Der Verdichter 75 wird gekühlt mit dem kaltem Heizmedium, durch den Kreislauf der Druckleitung 78 über das Regelventil 80, gekühlt durch den Rekuperator 79, der den Verbraucher 91 mit einem Wärmestrom versorgt. Das eingespritzte, kalte Heizmedium in den Arbeitsraum des Verdichters und sorgt für eine polytrope bis isotherme Verdichtung des Arbeitsmittel Luft. Das so vorgespannte Arbeitsmittel Luft wird über die Druckleitung 76 nach der Strömungsmechanik in den Abscheider 2 geführt. Aus dem Abscheider 2 wird das vorgespannte Arbeitsmittel durch die Lavaldüse 15 über den Druckverteiler 42, gemischt mit dem unter höheren Arbeitsdruck und mit der erforderlichen Enthalpie im Wärmestrom geladenen ersten Heizmedium aus der Druckleitung 33 durch die Einspritzdüse 16 überhitztes Wasser H2O oder alternative wärmefeste Öle in den äußeren Arbeitsraum 104 des Verdrängers 3 geleitet. Nach der technischen Strömungslehre entsteht bei diesem Arbeitsschritt ein Staudruck von dem 1,3-fachem des Eingangsdruck des Arbeitsmittels.
  • Im Arbeitsraum 104, 104a erfolgt eine isochore Zustandsänderung bei konstantem Volumen nach der thermischen Formel Qich = U2-U1 = m cvm (T2-T1) wird die zugeführte Wärme vollständig zur Erhöhung der inneren Energie des Systems verwendet. Der Arbeitsdruck wird erhöht um den Wert PA = Po (1 + t/273) ohne Volumenänderungsarbeit, das entspricht einer thermischen Kompression. Die technische Arbeit ist Wt ich = m × R1 × (T2-T1).
  • Die Wärme wird zum einem über den Heizraum 13 durch die Trennwand 43 als Wärmetauschfläche wie bereits auf Seite 6 und 16, 17, 18 und 19 für Flussschema 5, 12 beschrieben . Abweichend ist die Werkstoffauswahl für die Sandwichbauweise der Trennwand 43 hin zu warmfesteren Materialien. VA-Stahl, Graphit, Aluminium, denn die wirtschaftlichen Arbeitstemperaturen liegen über 425°C. Das aufgeladene Arbeitsmittel und das Heizmedium werden durch Druckleitung 38 in den Abscheider 9 gefahren. Das nicht in gasform übergangene Heizmedium sammelt sich um Sumpf 9a an und wird durch die Druckleitung 68; geregelt durch das Regelventil 69 über ein Rückschlagventil 90 und den Verteiler 89 in den Wärmetauscher 6 gefahren. Der Wärmetauscher 6 liegt im Reaktorbereich des Porenbrenners 5. Das flüssigen erste Heizmedium wird isobar mit Wärme aufgeladen und verlässt den Wärmetauscher 6 geführt durch Druckleitung 33, durch die Einspritzdüse 16 wird das mit hohem Überdruck mit dem Arbeitsmittel gemischt und über den Druckverteiler 42 entsteht ein Verdichtungsstoß dem 1,3-fachem das Eingangsdruck des Arbeitsmittels. Dieser Strömungsdruck wird sofort von den Kolben in den Arbeitsraum 46 gedrückt, da der Verdränger drehzahlgeregelt über den Motor 19 ist, entsteht ein kontrollierter Strömungsdruck, der so den Verdränger mit einem Teil seiner potentiellen Energie antreibt. Über die Einspeiserohrleitung 92 wird der Porenbrenner 5 mit ein Brennstoff-Luft-Gemisch versorgt. Wenn die Wärmequellen 103 und 180 ausfallen, dann übernimmt der Porenbrenner 5 über den Wärmetauscher 6 durch die Druckleitung (94), geregelt über das Regelventil 21 den Wärmestromkreislauf durch Wärmespeicher 24 das mit Wärme aufgeladene zweite Heizmedium heizt über den Wärmetauscher 23 das Heizmedium des zweiten Wärmekreislaufs 18, 11, 13 durch die Druckleitung 37 in den Verteiler 98 durch die Druckleitung 99 vom Verteiler 100 in den Wärmetauscher 23 geleitet. Die Regelventile 95 und 97 mit der Pumpe 11 regeln über den elektrischen Regelkreis 28 und den Energiemanager 29 wird der Volumenstrom geregelt gefahren. Durch diesen Verfahrensschritt ist das erste Heizmedium das direkt mit dem Arbeitsmittel gefahren wird, getrennt vom zweiten Heizmedium das indirekt das Arbeitsmittel aufgeheizt. Dieser Verfahrensschritt ist auch für alle hier beschriebenen Verfahren nach Flussschema 1,2 und 3 gültig. Aus dem Abscheider 9 wird das mit hohem Druck und Wärme beladene, gasförmige Arbeitsmittel durch Druckleitung 41 geregelt über das Regelventil 21 in den Expansionsraum der Wärmekraftmaschine 66 geleiten. Der ist Wirkungsgrad vom Druckverhältnis P2/P1 und der Ausgangstemperatur abhängig. Die Expansionskraft erzeugt über die Vorrichtungen der Wärmekraftmaschinen wie Kolben, Rotor oder Schaufeln ein Drehmoment an der Welle. Die Welle ist über die Kupplung 101 mit dem Generator 7 mechanisch verbunden. Der Generator 7 erzeugt geregelt über den Regelkreis 28 Strom. Die mechanische Energie kann aber auch direkt an der Kopplung 101 eine Arbeitsmaschine antreiben. Am Ende der letzten Expansionsstufe wird das expandierte Arbeitsmittel die Rohrleitung 87 in den zyklonartigen, gekühlten Abscheider 85 geleitet. Der Lamellenwärmetauscher 86 wird über den Kühlkreislauf aus dem Verbraucher 91 gekühlt. Das flüssige, gekühlte erste Heizmedium wird im Sumpf des Zyklonabscheiders 85 durch die Saugleitung 102, den Verteiler 70 von der Pumpe 72 durch die Druckleitung 73 durch den Verteiler 89 in den Wärmetauscher 6 gefahren. Die Rückschlagklappe 90 verhindert ein Rückstromkurzschluss zum Abscheider 9. das erste Heizmedium wird so wiederverwendet und geschlossen gefahren. Die Abluft wird aus dem Zyklonabscheider 85 über einen Rücklaufleitung 82 zurück zur Verdichtersaugseite durch eine Luftfilter 83, die die gereinigte Abluft in den Verdichter 75 leitet. Zum anfahren der Hybridwärmekraftanlage nach dem Flussschema 5 wird der Verdichter 75 vom Elektromotor 77 angetrieben, das Heizmedium mit direktem Wärmeübergang aus dem Porenbrenner 5, so wie gleichzeitig der Heizkreislauf der Pumpe 72 durch den Verdränger 3, der angetrieben wird vom Motor 17. Die geschlossenen Hybridwärmekraftanlage fährt an über den direkten Heizmediumkreislauf der Pumpe 48 den Porenbrenner 5 und den Verdränger 3 und sein Heizkreislauf über die Pumpe 11. Nach der Aufheizung entsteht automatisch bei vorbestimmter Arbeitstemperatur und Arbeitsdruck ein zeotropisches Dampf oder Gasgemisch. Das zeotropische Gemisch vom ersten Heizmedium und Arbeitsmittel kann bis in den überkritischen Bereich des Arbeitsmittel geregelt gefahren werden. Das erfolgt besonders, wenn als Arbeitsmittel Kohlendioxid CO2 genommen wird. Kohlendioxid, Wasser, Ammoniak aber auch Kohlenwasserstoffe und Luft sind natürliche Arbeitsmittel, da diese Substanzen in der Natur vorkommen. Diese tragen nicht zum Abbau der Ozonschicht bei und haben keinen oder nur geringen direkten Einfluss auf den Treibhauseffekt. Das Arbeitsmittel und das erste Heizmedium können auch zeotropische Gemische bilden mit unterschiedlichen Siedebereichen (Temperaturgilde) und Taupunktbereichen bei konstanten Druck. Im Abscheider 2 der auch als eine Wärmesenke über den Kühler Spiralwärmetauscher 10, der vorteilhaft als Lamellen- oder Plattenwärmetauscher ausgeführt ist, entmischen sich das Arbeitsmittel und das erste Heizmedium. Der Abscheider 2 ist somit auch ein Sammelbehälter für beide Fluide in getrenntem Zustand. Alle angewendeten Arbeitsmittel können auch bis den überkritischen, transkritischen bis in den subkritischen Zustandsbereich gefahren werden. Kennzeichnet ist, dass die Hybridwärmekraftanlage einen Energiespeicher 24 hat in dem zwei Heizmedien gespeichert werden. Beide Heizmedien sind getrennt, wobei der Wärmetauscher 23 den Inneren Wärmekreislauf der vom Wärmestrom 37 der mit Wärme aus den Wärmequellen und Ioder 25, 26 und 27, 103, 180 gespeist wird. Der Wärmetauscher 23 ist vorteilhaft ein Lamellen- oder Plattentauscher 23. Der Wärmespeicher 24 ist durch eine Speicherstrennwand 52 zwischen dem Eingang der Druckleitungen 51, 54, 94 und dem Ausgang 96, 74 sowie 52 strömungsdicht getrennt. Die Lamellen des Wärmetauschers 23 fungieren als Strömungsumlenker und erzeugen eine turbulente Strömung. Durch die verschiedenen Heizkreisläufe können verschiedene Wärmequellen in Reihe oder parallel gefahren werden. Der Speicher 24 wird gefüllt über den Anschluss 93 mit dem zweiten Heizmedium . Das Arbeitsmittel wird gefüllt über den Abscheider 2 mit dem Füllanschluss 81 mit unterschiedlichen thermodynamischen Werten und Verfahrensaufgaben, hier mit Wärmeenergie. Der Energiespeicher 24 speichert Wärmeenergie und sorgt für eine Versorgungssicherheit von mindestens 24 Stunden. Der Bedarf an den Energieerscheinungsformen von Strom, Nutzwärme und thermische Kälte Erzeugung wird geregelt geliefert. Vorteilhaft ist, dass verschiedene Energiequellen (Wärmequellen) 25, 26 und 27 gefahren werden und das auch mit getrennten Heizkreisläufen 37, 18, 51, 54, 35, 33, 59 und mit mindestens zwei verschiedenen thermodynamischen, vorteilhaften Werten gefahren wird. Die Wärmequelle 25 ist das Heiße Abgas und heiße Kühlwasser von 90°C aus den Verbrennungsmotor eines BHKW, aus Abwärmeströme 1000°C aus den Industrieprozessen oder als geothermische Kraftwerke 90-760°C. Ein Platten- oder Lamellenwärmetauscher mit dem Heizkreislauf 37 wird in den Abgas-Wärmestrom gekoppelt und nimmt die Enthalpie des Abgasstroms auf. Als Berechnungsgrundlage wurde ein BHKW von 440 kW mit einem Verbrauch 0,232kg/kWh Palmöl, einer Abgastemperatur von 385°C mit einem Abgasstrom von 0,98 kg/s genommen. Bei einer Arbeitstemperatur von 370°C = T3 Tb= 25°= T1 = 50°C P2 13,2 bar, P1 = 1,2 bar hat der Hybridwärmekraftanlage nach dem Flussschema 1 in einstufiger Ausführung .
    • Thermischer Wirkungsgrad= 1 -Tb/T3 = 1- 298/643 = 54%
    • Exergetischer Wirkungsgrad= T3- T1/T3-Tb = 643- 298 = 93%
    • Arbeitsverhältnis rw= 52%
    • P mechanisch= 141kW
    • Q Wärmestrom= 310kWh
    • thermischer Wirkungsgrad= 48%
    • Gesamtwirkungsgrad der Hybridwärme-Kraftanlage= P mechanisch plus Q Nutzwärme = 141 kW + 125 kW = 264 kW
    • Gesamtwirkungsgrad= 264kW / 310kW = 85% → 15% werden zur Anergie
  • Der mechanische Wirkungsgrad erhöht sich vom 440 kW auf 581 kW, das ist eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit ∼ 32% in der Stromernte. Ein weiterer Vorteil ist die Bedarfsnutzung der Wärme und Kühlung von 125kW, die eine ökologische und ökonomische Wertsteigerung ist, denn nur 15% gehen an die Umwelt als Anergie verloren. Die Hybridwärmekraftanlage ist einer modernen ORC-Anlage weit überlegen in allen Bereichen wie, Investitionskapital, wirtschaftlich und ökologischer Anwendung und Platzbedarf, umweltfreundliche Arbeitsmittel usw.. Prüft man weiter und geht weiter in die technischen, thermodynamischen Details der Wärmekraftanlagen, so ergibt sich folgende sinnvolle Anwendung für die Hybridwärmekraftanlage:
  • Das als Beispiel genannte BHKW mit einem Verbrauch von 232g/kWh Palmöl verbrennt 102 kg/h. Würde nun diese Primärenergie von 10,4 kWh/kg (Ho Heizwert) einer Hybridwärmekraftanlage nach Flussschema 1,2 und 3 mit dem Speicher 24, aber ohne dem Wärmequelle 25, 26, 27 und 103 gefahren, so gibt es mehrere Vorteile. Das Brennstoffgemisch wird über den Anschluss 92 in dem Porenbrenner 5 geleitet. Eine katalytische, entstehende , flammenlose Oxidation gibt Strahlungswärme bei geregeltem 600-850°C an den Wärmetauscher 6 ab. Das Abgas wird über das Abgasrohr 65 mit einer Temperatur von 80-100°C entlassen. Das Abgas besteht aus Stickstoff, Kohlendioxid (neutral) und Wasser. Keine Schadgase, Gifte oder Staub, Aerosole, Formaldehyd sind vorhanden wie beim Verbrennungsmotor (BHKW). Der Vergleich mit einem endothermen Explosionsmotor des BHKW mit dem so wertvollen Nahrungsmittel, ob Palmöl, Rapsöl, Sonnenblumenöl mit dem des katalytischen Porenbrennersystem ist notwendig, damit erkannt wird wie vorteilhaft die Anwendung des Hybridwärmekraftprozesses ist. Die Porenbrennertechnologie erlaubt homogene Temperaturbereiche von 600-1000°C bei einer höheren Leistungsdichte bis 22% mit größerer Dynamik in der Reaktionskinetik, den Einsatz von Biomassen von Gasen mit niedrigem Heizwert wie zum Beispiel Deponiegasen, Schwachgasen, Holzschnitzel, Stroh, Abfallvergasung, Pyrolysegase, Biobrennstoffe aller Art, wie Methanol, Ethanol und Biogase aus der Pflanzenmasse, nicht aus den Früchten der Pflanzen (=Biobrennstoffe der dritten Generation). Der Verbraucher kann ortsgebundene Brennstoffe nutzen und die Aufbereitung, Reinigung sowie die Katalysatoren und Filter entfallen. Das BHKW nutzt aus der Primärenergie von 1060 kWh nur maximal 440 kW mechanische Leistung und 380kW thermische Leistung. Der Hybridwärmekraftprozess 657 kW mechanische Leistung und 218 kW thermische Leistung. Die Energieverwertung steigt um 49%.
  • Die Porenbrennereinheit liefert einen Wärmestrom von 1060kW bei 750°C. Der mittlerer Arbeitsdruck ist 42 bar, der isochor auf 81bar im Kreislaufprozess gefahren wird.
  • Dann gibt es folgende Werte:
    I. Der thermische Wirkungsgrad = 72%
    II. Der exergetische Wirkungsgrad =93%
    III. Das Arbeitsverhältnis rw = 62%
    IV. umweltfreundlich = 100%
    V. mechanische Leistung Pm = 657kW
    VI. thermische Nutzleistung Qn = 218kW
    Gesamtergebnis = 775kW
  • Das BKHW hat eine mechanische Leistung Pm von 440kW plus der nachgeschalteten Hybridwärmekraftanlage Pm= 141 kW, dann ergibt das zusammen eine mechanische Leistung Pm von 581kW. Eine thermische Nutzleistung Q von 125 kW. Das Gesamtergebnis des BKHWs beträgt 666kW.
  • Das BHKW mit dem Verbrennungsmotor kann von der umweltfreundlichen Hybridkraftwärmeanlage abgelöst werden. Das gilt auch für Ozeanlastschiffe, Containerschiffe, Lastschiffe, Lastwagen, Lokomotiven, Reise- und Stadtomnibusse und Arbeitsmaschinen. Die genannten Vorteile werden durch den vorteilhaften Einsatz von den Modulen der Solarthermie 26, Parabolrinnenkollektoren oder auch Sonnenlichtkonzentratoren 27 und den Hybridkollektoren 103 oder einem Windkraftwerk 180 für die stationäre, dezentrale Strom- und thermische Nutzleistung Versorgung weit übertroffen. Damit kann eine 24stündige Eigenversorgung oder eine konstante geregelte Einspeisung von Strom in das Überlandnetz geleitet werden. Alle gesetzlichen Auflagen sind erfüllt. Eine kohlendioxidfreie Stromversorgung ist für das Klima der Erde vorteilhaft und eine Generationspflicht der verantwortlichen Menschen von heute an die Zukunft. Die Anwendung der Photovoltaik, die direkte Wandlung der Sonnenstrahlung in Strom umsetzt , ist nur für eine Leistungsgröße bis maximal 20kW vertretbar. Der Wirkungsgrad von 10-24% ist gegenüber den ökologischen und ökonomischen Nutzen an dem Aufwand an Fläche, Investitionskosten und ohne Speichertechnik problematisch ist. Da nur der Lichtanteil der Sonnenstrahlen in Strom gewandelt wird. Das lässt den Schluss zu, dass im Mittel 60% der erzeugten Wärmeenergie der Sonnenstrahlen an die Umwelt ohne Verwertung verloren geht. Das ist nicht vertretbar → Klimawandel, globale Erwärmung. Dieser Effekt wird noch verstärkt durch schlechter werdenden Wirckungsgrad bei der Erwärmung der Solarzellen. Messungen haben ergeben, dass im Juni die installierte Nennleistung nur zu 71% erreicht wird und weitere 29% an Wärmeleistung verloren geht. Zur Mittagszeit wohin mit der Wärme um die Überhitzung der Module zu vermeiden? Eine Modultemperatur von 140°C-180°C. Der elektrische Wirkungsgrad fällt auf über 57% seines Nennwertes, es entsteht Anergie und das zu der besten Einspeisezeit. Um die aufgeführten Nachteile der Photovoltaikmodule zu vermeiden, gibt es Kombination von Solarzellen auf der Vorderseite und auf der Rückseite Solarthermiekollektoren mit einem Kühlkreislauf, genannt Hybridkollektoren 103. Diese steigern nicht nur den Gesamtwirkungsgrad durch zusätzliche thermische Nutzung durch den Volumenstrom (37) des gekühlten Heizmedium, sondern auch den elektrischen Wirkungsgrad der jetzt gekühlten Solarzellen. Stand der Technik ist 15-20% elektrischer Wirkungsgrad und 50-60% thermischer Wirkungsgrad. Somit ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von 68-78%. Vorteilhaft ist, dass das Heizmedium durch den Wärmetauscher 23, das zweite Heizmedium im Speicher 24 effizient durch eine turbulente Strömung aufheizt und die überschüssige Wärme zur Mittagszeit abspeichert. Über den Volumenstrom der beiden Heizmedien 54 , 18, 61, 34 dann geregelt in die Hybridwärmekraftanlage geleitet wird, und so der Wärmestrom verstromt wird. Ein so geschaltetes Verfahren erhöht den elektrischen Wirkungsgrad auf 55-68% den Gesamtwirkungsgrad auf 75-93%. Ein weiterer Vorteil ist, dass die anfallende Wärme der Hybridkollektoren bis zu 90% genutzt wird. Der größte Vorteil ist, dass die Stromerzeugung kohlendioxidfrei ist und die Anlagen in dezentralen Standorten steht. Die Standzeiten mit im Mittel von 30 Jahren ist von dem Stand der Technik zu bejahen. Eine 20kW elektrische Hybridwärmekraftanlage reduziert die CO2-Emissionen an die Umwelt im Mittel 20kW* 0,6/kWh = 12 kg CO2/h. Hierfür reicht eine Dachfläche von 25m2. In Deutschland rechnet G (=Globalstrahlung) solar = 1070kWh/a*m2. Im Winter wird die Globalstrahlung mit einer diffusen Strahlung 600W/m2 angerechnet. Vom Vorteil ist auch der Einsatz von Flachkollektoren und Vakuum-Röhrenkollektoren 26. In Kombination des Hybridkreislaufprozesses kann die solarthermische Dach-Kollektorfläche größer gewählt werden , asl zur reinen Wärmenutzung. Eine viel größere Kollektorfläche erzeugt mehr Wärme und Strom, dadurch verkürzt sich die Amortisierungszeit. Nach heutigem Stand der Technik darf eine Dachkollektorfläche nur 2m2 bis 8m2 sein was nicht ökologisch und ökonomisch ist. Der optische Wirkungsgrad und die Wärmeverlustbeiwerte werden nach einer europäischen Norm EN12975 beschriebenen Verfahren ermittelt.
    Der Wirkungsgrad bei 120°C für Flachkollektoren = 30%
    Der Wirkungsrad für Vakuumkollektoren = 50%
    Der Wirkungsgrad bei 140°C Flachkollektoren = 20%
    Der Wirkungsgrad bei 140°C für Vakuumkollektoren = 47%
  • Bei einer Prozesstemperatur von 120°C-140°C im Volumenstrom 37 kann der Wärmespeicher 24 mit einem mittlerem Wirkungsgrad von 49% mit Wärmeenergie geladen werden. Der Porenbrenner 5 fährt dann nur noch die Spitzenlast oder zur Regenzeit. Es können auch Prozesstemperaturen bis 230°C gefahren werden, was den elektrischen Wirkungsgrad erhöht oder die Speicherkapazität im Wärmepeicher 24 vergrößert und somit eine bedarfsorientierte Stromversorgung möglich macht. Eine weitere vorteilhafte Anwendung in der Solarstromerzeugung sind die nachgeführten Parabolrinnenkollektorensysteme 103. diese Systeme können Prozesstemperaturen von 165°C bis maximal 450°C bei einem jährlichen Wirkungsgrad von 32-46% gefahren werden. Der Kollektorwirkungsgrad ist bei einer Prozesstemperatur von 200°C, bei 22°C Umgebungstemperatur c.a. 49%. Ein Solarfeld von 100m2 liefert im jahr theoretisch 106.870 kWh thermische Energie bei 200°C Prozesstemperatur erzeugt die Hybridwärmekraftanlage 42.745kWh Strom. Dabei werden keine Emissionen oder Schadstoffe ausgesetzt. Kohlendioxidäqalent ist 42.745 kWh*0,6 CO2 kg/h = 25.647 kg CO2. Der Jahresertrag von 106.879 kWh thermisch entstand bei 1590 Sonnenstunden im Jahr. Der Standort der Anlage ist entscheidend, im genannten Beispiel ist es Graz in Österreich. In Südeuropa werden die Werte noch vorteilhafter sein. Für Hybridwärmekreislaufprozess ist es besonders vorteilhaft ein Schwenkkreiskolbenmotor nach den Schemazeichnungen 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 und 23. Die Arbeitsweise und die thermodynamischen Zustandsänderungen sind in den Diagrammen 7, 8 und 11 dargestellt. Der Schwenkkreiskolbenmotor besteht aus einem zylinderischem Gebäuse 116, einem exentrischen gelagerten Rotor 119 mit der Motorwelle 122 aus zwei Lagerdeckel 118 und ist mit der erforderlichen Anzahl von Schwenkkolben 112 bestückt. Die Schwenkkolben 112 bilden mit der Zylinderbohrung 116 und den Rotor 119 abgeschlossene Arbeitsräume 105 bis 111 nach 14 und 19. Die Rotoraussparung 120 20 und die Kolbenaussparrung 117 17 sorgen für gleichmäßigen Arbeitsdruck auf die Arbeitsflächen 123, 125 und 124. Die Schwenklagerung 115 wird gestützt durch die zylinderische Aussparrung 121, 15 im Rotor und dem zylinderischen Ansatz des Schwenkkolben 112. Geführt wird der Schwenkkolben 112 von dem beidseitigen Führungsstift 114 in der Führungsnhute 113, 14 und 16 im Lagerdeckel 118. Alternativ kann die Führungsnut 113 durch einen geschlossenen Führungsring 126, 23 in dem der Führungsstift 114 gereift und in sich drehend gelagert ist. Besonders vorteilhaft ist das der Führungsring 126, der konzentrisch drehend im Lagerdeckel 118 gelagert und geführt 130 wird, auf der Rückseite die Arbeitsdruckkräfte des Arbeitsmittel nur über den Ringzapfen 127 aufnimmt, der zusätzlich ein geeignetes Schmier- und Dichtmittel in dem Schmierdepof 128 bildet. Das Schmiermittel wird über die Zuführung 131 bei Bedarf ergänzt, 23. Durch die Führung 113 und 130 entfällt die Reibarbeit an der Zylinderwand 116 des anliegenden Kolben 112. Das Heizmedium mit dem Zusatzstoff Graphit bildet einen Schichtartigen Aufbau auf die Zylinderwand 116 der dichtet und selbstschmierend wirkt. Die beidseitigen Führungsstifte 114 und die Führungsnute 113/130 oder der Führungsring 126 sind durch das Schmiermittel und das Graphit ebenfalls gedichtet und geschmiert. Dazu wirkt auf die Führungsstifte 114 nicht die ganze Schubkraft FA sondern nur das Kippmoment der Kraft FN des Kolben 112 mit seiner Lagerung 115 FN= MA / r Kolben / 2 = < 0,25 × FA/ 2 ist. Der Schwenkkreiskolbenmotor 1 nutzt die Energie, die in dem Arbeitsmittel gespeichert ist, um die Schwenkkolben 112 zu beschleunigen. Durch die Anordnung der Kolben- und Rotoraussparung 117 22 und 120 15 wird der Arbeitsraum 105, 106, 107, 108, 109, 110 und 111 mit verschiedenen Arbeitsvolumen gebildet, bedingt durch die exentrische Lagerung des Rotors 119 14, 19. Die Arbeitsfläche 129, bestehend aus 124, 125 und 123, die den Arbeitsdruck gleich dem Expansionsdruck des Arbeitsmittel aufnehmen, bleiben immer glecih groß. Der Expansionsdruck des Arbeitsmittel erzeugt über die Kolbenflächen 129 und 123 und dem Rotorradius des Rotors 119 auf die Motorwelle 122 ein Drehmoment. Dabei ist von Vorteil, dass der Anfangsdruck in den Arbeitsräumen 105 und 106 ein hoher Anfahrtsdrehmoment erzeugt. Ein weiterer Vorteil ist, das nach der Mechanik der Drehmoment ein Produkt der Fläche A, dem Differenzdruck p und dem Hebelarm r ist. Nach der Formel M= A × p × r. A setzt sich aus den Flächen 129 plus der Fläche 123 zusammen. Die Antriebskraft FA= Formel= A129 × p × A 123 × p × sin Alpha- (FR × My × cos alpha) wirkt über die Lagerung 115 des Rotorsradius 119. Bei einem Vergleich mit einem Lamellenmotor Stand der Technik ergibt sich ein um mindestens 20% höherer Drehmoment bei gleichen Abmessungen und ein um 40% größeren Arbeitsbereich der Nennleistung. Die Expansionsenergie (Enthalpie) wird in den Arbeitsräumen 105, 106 und 107 in mechanische Energie gewandelt. Die Zustandsänderung des Arbeitsmittel erfolgt durch Zugabe des überhitzten ersten Heizmedium durch die Druckleitung 34 in den Arbeitsraum 106 isotherm. Ohne Zugabe des ersten Heizmedium erfolgt die Zustandsänderung isentrop. Ist das erste Heizmedium eine Stoffparrung aus Wasser und Ammoniak in Lösung, so erfolgt die Wärmeübertragung an das gasförmige Arbeitsmittel durch Kondensation des Ammoniakdampfes in dem Arbeitsraum 107 und 108, aber im Arbeitsraum 106 wirkt der Dampfdrucks des Arbeitsmittel auf die Kolbenfläche 123 und 129, was eine zusätzliche thermodynamische Leistung erbringt. Der gleiche Ablauf erfolgt mit der Stoffparrung in Lösung von Wasser/ Kohlendioxid. Ist das Arbeitsmittel und das Heizmedium ein Stoff oder ein Gas, so wird über die Druckleitung 34 ein geregelter Anteil im überkritischen Zustand mit Wärmeenergie geladener flüssiger Stickstoff oder flüssiges Kohlendioxid in den Arbeitsraum 106 geleitet bei einer 700 bis 1200fachen Volumenvergrößerung. Es ensteht so zusätzlich ein größerer Arbeitsdruck, der die Rotationsenergie des Schwenkkreiskolbenmotors 1 erhöht die Volumenänderungsarbeit. Im Arbeitsraum 108 verschiebt der Schwenkkolben 112 das Arbeitsmittel und das Heizmedium zu 70% des Volumenstroms durch den düsenförmigen Ausgang 8 bei einem Drehwinkel von 200°C Grad des Rotors 119 in den gekühlten Abscheider 2. Die restlichen 30% des Volumenstroms , ab einem Drehwinkel von 240° Grad, verbleiben im Motorkreislaufsystem und werden verdichtet zurückgeführt. Die Rückverdichtung erfolgt in dem Drehwinkelbereich von 240°Grad bis 300°Grad in den Arbeitsräumen 109 und 110. Über die Druckleitung 64 wird geregelt gekühltes flüssiges erstes Heizmedium in den Arbeitsraum 109 geleitet. Durch diesen Verfahrensschritt erfolgt die Verdichtung im isothermen Zustandsbereich. Durch die Druckleitung 41 wird flüssiges mit Wärmeenergie geladenes erstes Heizmedium in den Arbeitsraum gefahren. Ab dem Drehwinkel 300 Grad bis zum Drehwinkel 50° erfolgt in dem Arbeitsraum 111 die Zustandsänderung des Arbeitsmittel isochor und in dem Arbeitsraum 105 werden der Volumenstrom der Rückverdichtung mit dem Volumenstrom des Eingangs-Druckrohr 40 unter hohem Druck und Temperatur gemischt und es beginnt ein neuer Kreislaufprozess im Schwenkkreiskolbenmotor 1 14, 19, 1 und 2. Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung und Anordnung der Schwenkkolben 112. In die Vorderfläche 124 des Schwenkkolben 112 ist eine zylinderische Bohrung 125 eingearbeitet. Diese Bohrung ermöglicht die isochore thermische Verdichtung und vergrößert die Arbeitsfläche 124 um das 2,4fache einer geraden senkrechten Arbeitsfläche 129. Dazu nimmt die Bohrung 125 mindestens 70% des Massenstromrücklaufs vom Arbeitsmittel auf und dient somit als Energiedepot, diese gespeicherte Energie wird in dem Arbeitsraum 105 freigegeben und erhöht die thermische Energie zum Antrieb des Schwenkkreiskolbenmotors 1. Ein weiterer besonderer Vorteil ist rückwärts gekrümmte Form des Schwenkkolben 112 und dessen Lagerung 115; die bei der Rückverdichtung des Arbeitsmittel nur eine Wellenleistung von Pw = Fr × sin alpha abruft. Das entspricht im Arbeitsbereich 108, 109 und 110 eine Leistungsminderung und entsprechend weniger Arbeitsaufwand von 50% bei gleichem Arbeitsdruck. Auch wird der Gegendruck in den Arbeitsräumen 105 bis 107 um dengleichen Wert gemindert., 14 und 19. Als Werkstoffe für den Schwenkkreiskolbenmotor sollten Werkstoffkombinationen verwendet werden. So wird der Rotor 119 aus Stahl, der Schwenkkolben 112 aus hoch wärmeleitendem Aluminium oder Keramik/Graphit-Mischung; der Führungsstift 114 aus hochfesten gehärteten Stahl; die Führungsnuten 113 verschleißfesten und selbstschmierend Keramik/Graphit-Mischung sowie auch die alternative Ringführung 126 und 130 14, 13, 19, 21 und 26. Der Verdränger 3 ist bekannt in der Anwendungstechnik als Zahnradpumpe, Zahnradmotor. Zwei Stimmräder sind von einem Gehäuse eng passend umgeben, mit einer Saug- und einer Drucköffnung. Zwischen den Rädern berühren sich die Zahnkolben ständig, sodass kein Arbeitsmittel hindurchtreten kann. Die nach außen laufenden Zahnkolben 46 dagegen wirken wie rotierende Kolben und nehmen das gasförmige Arbeitsmittel in den Zahnlücken in Drehrichtung mit. Die Zahnlücken 104a bilden ein konstanten Arbeitsraum 104 zwischen der Trennwand 43 und den Zahnkolben 46. Es erfolgt eine isochore Zustandsänderung bei konstantem Volumen. Die Volumenänderungsarbeit ist Wv ich = 0. Die zu- oder abführende Wärme ist Q=U2 - U1 = m × cv × (T2-T1). Die zugeführte Wärme wird vollständig zur Erhöung die innere Energie des Systems verwendet, die hier theoretisch mit einem Wirkungsgrad von über 98% in potentielle Energie umgesetzt wird. Im Verdränger 3 findet ein Arbeitsprozess statt , bei dem die technische Arbeit Wt ich = V (P2-P1) = m × Ri (T2-T1) bei V= konstant zugeführt über den drezahlgeregelten Motor 19 wird. Dieser Arbeitsprozess wird durch die Verzahnungsform beeinflusst. Wenn man statt einfacher Stirnverzahung eine Pfeilverzahnung verwendet, entstehen mechanische und thermodynamische Vorteile für den Arbeitsprozess. Bei gleicher Zahnradbreite vergrößert sich bei der Pfeilverzahnung mit einem Verzahnungswinkel von 30°<40°Grad das eingeschlossene Volumen um den Faktor 1,2 = Zahnradbreite × sinAlpha 30 × 2 = 1,2 1,3 = Zahnradbreite × sinAlpha 40 × 2 = 1,3 bei einer Umdrehung des Zahnrades. Auch vergrößert sich die Verweilzeit gleich die Dauer des Wärmeübergangs t in Sekunden um den gleichen Faktor nach der thermischen Formel für den Wärmeübergang zwischen festen und gasförmigen Körpern Q= alpha × A × t × delta T, 13. Dazu wird die Pulsation wesentlich verringert die Laufruhe verbessert, es entstehen keine resultierende Axialkräfte, konstante Drehmomentübertragung und erhöhte Lebensdauer. Ein weiterer Vorteil ist gegeben: durch die Pfeilform entsteht beim Verschieben des vorgespannten, gasförmigen Arbeitsmittel auf die Druckseite im Ausgang 38 eine Keilwirkung 13 der Normalkräfte, diese werden zerlegt in FN1 und FN2 nach dem mechanischen Gesetz FN= s/b = F. Bei gleichem Drehmoment erhöht sich der Arbeitsdruck p an dem gleichen Faktor 1,2-1,3 je nach dem Winkel der Pfeilverzähnung bei gleichen Leistungsabruf am Motor 19, 13. Verwendet man den Verdränger 3 als Kraftmaschine 14 , so wird dieser Kompressionsvorgang zu einem Expansionsvorgang. Es wird Arbeit abgegeben 25,26. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Zustandsänderung bei konstanter Temperatur bei p × v = konstant durchgeführt wird. Die thermische Volumenänderungsarbeit Wvith = m × Ri × TIn V1/V2 =P1 × V1 × In P2/P1 Wtith = m × Ri × T × In P2/P1.
  • Dazu kann nach der mechanischen Getriebelehre der Verdränger 3 mit vorteilhaften Übersetzungsverhältnis gebaut werden 24. Als Wärmekraftmaschine 14 kann das antreibende Zahnrad 135 am Motor 19 kleiner ausgelegt werden, dadurch vergrößert sich das angetriebene Zahnrad 136 2 bis 10fachen im Durchmesser und mit ihm der Umfang und somit die Dauer der Wärmeübertragung an das Arbeitsmittel und somit die Erhöhung der inneren Energie Qich = U2-U1. Das antreibende Zahnrad 135 übernimmt nicht nur den Antrieb, sondern wird besonders mit dem ersten Heizmittel und dem Schmiermittelzusatz durch die Druckrohrleitung 137 beaufschlagt, sodass eine Abdichtung zwischen den sich berührenden Zahnräder entsteht 135/136 eine hohe Gleitfähigkeit. Zahnkopfhöhe und Zahnlücke werden mit einem zusätzlichen Freiraum 149 ausgeführt, der die Quetschkräfte aufnimmt, aber auch ein Teil der Wärmeausdehnung der heißen Zahnräder 135/136. 24 Arbeitsmaschine der Verdränger 3 und Wärmekraftmaschine (133) können ihren Aufgaben entsprechend verschiedene Übersetzungsverhältnisse haben und somit optimal an den Arbeitsbedingungen angepasst werden. Besonders vorteilhaft ist der Verfahrensschritt: flüssiges, überhitztes Arbeitsmittel unter Überdruck durch Druckleitung 138 in den Arbeitsraum 104 des Verdrängers 3 in die dritte Zahnlücke 104a 24 und 6 in Drehrichtung des Zahnrades zu leiten, 6. Das flüssige Arbeitsmittel vergrößert sein Volumen nach der thermischen Formel V= m × Ri × T/p, aus 1kg/V2 Stickstoff werden 755 Liter GasN2, aus 1kg Kohlendioxid werden 755 Liter CO2 Gas, aus 1kg Ammoniak NH3 werden 1952 Liter Dampf, aus 1kg Pentan werden 460 Liter Dampf, aus 1kg Wasser H2O werden 1840 Liter Dampf bei 1bar und 127°C Umgebungszustand. Im Arbeitsraum 104/104a des Verdrängers 3 wird nach den thermodynamischen Gesetzen P × V = m × R1 × T, P1/P2 = T1/T2, P/T = konstant = P = m × R1 × T/V. Bei gleichem Arbeitsraumvolumen 104a/104 erhöht sich der Arbeitsdruck durch eine thermodynamische Verdichtung ohne mechanische Arbeit abzurufen. Der Kreislaufprozessdruck Pb erhöht sich durch die thermische Verdichtung, um P1=Pb (1+ t/273) durch isotherme Verdichtung In P1/P2 × Pb, p1 = m × R2T/V1 im Mittel P2 = 2,1fachen von Pb, Pb= Bezugsdruck am Ausgang vom Verdränger 3 in der Druckleitung 38. Ist zum Beispiel das Arbeitsmittel Stickstoff Bezugsdruck pb 20bar × 2,1 = P1 = 42bar, Kohlendioxid pb 40bar × 2,1 = P1 = 84bar, Pentan pb 10bar × 2,1 = P1 = 21bar, Wasser pb 15bar × 2,1 = P1= 31bar.
  • Der mechanische Kraftaufwand durch die Keilwirkung bei der Pfeilverzahnung verringert sich bei der Verschiebung des Arbeitsmittels gemäß 13 - minus FN1=s/b × F , - minus FN2=s/b × F am Druckausgang 38 des Verdrängers 3 , 24,6. Der gleiche Vorgang wiederhalt bei der Pfeilverzahnung am Expansionsausgang 8 der Wärmekraftmaschine 14 nur mit umgekehrten Vorzeichen.
  • Von Vorteil sind die Zahnräder 136 und 135 auf eine Antriebswelle 134 und eine angetriebene Achse 132 in Reihe gesetzt werden können. Schematisch ist das in 25 gezeichnet. Diese Anordnung der Zahnräder kann bei dem Verdränger 3 und auch bei der Wärmekraftmaschine 14 vorgenommen werden. Dadurch sind beide Maschinen kompakter, leistungsstärker. Alle Vorteile der Leistungsübertragung bleiben auch für die zweite Reihe oder auch einer dritten Reihe gültig. Besonders vorteilhaft ist, dass der thermische Kompressionsfaktor in der Warmkraftmaschine 14 bis auf 1,5 steigt P2/P1 = 1,5. Dadurch steigt der mechanische Wirkungsgrad der Hybridwärmekraftanlage auf 62% bei Stickstoff oder Luft, auf 69% bei Kohlendioxid, auf 51% bei Wasser, auf 49% bei Ammoniak/ Wassergemisch. Diese mechanischen Wirkungsgrade werden erreicht, wenn der Erforderliche Wärmestrom im Verbraucher 91 durch einen Rekuperator bis zu 40% zurückgewonnen wird und in den Wärmespeicher 24 gefahren wird, 5 und 6. Die restliche Wärme wird als Nutzwärme verwendet. Wird Kälte angefordert so eignet sich besonders Ammoniak oder Kohlendioxid als Arbeitsmittel, das dann im Verbraucher 91 über ein Expansionsventil entspannt wird. Die Technik im Verbraucher 91 ist Stand der Technik und bekannt als Kältetechnikanlagen. Ein Verfahrensschritt der Rückgewinnung von Wärme und Erzeugung von Kälte zeigt 6. Der gesamte Nutzungsgrad oder auch Wirkungsgrad steigt durch die Anwendung im Verbraucher 91 und durch die Rekuperation der Wärme auf 90%.
  • Die Wärmekraftmaschine 14 und der Verdränger 3 können vom gasförmigen Arbeitsmittel und dem flüssigen ersten Heizmittel waagerecht oder alternativ horizontal angeströmt werden. In 25 und 26 sind die Ein- und Ausströmungsöffnungen schematisch gezeichnet.
  • In 6 ist ein besonders vorteilhafter Verfahrensschritt für die Optimierung des Hybridwärmekreislaufprozess schematisch gezeichnet. Das vorgespannte gasförmige Aerbeitsmittel mit dem Bezugsdruck pb wird im Abscheider 2 durch zwei bis drei Phasentrennböden 160 vom ersten Heizmedium getrennt und durch die Druckleitung 154 in den Rekuperator 155 geleitet. Die rekuperierte Wärme wird in den Verbraucher 91 gefahren. Das vorgekühlte gasförmige Arbeitsmittel wird durch die Druckleitung 157 im Expansionsventil 156 vom Bezugsdruck pb auf 1,5 → 1,05 bar entspannt. Das nun eiskalte (die Zustandsänderung S2-S1= Ri In P2/P1 Wdiss= R1 T In P1/P2) nassdampfförmige Arbeitsmittel wird in den Sammelbehälter 150 verflüssigt. Je nach Zustand des Arbeitsmittels fährt der Verbraucher 91 über die Druckleitung 152 und 153 Wärme oder Kälte durch den thermischen Tauscher 151. Im Sumpf des Sammelbehälters 150 ist das Arbeitsmittel flüssig. Dieser Wechsel des Aggregatzustandes ist abhängig vom eingesetzten Arbeitsmittel z.B. NH3, CO2, H2O, N2 (Stickstoff), HnCn. Über die Rohrleitung 158 drückt die Pumpe 159 das flüssige Arbeitsmittel in den Druckausgleichbehälter 144 und speichert das flüssige Arbeitsmittel ab. Über das 2/3 Wegeventil 148 wird der Verflüssigungsdruck im Sammelbehälter 150 gefahren und über Druckleitung 161 der maximale Arbeitsdruck aus dem System nach dem Wärmetauscher 4 , die Druckleitung 39 in den Druckausgleichbehälter 144. Das abgespeicherte flüssige Arbeitsmittel wird mit dem max. Systemdruck p1 geregelt durch das Regelventil 143, durch die Druckleitung 140 , durch den Wärmetauscher 141 erhitzt, je nach Arbeitsmittel bis in den überkritischen Bereich, durch den Druckverteiler 139 in die Druckleitung 138 geleitet, über die zweite Einspritzdüse 133 direkt in den Arbeitsraum 104a des Verdrängers 3 führt. Hier verdampft das unter den druckstehenden Arbeitsmittel schlagartig isochor an und erzeugt eine thermodynamische Verdichtung ohne mechanische Arbeit abzurufen: p1 = m × Ri × T/V. Der eingespritzte m=Massenstrom wird vom Regelventil 143 und von der Drehzahl des Verdrängers bestimmt. Durch die Verdrängers bestimmt. Durch die Druckleitung 137 wird das Heizmedium mit einer Graphit/ Bromit/H2o/Antifrogen/LiBr Stoffmischung mit hoher durch die zweite Einspritzdüse 133 in den Betriebstemperatur gefahren . Aus dem Drucksammelbehälter 144 wird zusätzlich geregelt über das Regelventil 146 durch die Druckleitung 147 in die Druckleitung 38 vor den Wärmetauscher 4 flüssiges Arbeitsmittel gefahren. Auch steigt der Druck isochor an. Die technische Arbeit des Verdrängers erhöht sich durch die Pfeilverzahnung der Kolben 46 um nur 50% einer isentropen Verdichtung an 13. Der Hybridwärmekreislaufprozess kann besonders vorteilhaft als kompaktes Antirebssystem für den mobilen Einsatz eingewendet werden. Im Blockschema 27 sind die Hauptkomponenten der elektro-mechanischen Vorrichtungen gezeichnet und im Flussschema 6 die thermischen Apparate und Verfahrensschritte aufgeführt. Vorteilhaft ist, dass die Apparate Luft-Gasühler 175, Abscheiderkühlanlage 2, Verdränger 3, Wärmetauscher 4, Wärmetauscher 6, Wärmetauscher 141, Porenbrenner 5, Wärmekraftmaschine 1 oder alternativ 14, 66 oder 88 oder alternativ in anderer Bauart durch das Getriebe 162, über die angetriebene Achse 132, geführt durch den lastgeregelten Freilauf 174 auf das Rad 163 mit einem Drehmoment wirkt. Die Antriebswelle 134 der Kraftmaschine 1, 14 oder 66 treibt ein Drehzahl- und Drehmoment geregelten Keilriemenantrieb 168 an. Bei erreichter optimaler Drehzahl wird auch das optimale Drehmoment für die Kraftmaschine 1, 14, 66 erzielt. In dieser Arbeitsphase übernimmt der Keilriemenantrieb 168 über das Antriebsrad 167 die technische Arbeit Wt des Verdrängers 3 über die elektromechanische Kupplung 166 kann die Wärmekraftmaschine 1, 14, 66 den Generator 7 antreiben. Der erzeugte Strom wird über den Wechselrichter 170 in der Batterie 171 abgespeichert. Vorrangig wird dieser beschriebene Arbeitsschritt bei einer Verzögerung oder Talfahrt eines fahrenden Asutos geregelt durch den Energiemanager 29 vorgenommen. Bei gradliniger Bewegung auf horizontaler Fahrstrecke wird nur der Verdränger 3 von der Kraftmaschine 1, 14, 66 oder andere Bauart angetrieben. Bei Beschleunigung wird der Motor 19 über die Kupplung 166 zugeschaltet. Dadurch ergibt sich eine ökonomische , flexible Fahrweise und dazu die Rückgewinnung der kinetischen Massenkräfte eines verzögernden Autos über die elektrische und thermodynamische Rekuperation des Arbeitsmittel ein Arbeitsvermögen. Das Arbeitsvermögen einer bewegten Masse gleich Energie der Bewegung We= F × m × c2/2 × s, F= m × a, a= (V1-V2)/ t1, m= 1kg × 1m/s2 = 1kg m/s2, F= 1/9,81 × m × a = kg m/s2
  • Das Anfahrtsmoment der Wärmekraftmaschine als Kreiskolbenmotor ist gleich dem Maximalen Drehmoment, dass 50% über dem optimalen Betriebsdrehmoment liegt. Dieses Anfahrmoment liegt bei der ersten Umdrehung der Kraftmaschinen 1, 14 und 66 an. Bei Stillstand eines Autos, arbeitet, geregelt über den Energiemanager 29 nur der Verdränger 3, der Generator 7, die Wärmekraftmaschine über die Antriebswelle 134, die Thermischen-Apparate 2, 91, 155, 141, 144 und 175 laden den Hybridwärmekreislaufprozess mit Arbeitsvermögen über den Porenbrenner 5 mit einem Wärmestrom auf 6 und 27.
  • Die Batterie 171 kann zusätzlich über einen Festnetzanschluss 173 und dem Ladegerät 172 bei einem Stillstand/ Parken des Autos immer wieder aufgeladen werden. Die Freiflächen eines Autos, Autobusses, Schiffes können mit den flexiblen Solar- und Windkraftwerken 103, 26 und 180, 181 belegt werden, sodass über das Ladegerät 172 ebenfalls die Batterie 171 mit Strom geladen wird. Dazu kann der elektrische Motor 19 direkt mit Strom über den Wechselrichter 172 versorgt werden. Die direkte Versorgung mit Strom über den Wechselrichter 172 sollte von einem Windkraftwerk 180 oder vertikalen Windturbinen 181 als Strömungsmaschinen erfolgen. Von Vorteil sind die ausreichenden vorhandenen Freiflächen auf den Dächern von Lastkraftwagen, Reiseomnibussen und auf großen Lastschiffen. Über den Stand der Technik für vertikale Windanlagen, die nicht nur den natürlichen Strömungen des Windes, sondern auch den Fahrtwind eines fahrenden Autos oder Schiffes nutzen und in Nutz- Fahrenergie (Vortrieb) wandern, gibt es technische Beschreibungen aus Lehrbüchern. Vorteilhaft ist, dass die Antriebsachse 132 über den Regelkreis 28, mit einem lastgeregeltem Freilauf 174 zum Rad 163 versehen ist. Der lastgeregelte Freilauf 174 bewegt ein Fahrzeug im Stadtverkehr bei Vo 50km/h auf 100km Wegstrecke 15km Weg, im Überlandverkehr auf horizontaler. Fahrstrecke bei Vo 80 km/h , eine Wegstrecke von 12km. Der Freilauf spart im Mittel 14% Primärenergie ein. Nach der Formel Freilauf= myF × m × g × smax = ½ × m × Vo2. Die Rollstrecke s max = Vo2/2 × g × myF., zum Beispiel die efiziente Rollstrecke ist im Stadtverkehr bei Vo 50km/h 167m pro Fahrzeitintervall. Der Brennstoff wird Tank 165 gelagert über Brennstoffleitung 92 geregelt durch das Regelventil 164 in den Porenbrenner 5 geleitet und über eine innovative Brennstofftechnik, flammenlos oxydiert. Der Porenbrenner könnte auch als Allesbrenner bezeichnet werden. Alle flüssige und gasförmigen Brennstoffe werde in einem kompaktem Verbrennungssystem mit hoher Leistungsdichte und Energieeffizient bei 200facher verweifelt im Brennraum in Exergie gewandelt. Die Kombination Solarkraft- und Windkraftwerk für die Eigenversorgung von Gewerbe- und Industriebetrieben über die Hybridwärmekraftanlage ist ökologisch und ökonomisch. Ein Windpark wird viel wirtschaftlicher und amortesiert, sich 2,5mal schneller, denn nach dem EEG-Eneuerbaren Energie-Einspeisegesetz ist die Einspeisungsvergütung für Biomassenverstromung 11,2 Cent pro kWh für Solarkraftwerke 11,2 Cent kWh. Für Windkraftwerk 5,5 Cent/kWh, dazu kommen die 2,5fachen höhere Vollaststunden von 2000 Stunden auf 5000 Vollaststunden. Mit der Nutzung der Hybridwärmekraftanlage hat der Windpark sein eigenes Schattenkraftwerk und liefert somit verstetigten Strom in das Verbrauchernetz (einschließlich Anfahrstrom, Kurzschluss- und Regelstrom). Ein weiterer Vorteil ist, dass der Eigenbedarf an elektrischer Energie zum Antrieb der Motors 19 und der Druckpumpen 11, 48 oder 7 nur maximal 5% der Energieernte ist. Die Innovation dieser Erfindung ist die vielseitige, flexible Anwendung von verschiedenen Brennstoffen, Arbeitsmitteln und Wärme- und Kälteträgern unter Einbeziehung der Nachaltigkeit, Umweltfreundlichkeit in einer Anlage.
  • Stand der Technik
  • Wärmekraftprozesse mit einem gas- oder dampfförmigen Arbeitsmedium sind bekannt und Stand der Technik. Wärmeenergie wird über eine Wärmekraftmaschine in mechanische Energie gewandelt. Dazu ist ein Dampf- oder Gaskreislaufprozess erforderlichen. Bekannt sind der Carnot- Prozess, als Idealprozess, der Joule-Prozess als Heissgasprozess, oder Joule-Brayton-Prozess, Ackeret-Keller-Prozess, der Ericsion-Prozess, der Stirling-Prozess, der Otto-Vergleichsprozess, der Diesel-Vergleichsprozess, der Seiliger-Prozess, der Clausius-Rankine-Prozess als Dampfprozess oder der Organic-Rankine-Prozess (ORC-Prozess) als Niedertemperatur-Dampfprozess. Die Prozessführung kann als offener Kreislauf-, teilgeschlossener Keislauf oder geschlossenergefahren werden. Bei den offenen Kreislaufprozessen entstehen Emissionen, die die Umwelt und das Klima beeinflussen. Die Emissionen wie Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Aerosole, Stickoxide NOX, Feinstaubpartikel usw. schaden Leben, Fauna und Flora. Die geschlossenen Kreislaufprozesse, wie der Clausius-Rankine-Prozess (Dampfkraftprozess) wird heute zu 90% zur Stromerzeugung genutzt. Die Primärenergieträger sind bis zu 80% endliche fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdgas und Erdöle bei deren Oxidation große Mengen an Kohlendiowid (CO2), Stickoxide und Aerosole in die Umwelt gelangen. Die Nutzung der fossilen Energieträger ist nicht nachhaltig und nicht umweltfreundlich, nicht Generationengerecht. Um den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern sind neben den genannten Vergleichsprozessen weitere Arbeitsprozesse bekannt. Bei geschlossener Prozessführung können verschiedene Arbeitsmittel frei gewählt werden, um somit die Prozesstemperatur zu senken, sodass Geothermische-kraftwerke oder Solare-Kraftwerke zur Stromerzeugung genutzt werden können. Das gilt auch aus dem Stand der Technik für teilgeschlossene Kreislaufprozesse, die dem ein Teil des Arbeitsmittels in die Umwelt entlassen wird un der zweite teil wieder dem Arbeitskreislaufprozess zurückgeführt wird. Aus der internationalen Patentschrift WO 03I/ 076 769 A1 ist ein „Closed-STiG“-Prozess bekannt. Einem gasförmigen vorgespanntem Arbeitsmittel wird Dampf beigemischt, das entstandene Gemisch wird gemeinsam erhitzt und in einer Entspannungsmaschine unter Abgabe technischer Arbeit entspannt. Nach der Arbeitsabgabe wird der Dampf auskondensiert und das Kondensat aus dem Gasstrom abgetrennt. Beide Prozessarbeitsmittel werden komplett von einander getrennt. Zur erneuten Dampferzeugung dient ein Abhitzedampferzeuger der aus dem Abgas der Entspannungsmaschine, das abgetrennte flüssige Arbeitsmittel erneut als dampfförmiges Arbeitsmittel in den Kreislaufprozess rückführt. Mit diesem Verfahrensschritt wird der Gesamtwirkingsgrad erhöht. Bei einem geschlossenem Kreislauf kann das Arbeitsmittel frei gewählt werden, da es nicht in die Umwelt entlassen wird.
  • Zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines geschlossenen Dampfkreislaufprozess einer Dampfturbinenanlage wird in der US-Patentschrift US 5 444 981 vorgeschlagen, ein im Anfangszustand flüssiges Arbeitsmittel vor oder während der Erhitzung ein weiteres gasförmiges Arbeitsmittel bei Zumischen, den beiden Prozess-Arbeitsmitteln Wärme zuzuführen, dann gemeinsam in einer Entspannungsmaschine arbeitsleistend zu entspannen und anschließend über einen Kondensator wieder von einander zu trennen. Das zugemischte gasförmige Arbeitsmittel soll gemäß der dort offenbarte Lehre maximal ein geringeres Molekulargewicht aufweisen, als das flüssige Arbeitsmittel. Bei den Gemischen als Arbeitsmittel kann es bei Dampfturbinenprozessen zu Tropfenbildung in dem Entspannungsraum der Turbine kommen und die sich sehr schnell drehenden Rotorschaufeln zerstören.
  • In der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 55 202 A1 wird vorgeschlagen, das Prozessarbeitsmittel eines Dampfprozessen an einer vorbestimmten Stelle aus dem Kreislaufprozess abzuführen, zu kondensierenn, aufzubereiten, um das abgekühlte Kondensat anschließend an einer oder mehrer Stellen des Arbeitskreislaufeprozesses erneut zu Kühlzwecken wieder zuzuführen. Dieser Verfahrensschritt bietet die Möglichkeit, den Kreislaufprozess als einen geschlossenen prozess auszuführen. Das als Kühlmedium verwendete Prozessarbeitsmittel wird über einen Teil des Arbeitsprozesses dem Arbeitskreislaufprozess entzogen und trägt somit nur teilweise zur mechanischen Energiegewinnung bei.
  • In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005047569 A1 wird ein Wärmekraftprozess und Hybridturbinenanlage vorgeschlagen. Der Wärmekraftprozess umfasst einen ersten Fluidkreislauf, sowie einen zweiten Fluidkreislauf. Der erste Fluidkreislauf umfasst ein erstes Prozessfluid, das in einem Ausgangszustand gasförmig ist, zu verdichten und nachgängig der Verdichtung arbeitsleistend zu entspannen, wobei das erste Prozessfluid keinen Phasenwechsel durchläuft. Der zweite Fluidkreislauf umfasst ein zweites Prozessfluid vorgängig der Entspannung zuzumischen und das zweite Prozessfluid zusammen mit dem ersten Prozessfluid arbeitsleistend zu entspannen. Es wird ausschließlich dem zweiten Prozessfluid Wärme zugeführt. Ausschließlich wird das flüssige, zweite Prozessfluid erwärmt und verdampft. Das erste Prozessfluid wird verdichtet und vermischt mit dem verdichtem zweiten Prozessfluid und in einer Vorrichtung Hybridturbinenanlage arbeitsleistend entspannt. Es wird ein Joule-Prozess in Reihe geschlatet gefahren. Beide Prozesse ergänzen sich, aber Gesamtwirkungsgrad wird durch die isentrope Verdichtung des ersten Prozessfluid und dem Verdampfen des zweiten Prozessfluid gemischt und in der Hybridturbinenanlage Polytrope entspannt. Der Arbeitsprozess ist nach der Lehre der Thermodynamik nicht ideal und hat Abweichungen. Durch die Dessipation in den Maschinen treten beim Joule-Prozess größere Abweichungen von den Isentropen auf: die Entropie steigt bei der Kompression und Expansion, wegen der reibungsbehafteten Strömung in den Wärmeträger erfolgt die Wärmeübertragung nicht isobar, sondern bei leicht fallenden Druck.
  • In der deutschen Offenlegungschrift DE 10 201000 3537 A1 wird eine Wärmekraftanlage vorgeschlagen, wo das Arbeitsgas, insbesondere Luft von einem Verdichter vorgespannt wird, über eine Druckgasregelung wird der Verdichter von einer Arbeitsmaschine angetrieben, wobei ein Gaserhitzer das Arbeitsgas mit Wärmeenergie aufheizt. Durch eine Druckregelung und zweiter Leistungsführung arbeitet die Wärmekraftanlage mit dem Verdichter, des Gaserhitzer, der Arbeitsmaschine und dem Gaskühler in einem geschlossenen Joule-Kreislaufprozess. Nachteilig ist, dass der Joul-Kreislaufprozess nur ab 500°C - 600°C Ausgangstemperatur mit dieser Wärmekraftanlage gefahren werden kann. Im Niedertemperaturbereich 80-200°C und Mitteltemperaturbereich 200°C-700°C nicht ökologisch und ökonomisch eingesetzt werden kann, weil die Verdichtungstemperatur des Arbeitsgases bei hohen Drücken bei isentroper Zustandsänderung über 200°C steigt und der Gaskühler einen hohen Volumenstrom an Kühlmittel abruft. Durch die Steuerung der Ventile in den Druckleitungen und den Maschinen fallen Druckverluste an und somit geht nutzbare Energie verloren.
  • In der Patent-Dokumentenidentifikation DE 202007002602U1 wird ein ORC-System für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Die Erfindung umfasst ein System zur Stromerzeugung aus der Abwärme von Verbrennungsmotoren, welches sich durch die Art, den Afbau und die Anordnung der Komponenten von dem am Markt erhältlichen ORC-Anlagen unterscheidet. Wesentlisches Ziel ist die Senkung der Investitionskosten bei glecihzeitiger Erhaltung bz. Steigerung der Effizienz. Nachteilig ist der ORC-Prozess in seinem thermodynamischen Arbeitsprozess mit dem niedrigen erreichbaren Wirkungsgrad von nur 16-20%. Auch kann oft die anfallende Abwärme nicht energetisch genutzt werden.
  • Aufgabe
  • Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades über den Hybridwärmekreislaufprozess unter gleichzeitiger Vermeidung der Hauptnachteile und unter Ausnutzung der Vorteile eines strömungsgeregelten Kreislauf mit einer angetriebenen Arbeitsmaschine. Ziel ist weiterhin die Kompaktheit durch weniger Apparate und ihre Systeme, Flexibilität in der Nutzung ökologischer, nachhaltiger Wärmequellen.
  • Der Einsatz soll vorrangig in der kohlendioxidfreien, dezentralen Stromerzeugung als Alternative zu den bisherigen Blockheizkraftwerken mit den Verbrennungsmotoren, den ORC-Anlagen, den Dampfkraftwerken, der Biomassennutzung un der Geothermie, sowie als Ergänzung und zur Verstetigung der Stromerzeugung von Solarkraftwerken und Windkraftwerken. Ein weiterer Einsatzbereich ist mobile Schwerlastverkerh wie Lastkraftwagen, Autobusse und der gesamte Lastschriftverkehr, hierbei ist vorrangig der Ersatz der sehr umweltschädlichen Schwerölverbrennungsmotorenantriebe.
  • Lösung
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Hybridwärmekreislaufprozess mit großen Vorteilen in einer Hybridwärmekraftanlage mitt den Merkmalen nach Anspruch 1 bis 4 und zwei Vorrichtungen nach den Ansprüchen 16 bis 18 und 14 und 15 und seinen weiteren Unteransprüchen gelöst.
  • Figurenliste
    • 1 Flussschema eines Hybridwärmekreislaufprozesses einer Hybridwärmekraftanlage mit Wärmekraftmaschine 1, Abscheider-Kühler 2, Verdränger 3, Porenbrenner 5, Wärmetauscher 6,Generator 7 Solarthermische- und Windkraftwerke 25, 26, 27, 103 und 180 mit dem Wärmespeicher 24
    • 2 Flussschema eines Hybridwärmekraislaufprozesses einer Hybridwärmekraftanlage wie nach 1, aber zusätzlich mit dem druckgeregelten Wärmetauscher 4
    • 3 Flussschema eines Hybridwärmekreislaufprozesses einer Hybridwärmekraftanlage mit einem zweistufigen Schraubenexpander 66, 66a
    • 4 Flussschema eines Hybridwärmekreislaufprozesses einer Hybridwärmekraftanlage mit einer zweistufigen Wärmekraftmaschine 14, 14a als Pfeilzahnradmotor nach Anspruch 14, 15 mit dem druckgeregelten Wärmetauscher 4 und zusätzlicher Einspritzung von flüssigem Arbeitsmittel aus dem Druckausgleichbehälter 144 nach Anspruch 15
    • 5 Flussschema eines Hybridwärmekreislaufprozesses einer Hybridwärmekraftanlage mit einem teilgeschlossenem Arbeitsprozesskreislauf in dem das Arbeitsmittel Luft im Verdichter 75 vorgespannt wird, mit Wärmeenergie geladen und über die Wärmekraftmaschine 88, 88a arbeitsleistend entspannt wird und teilweise in die Umgebung entlassen wird nach Anspruch 11 und 12
    • 6 Flussschema eines Hybridwärmekreislaufprozesses mit einem vorgegebenen Anteil des Arbeitsmittels verflüssigt wird und über den Wärmetauscher 141 in den Verdränger 3, den Wärmetauscher 4 und die Expansionszone der Wärmekraftmaschine 1, 14 und 66 zur Leistungserhöhung eingespritzt wird nach Anspruch 12
    • 7 p, V- Driagramm und T,S-Diagramm des Hybridwärmekreislaufprozesses mit der Wärmekraftmaschine 1 ohne Wärmetauscher 4
    • 8 p,V-Diagramm und T,S-Diagramm des Hybridwärmekreislaufprozesses mit der Wärmekraftmaschine 1 mit dem Wärmetauscher 4
    • 9 p,V-Diagramm und T,S-Diagramm des Hybridwärmekreislaufprozesses mit der Wärmekraftmaschine 66 mit dem Wärmetauscher 4
    • 10 p,V-Diagramm und T, S-Diagramm des Hybridwärmekreislaufprozesses mit der Wärmekraftmaschien 88 mit dem Wärmetauscher 4
    • 11 p,V-Diagramm und T, S-Diagramm des Hybridwärmekreislaufprozess des Arbeitsmittels und des ersten Heizmedium im Schwenkkreiskolbenmotor1
    • 12 Schemazeichnung des Verdrängers 3 als zwangsdurchströmter isochor arbeitender Wärmetauscher mit der Trennwand 43 nach Anspruch 1, 3, 4 und 5
    • 13 Schemazeichnung über die Keilwirkung der Pfeilverzahnung des Verdrängers 3 und der Wärmekraftmaschine 14 nach Anspruch 14 und 15
    • 14 Funktionsschemazeichnung des Schwenkkreiskolbenmotors 1 nach Anspruch 1, 16, 17, 18,19 und 20
    • 15 Schemazeichnung des Rotors des Schwenkkreiskolbenmotors 1
    • 16 Zylinderdeckel mit der konzentrischen Führungsnut des Schwenkkreiskolbenmotors
    • 17 Schwenkkolben mit Führungsstift und zylinderischer Bohrung
    • 18 konzentrischer Führungsnut 114
    • 19 Funktionsschemazeichnung des Schwenkkreiskolbenmotors 1 mit einem geschlossenen Führungsring 130 nach Anspruch 16
    • 20 Rotor des Schwenkkreiskolbenmotors exentrisch gelagerten mit zylinderischer Ausparrung nach Anspruch 16
    • 21 Zylinderdeckel mit konzentrischen geschlossenem Führungsring 130
    • 22 Schwenkkolben mit Ausparrung und Führungsstift
    • 23 Geschlossener Führungsring mit Schmierdepot und Ringzapfen nach Anspruch 16
    • 24 Schemazeichnung des Verdrängers 3 und der Wärmekraftmaschine 14 nach Anspruch 13, 14 und 15
    • 25 Schemazeichnung des Verdrängers 3 und der Wärmekraftmaschine 14 mit Pfeilverzahnung in Reihe und alternativen Einlass und Auslass.
    • 26 Schemazeichnung mit alternativen Einlass- und Auslass- Führung des Arbeitsmittels
    • 27 Blockschemazeichnung der Hybridwärmekraftanlage für den mobilen Einsatz nach Anspruch 13
    • 28 p,V-Diagramm und T, s-Diagramm des Hybridwärmekreislaufprzesses mit dem Druck geregelten Wärmetauscher 4 und dem Abscheider-Kühler in Reihe geschaltet nach Anspruch 15
  • Stückliste/Bezeichnung:
  • Nr. Bezeichnung Figur(en)
    1 Wärmekraftmaschine, z.B. als Schwenkkreiskolbenmotor 14 bis 23
    2 Abscheider-Kühler 1 bis 6
    3 Arbeitsmaschine, Verdränger 1 bis 6 , 25
    4 Wärmetauscher Gas/Flüssigkeit 2,3,4,6
    5 Katalytischer Porenbrenner 1 bis 5
    6 Wärmetauscher Gas/Dampf 1 bis 5
    7 Stromgenerator 1 bis 5
    8 Diffusorrohr 1 bis 6
    9 Abscheider -Dampftrommel 1 bis 5
    9a Sumpf 1 bis 5
    10 Spiralwärmetauscher 1 bis 4
    11 Heizkreislaufdruckpumpe × 1 bis 5
    12 Erstes Dreiwegeregelventil 1,2
    13 Heizraum, zweites Heizmedium 1 bis 6, 24, 25
    14,14a Zweistufige Wärmekraftmaschine, als Pfeilzahnradmotor 4, 13, 25, 26
    15 Lavaldüse für das Arbeitsmittel 1 bis 5, 24,25, 18
    16 Einspritzdüse als Mischdüse für das erste Heizmedium 18,24, 1 bis 5, 21, 25
    17 Zweites Dreiwegeventil 1 bis 4
    18 Heizkreislauf, zweites Heizmedium 1 bis 5
    19 Elektromotor 1 bis 5, 25, 27
    20 Erstes Druckregelventil, Arbeitsmittel erstes H 1 bis 5
    21 Erstes Druckregelventil Heizmedium erstes H 1 bis 5
    22 Zweites Druckregelventil Heizmedium erstes Heizmedium 1 bis 5
    23 Wärmetauscher zweites Heizmedium 1 bis 5
    24 Wärmespeicher erstes Heizmedium 1 bis 5
    25 Abgaswärmetauscher Gas/Flüssigkeit 1 bis 5
    26 Solarthermie Modul 1 bis 5
    27 Parabolrinnen Modul 1 bis 5
    28 Elektronik Regelkreis 1 bis 5
    28 Elektronik Regelkreis 1 bis 6
    29 Energiemanager 1 bis 6
    30 Systemgrenze 1 bis 6
    31 Zweites Druckregelventil erstes Heizmedium 1,2
    32 Drittes Druckregelventil erstes Heizmedium 2
    33 Druckleitung erstes Heizmedium 1 bis 5
    34 Druckleitung erstes Heizmedium 1 und 2
    35 Saugleitung zweites Heizmedium 1 bis 6
    36 Druckverteiler zweites Heizmedium 1 bis 6
    37 Druckleitung zweites Heizmedium 1 bis 6
    38 Verbindungsrohrstück mit Druckverteiler 2 bis 6
    39 Druckleitung Arbeitsmittel 1 bis 4
    40 Eingangsdruckleitung Arbeitsmittel 1 bis 5
    41 Eingangsdruckleitung flüssiges Arbeitsmittel 1 bis 4
    42 Druckverteiler 1 bis 6
    43 Trennwand als Wärmetauscherfläche 1 bis 6, 12, 24
    44 Trennwand für Vor- und Rücklauf 1,3,24,12
    45 Versteifungsstege gebohrt 1,3,12,24
    46 Zahnrad kolben 1,3,12,24
    47 Druckleitung flüssiges erstes Heizmedium 4,5
    48 Heizmediumdruckpumpe 1 bis 4
    49 Druckleitung erstes Heizmedium 1 bis 4
    50 Volumenstrom 50 Teilgeregelt 1 bis 2
    51 Volumenstrom 51 Teilgeregelt 1 bis 2
    52 Speichetrennwand erstes Heizmedium 1 bis 5
    53 Strömungsvorrichtung 1 bis 5
    54 Druckleitung erstes Heizmedium 1 bis 4
    55 Erste Regelstrecke mit Druckverteiler erstes Heizmedium 2
    56 Druckleitung erstes Heizmedium 2
    57 Druckverteiler zweites Heizmedium 2
    58 Druckventil 2,4
    59 Eingangsdruckleitung zweites Heizmedium 2
    60 Ausgangsleitung zweites Heizmedium 6,2,4
    61 Druckverteiler erstes Heizmedium 2,1
    62 Druckverteiler erstes Heizmedium überhitzt 1,2
    63 Druckregelventil erstes Heizmedium Flüssigkeit 4
    64 Eingangsdruckleitung erstes Heizmedium kalt 1,2
    65 Verbrennungsabgas 1 bis 5
    66 Zweistufiger Schraubenexpander 3
    66a Zweistufiger Schreibenexpander 3
    67 Eingangsdruckverteiler erstes Heizmedium 3
    68 Druckleitung erstes Heizmedium (flüssig) 5
    69 Füllstandsregelventil erstes Heizmedium (flüssig) 5
    70 Druckverteiler erstes Heizmedium 4,5
    71 Volumenregelventil erstes Heizmedium 4
    72 Druckpumpe geregelt erstes Heizmedium 4,5
    73 Druckleitung in Wärmetauscher 6 4,5
    74 Speicherdruckleitung erstes Heizmedium 4,3
    75 Mehrstufiger Verdichter 5
    76 Zweites Düsenrohrstück 5
    77 Elektromotor 5
    78 Eingangsdruckrohr mit Verteiler 5
    79 Lamellenwärmetauscher 5
    80 Volumenstromregelventil erstes Heizmedium 5
    81 Einfüllstutzen 5
    82 Rücklaufleitung Arbeitsmittel 5
    83 Luftfilter 5
    84 Zyklonphasentrennboden 5
    85 Zyklonabscheider 5
    86 Spiralwärmetauscher 5
    87 Ausgangsleitung Arbeitsmittel 5
    88 Mehrstufige Expansionturbine 5
    89 Eingangsdruckleitung erstes Hweizmedium 5
    90 Rückschlagklappe 5
    91 Verbraucher Wärme/Kälte 1 bis 5
    92 Brennstoffzufuhr 1 bis 5
    93 Einfüllstutzen 1 bis 5
    94 Ausgangsdruckeitung 5
    95 Volumenregelventil erstes Heizmedium 5
    96 Speicherdruckleitung 5,24
    97 Druckregelventil erstes Heizmedium 5
    98 Druckverteiler zweites Heizmedium 5
    99 Druckleitung zweites Heizmedium 5
    100 Drcukverteiler zweites Heizmedium 5
    101 Kupplung 5
    102 Saugleitung erstes Heizmedium 5
    103 Hybridkollektor 1 bis 5
    104, 104a Arbeitsräume im Verdränger 3 24, 1 bis 6
    105 Arbeitsräume im Schwenkkreiskolbenmotor 14,15
    106 (siehe oben) 19
    107 (siehe oben) 19
    108 (siehe oben) 19
    109 (siehe oben) 19
    110 (siehe oben) 19
    111 (siehe oben) 19
    112 Schwenkkolben 22,14,19
    113 Konzentrische Führungspute 14,16 und 19
    114 Führungsstift 22,17
    115 Schwenkkolbenlagerung 19,14
    116 Zylinderwand 19,14
    117 Aussparung 22
    118 Zylinderdeckel 21,23
    119 Rotor 20
    120 Rotorausparung 20
    121 Zylinder Aussparung 15
    122 Motorwelle 15
    123 Untere Kolbenfläche 19, 14, 22
    124 Vordere Arbeitsfläche 15,22
    125 Zylinderische Bohrung 22
    126 Führungsring 23
    127 Ringzapfen 23
    128 Rückseite Führungsring 23
    129 Kolbenarbeitsfläche 14,19
    130 Führungsring 21,23
    131 Einfüllstutzen 23
    132 Antriebsachse 25
    133 Zweite Einspritzdüse 6A, 24
    134 Antriebswelle 25
    135 Kleines Zahnrad 24
    136 Großes Zahnrad 24
    137 Druckleitung erstes Heizmedium 24,6A
    138 Druckleitung Arbeitsmittel 24, 6A
    139 Druckverteiler Arbeitsmittel 6, A
    140 Druckleitung Arbeitsmittel 6, A
    141 Wärmetauscher Gas/flüssig 6, A
    142 Druckleitung 6
    143 Regelventil Arbeitsmittel 6
    144 Druckausgleichbehälter 6
    145 Druckanzeiger 6
    146 Volumenregelventil 6
    147 Einspritzdruckleitung 6
    148 2/3 Wege-Druckventil 6
    149 Freiraum 24
    150 Sammelbehälter 6
    151 Spiralwärmetauscher 6
    152 Eingangakühlleitung 6
    153 Ausgangskühlleitung 6
    154 Druckleitung 6
    155 Rekuperator 6
    156 Expansionsventil 6
    157 Druckleitung 6
    158 Saugleitung 6
    159 Druckpumpe 6
    160 Phasentrennböden 6
    161 Druckausleichung 6
    162 Getriebe 27
    163 Rad 27
    164 2x Volumenregelventil 27
    165 Brennstofftank 27
    166 Elektro/mechanische Kupplung 27
    167 Antriebsrad 27
    168 Keilriemenantrieb 27
    169 Antriebsrad 27
    170 Wechselrichter 27
    171 Batterie 27
    172 Wechselrichter 27
    173 Festnetzanschluss 27
    174 Lastgeregelter Freilauf 27
    175 Luft/Gaskühler 27
    176 Kupfer 12 A
    177 Stahlniete 12 A
    178 Aluminium 12 A
    179 Graphit 12 A
    180 Wind kraftwerk 1 bis 6
    181 Vertikale Windturbine 1 bis 6
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5444981 [0028]
    • DE 10055202 A1 [0029]
    • DE 102005047569 A1 [0030]
    • DE 102010003537 A1 [0031]
    • DE 202007002602 U1 [0032]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • WO 03I/ 076 769 A1 [0027]

Claims (22)

  1. Hybridwärmekraftanlage mit einem internem Hybridwärmekreislaufprozess und zwei Vorrichtungen zur Umwandlung von zwei Vorrichtungen zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie. Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist, dass mindestens zwei Fluide und zwei Zusatzstoffe im Hybridkreislaufprozess gefahren werden. Ein Fluid wird als Arbeitsmittel, das zweite Fluid als Heizmedium genutzt. Die Zusatzstoffe arbeiten als Schmier- Dicht- und Wärmeleitmittel. Das Arbeitsmittel ist im Kreislaufprozess immer dampfförmig oder gasförmig, es wechselt nicht seinen Aggregatzustand. Ermöglicht wird der Hybridwärmekreislaufprozess durch eine isotherm arbeitende Wärmekraftmaschine (1) und einer isochor arbeitenden Arbeitsmaschine (3), dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Abscheider-Kühler (2) das gekühlte und getrennte Arbteismittel mit einem vorgegebenen Bezugsdruck pb durch die Lavaldüse (15) über den Druckverteiler (42) in die beiden Arbeitsräume (104) (104a), gleichzeitig wird das extern überhizte erste Heizmedium in einem vorteilhaften Bereich der Lavaldüse (15) durch die Einsprits- und Mischdüse über den Druckverteiler (42) in die beiden Arbeitsräume (104) des extern beheizten Verdrängers (3) eingespritzt. Es entsteht ein isentroper Verdichtungsstoß von P1 => Pb × 1,3 in den beiden Arbeitsräumen (104) (104a) des Verdrängers (3). Der drehzahlgeregelten Elektromotor (19) treibt die Zahnräder (135,136) mit den Kolben (46) an und es entsteht eine turbulente Störmung und ein effizienter Wärmeübergangskoeffizient alpha zwischen dem flüssligen überhizten ersten Heizmedium und dem strömendem , dampfförmigen, gasförmigen Arbeitsmittel und der extern beheizten Trennwand (43) statt. Die Zustandsänderung des Arbeitsmittel erfolgt isochor in einer thermischen Verdichtung von P2 => P1 × 1,4 ohne eine Volumenänderungsarbeit abzurufen. Die Kolben (46) der Zahnräder (135,136) drängen/ drücken das vorgespannte , mit innerer Wärmeenergie Qich= U2-U1 geladene Arbeitsmittel durch die Druckleitung (39) in die Abscheider-Dampftrommel (9) geleitet. Durch die Bauform der Verzahnung des Verdrängers (3), der geregelten Drehzahl des Motors (19) dem Druckventil (20) in der Druckleitung (40) wird der Wärmekraftmaschine (1)., (14) (66) eine beschleunigter Volumenstrom bei einem vorbestimmten Arbeitsdruck von PA => P2 × 1,4 zugeführt und arbeitsleistend auf den Bezugsdruck pb entspannt. Der entspannte Volumenstrom des Arbeitsmittel gesättigt mit dem flüssigen ersten Heizmedium wird durch das Diffusorrohr (8) radial, zirkulierend in den Abscheider-Kühler (2) von der Wärmekraftmaschine (1) oder (14) oder (66) gedrückt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verdränger (3) über Druckleitung (38) der Wärmetauscher (4) geschaltet ist, der zusätzlich über Druckleitung (56) mit überhiztem ersten Heizmedium Druck- und Volumenstrom geregelt, durch das Regelventil (32) in den Innenraum des Wärmetauschers (4) zugeführt wird, vermischt mit dem Arbeitsmitteldampf und so den Wärmeübergangskoeffizient Alpha erheblich verbessert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger 3 von einem externen zweiten Heizmedium durch die Saugleitung (35) üdber den Druckverteiler (36), der Heizkreislaufdruckpumpe (11) in die Druckleitung (37), durch die Wärmequellen (25) (26) (27) (103) oder (180) mit Wärmeenergie geladen, durch den Wärmetauscher (23) des Wärmeenergiespeicher (24) durch die Druckleitung (18) in den Heizraum (13) des Verdrängers (3) geregelt geleitet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das turbolent strömende zweite Heizmedium erzwungen durch die gebohrten Stütz- und Verstreifungsstege (45) und die Trennwand für Vor- und Rückfahrt (44) einen optimalen Wärmeübergangsgangskoeffizienten Alpha den Wärmestroman die vergrößerte Wärmeaustauschfläche der Trennwand (43) überträgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand- als Wärmetauschfläche (43) eine Sandwichbauweise aus den Werkstoffen Kupfer (176), Aluminium (178), Graphit (179) und Stahlnieten (177) mit einer rauhen, gerippten Oberfläche die größer ist als dem 5fachen einer glatten Oberfläche ist und so erreicht wird das der Wärmedruchgangskoeffizient k Werte von 3000 bis 4000 W/m2 k beidseitig annimmt. Die Trennwand (43) ist somit eine optimale Wärmeaustauschfläche, unterstützt außenseitig durch das turbolent strömenden externe zweite Heizmedium und innenseitig dem turbolent strömenden dampfförmigen/gasförmige Arbeitsmittel gemischt mit dem überhizten erstem flüssigen Heizmedium, strömend bewegt durch die drehenden Zahnräder (135), (136) im effizienten Arbeitsbereich des Verdrängers (3) gefahren kontrolliert durch den Energiemanager (29) gefahren wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridkreislaufprozess aus einem gasförmigen oder dampfförmigen Arbeitsmittel und einem ersten flüssigen Heizmedium, das mit hohen wärmeleitfähigen, gleitfähigen und kältebeständigen Zusatzstoffen gemischt ist. Diese Kombination wirkt auch als Schmier- und Dichtmittel auf die sich abgleitenden Zahnradkolben (46) und den Seitendeckel (118) der Kraftmaschine (1), des Verdrängers (3), sowie der Kraftmaschine (14) (66).
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als gasförmige Arbeitsmittel Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Edelgase, als dampfförmige Arbeitsmittel Kohlenwasserstoffverbindungen wie Propan, Butan, Pentan, Alkohole, Aceton und natürliche Arbeitsmittel wie Wasser, Ammoniak und Kohlendioxid und umweltfreundliche Kältemittel wie synthetische Silikonöle sowie auch azetropische und zeotropische Gemischen aus Kältemitteln. Das erste Heizmedium Wasser, Wärmeträger und Wassermischungen, Tytocor, Antifrogen, Ammoniak oder Lithiumbromidlösungen. Als Zusatzstoffe Graphitpulver, Bromit, Aluminiumpulver und Glyzerin. Damit wird die Wärmeleitfähigkeit erhöht, die mechanische Reibung vermindert und die Dichtheit gegen Schlupfverluste verbessert,denn das Heizmedium mit dem Zusatzstoff Graphit bildet einen schichtartigen Aufbau auf die Zylinderwände und Arbeitsflächen, der dichtend und selbstschmierend wirkt. Dazu erhöht das Graphit und die Graphitschicht die Wärmeleitfähigkeit in allen Systemen des Hybridwärmekreislaufprozesses.
  8. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, das Module der Solarthermie (26), Parabolrinnenkollektoren, Sonnenlichtkonzentratoren (27), Hybridkollektoren (103) Windkraftwerk (180) und Wärmeabgastauscher (25) in den externen Heizkreislauf (37) (18) (23) und den Speicher (24), dass das zweite Heizmedium wie Wasser, Wasser/Ammoniakgemische, Wasser/Lithiumbromidlösungen, technische Wärmeträger oder Thermoöle mit der Abwärme, der Wärme der Sonnenstrahlung mit Wärmeenergie aus regenerativen Wärmequellen aufgeladen und im Speicher (24) abgespeichert werden und nach Bedarf über den Prozesskreislauf (18) (35) (37) (11) abgerufen werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, 3 und 8, dadurch gekennzeichnte, dass durch den Einsatz des katalytischen Porenbrenner (5) mit den Wärmetauscher (4) und (6) und den Speicher (24) durch den geregelten Prozesskreislauf der Druckleitungen nach dem Flussschema 1, 2, 3, 4, 5 und 6, (33) (34) (47) (49) (50) (51) (55) (56) (73) (74) (96) (99) durch die Druckverteiler (61) (62) (70) (89) geregelt durch die Druckventile (31) (32) (63), und den Druckpumpen (11) (48) (72)Volumenstrom geregelt, durch das erste Dreiwegeregelventil (12), das zweite Dreiwegeregelventil (17), das Volumenregelventil (71) und das Volumenregelventil (95) eine ständige Verfügbarkeit an Nutzbarer Wärmeenergie vorhanden/ gegeben ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger (3) in mehrstufiger Ausführung in Reihe 25 geschaltet, so wie auch die Wärmekraftmaschine (1), (14) ode r(66) in Reihe gefahren werden kann zur Erhöhung der Leistung und des Wirkungsgrades der Hybridwärmekraftanlage.
  11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Luft aus der Umwelt über den mehrstufigen Verdichter (75) vorgespannt und in den Hybridkreislaufprozess als teilgeschlossener Kreislauf gefahren und das erste Heizmedium als geschlossener Kreislauf mit den Verfahrensschritten gemäß dem Flussschema 5 ausgeführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, wobei ein vorgebener Anteil des Arbeitsmittel gemäß dem Flussschema 6 verflüsssigt wird. Gasförmiges dampfförmiges Arbeitsmittel mit dem Bezugsdruck pb wird über das Expansionsventil (156) auf 1,5 bis 1,05bar entspannt, im Sammelbehälter (159) verflüssigt, über die Druckpumpe (159) auf maximalen Systemdruck PA in den Druckausgleichbehälter (144) geleitet und abgespeichert. Das flüssige Arbeitsmittel wird durch den Warmtauscher (141) überhitzt und geregelt durch das Regelventil (143), durch Druckleitung (140), den Druckverteiler (139), die Druckleitung (138 über die zweite Einspritzdüse (133) in den isochor arbeitenden Arbeitsraum (104a) des Verdrängers (3) gefahren. Davon getrennt wird flüssige Arbeitsmittel geregelt durch das Volumenregelventil (146) durch die Einspritzdruckleitung (147) in die Druckleitung (38) vor dem isobar arbeitenden Wärmetauscher (4) gefahren, Beider Verfahrensschritte erhöhen das Arbeitsdruckverhältnis bei sehr geringen Aufwand an mechanischer Energie bei isochorer Zustandsänderung 24 , 11, 8, 28
  13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass wie im Blockschema 27 gezeigt, die Hybridwärmekraftanlage für den mobilen Einsatz geeignet ist. Das Arbeitsmittel durchläuft gemäß den vorher genannten Ansprüchen einen Luftkühler (175), den Abscheider-Kühler (2), die Arbeitsmaschine Verdränger (3), den Wärmetauscher (4), (6), (141) mit Wärme geladen vom katalytischen Porenbrenner (5) über das Volumenregelventil (164) mit Brennstoff durch die Leitung (92) versorgt, aus dem Brennstofftank (165). Das vorgespannte, überhitzte Arbeitsmittel wird in der Wärmekraftmaschine (1) oder (14) oder alternativ (66) abeitsleistend entspannt. Die gewonnene mechanische Energie wird zu einem größeren Anteil über ein Getriebe (162) der Antriebsachse (132) geführt. Die mechanische Kraft wirkt über den Last geregelten Freilauf (174) auf das Rad (163) mit einem Drehmoment. Der kleinere Anteil der mechanischen Energie der Kraftmaschine (1), (14) wird düber die Antriebswelle (134) in das Automatikgetriebe (168) (169) und (167) abgeleitet. Bei erreichter , optimaler Drehzahl oder Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges übernimmt das Automatikgetriebe zum Beispiel ein Keilriemenantrieb (168) über das Antriebsrad (167) die technische Arbeit Wt des Verdrängers (3): Bei Talfahrt oder Verzögerung des Fahrzeuges wird über den Lastgeregelten Freilauf (174) über die Antriebsstrang (132) (162) (134) und dem Automatikgetribe (167) (168) (169) geregelt die kinetische Energie des Fahrzeugs rekuperiert über den Verdränger (3) in thermische Energie über die Kupplung (166) und Generator (7) in elektrische, chemische Energie über den Wechselrichter (170) in die Batterie (171) geregelt über den Energiemanager (29) geladen. Dieser geregelte Arbeitsablauf erfolgt immer bei erreichter Nenndrehzahl der Kraftmaschine (1) (14) (66). Durch diesen Verfahrensschritt wird bis zu 20% weniger Primärenergie verbraucht und die Batterie (171) immer geladen. Die Batterie (171) mit der geladenen , chemischen Energie treibt den Motor (19) nur beim anfahren und beschleunigen des Fahrzeugs an, sowie auch unter Mithilfe des Porenbrenners (5), des Verdränger (3) entsteht in kurzer vorprogrammierter Zeit der Hybridwärmekreislaufprozess 1 bis 6.
  14. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (46) des Verdrängers (3) und die Kraftmaschine (14) eine pfeilförmige Verzahnung haben 13 und auch die Zahnräder (135) (136) unterschiedliche Teilkreisdurchmesser haben können zur vorteilhaften Anwendung. Als Verdränger (3) größerer Teilkreisdurchmesser, entsprechend längere Verweilzeit für den Wärmeübergang bei gleichzeitig größeren Volumenstrom. Belm Verschieben auf die Druckseite (38) werden die Normalkräfte durch die Keilwirkung (13) zerlegt in FN1 und FN2 nach dem mechanischen Gesetz FN0 S/b × F. Bei gleichem Drehmoment erhöht sich der Arbeitsdruck um den Faktor 1,2 bis 1,3 bei gleichem Leistungsaufwand. Für die Kraftmaschine (14) erhöht sich bei kleinerem Teilkreisdurchmesser des Zahnrades (135) die Drehzahl der Antriebsachse (132) 24, 25. Beim Verschieben der Arbeitsmittel von der Druckseite (38) in den Abscheiderkühler (2) bei einen Bezugsdruck pb ist die Wt technische Arbeit sinAlpha × V (p2-p1) = sinAlpha × m × R1 (T2-T1) vorteilhaft. Die Pfeilform der Kolben (46) der Zahnräder (135) (136) wirken beim eintreten in den Druckraum (38) (39) als Keil mit dem Winkel der Pfeilverzahnung. Die Kolben spalten das vorgespannte gasförmige Arbeitsmittel. Die Gasmoleküle wirken nur FA = sinAlpha × F auf die schrägen Arbeitsflächen der Kolder (46) beim Verdränger (3). Wird der Verdränger (3) als Kraftmaschien (14) genutzt, wirken die Gasmoleküle auf der Rückseite der Kolben (46) auf die vergrößerte Fläche um A = 2 (s × h) 13 F1= FN1 + FN2. Das ist Antriebsmoment F1 × RadiusZahnrad (135) + F1 × Radius Zahnrad (136).
  15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger (3) die Kraftmaschine (1) (14) über das erste Druckregelventil (20) und das zweite Druckregelventil (31) der Druck geregelte Wärmetauscher (4) und der Abscheiderkühler (2) in Reihe geschaltet einen Hybridkreislaufprozess nach dem Arbeits- und Wärmediagramm 28, vergleichbar mit einem Heißgasmotorprozess (Stirlingmaschine). Das erste Heizmedium übernimmt effizient die Funktion des Rekuperators und ist gleichzeitig Wärmespeicher, Wärmeüberträger, Wärmeleitern und Kühlmittel geregelt gefahren über das vorgespannte dampfförmige Arbeitsmittel durch die Lavaldüse (15) über den Druckverteiler (42) in die Arbeitskammern (104), (104a) geleitet, zusätzlich flüssiges Arbeitsmittel über das Regelventil (143) durch die Druckleitung (140), (138) über zweite Einspritzdüse (133) im Arbeitsraum (104) des Verdrängers (3) geführt, dazu über das Volumenregelventil (146), Druckleitung (147) in das Verbindungsrohrstück (38) in den Wärmetauscher (4) geleitet. Parallel wird erstes flüssiges überhitztes Heizmedium über die Druckleitung (33) und die Druckleitung (137) in den Verdränger (3) durch die zweite Einspritzdüse (133) geleitet. Der Verdränger (3) mit der Pfeilverzahnung wird auch mit gleichem Aufbau und Verfahrensschritte als Wärmekraftmaschine (14) in erster Stufe und als zweiter Stufe (14a) vorteilhaft gefahren 4. Ebenfalls so kann die Wärmekraftmaschine (1) geschaltet und gefahren werden 2. Flusschema 2,4 und 6 und 24, 25 und 27. der erzielte Wirkungsgrad entspricht dem des Carnotprozess (28).
  16. Vorrichtung zur Verwendung für einen Hybridwärmekreislaufprozess zur Anwendung in einer Hybridwärmekraftanlage nach Anspruch 1-13. Die Wärmekraftmaschine (1) ist ein Schwenkkreiskolbenmotor (1). Der Schwenkkreiskolbenmotor (1) besteht aus einem zylinderischen Gehäuse (116), einem exentrisch gelagerten Rotor (119) mit der Motorwelle (122), aus zwei abschließenden Lagerdeckel (118) ist mit einer vorbestimmten erforderlichen Anzahl von Schwenkkolben (112) bestückt. Die Schwenkkolben (112) bilden mit der Zylinderbohrung (116) und dem Rotor (119) abgeschlossene sichelförmige Arbeitsräume (105), (106), (107), (108), (109), (110) und (111) nach 14 und 19. Die Rotoraussparung (120) 20 und die Kolbenaussparung (117) 17 sorgen für gleichmäßigen Arbeitsdruck auf die Arbeitsflächen (123), (124) und (125) gleich der Arbeitsfläche (123) plus (129). Die Schwenklagerung (115) wird gestützt durch die zylinderische Aussparung (121) 20, 15 des Rotors (119) und dem zylinderischen Ansatz des Schwenkkolben (112), geführt wird der Schwenkkolben (112) von den beidseitigen Führungsstiften (114) in der konzentrischen Führungsnut (113), 14 und 16 in den Lagerdeckeln (118). Alternativ kann die Führungsnut (113) durch einen geschlossenen Führungsring (126) 23 und 21 in dem der Führungsstift (114) greift und in sich drehend gelagert ist. Besonders vorteilhaft ist, dass der Führungsring (126) konzentrisch drehend im Lagerdeckel (118) gelagert und dichtend geschmiert geführt (130) wird, auf der Rückseite (128) werden die Arbeitsdruckkräfte des Arbeitsmittel nur über die Ringzapfen (127) 23 abgeleitet und zusätzlich ein geeignetes Schmiermittel und Dichtmittel in dem Schmierdepof (128) bildet (23). Durch die Führung (113) und (130= entfällt die Reibbarkeit an der Zylinderwand (116) des anliegenden Kolben (112) 16, 14, 19. Dazu wirkt auf die Führungsstifte (114) nicht die ganze Schubkraft FA, sondern nur das Kippmoment der Kraft FN × r/2<0,25 × FA/2.
  17. Vorrichtung zur Verwendung für einen Hybridwärmekreislaufprozess, gekennzeichnet durch einen Schwenkkreiskolbenmotor (1) mit dem Vorteil, dass der Expansionsdruck des Arbeitsmittels über die Kolbenflachen (129) und (123) und dem Rotorradius des Rotors (119) auf die Motorwelle (122) in den Arbeitsräumen (105) und (106) ein hohes Anfahrdrehmoment erzeugt. Die Expansionsenergie wird in den Arbeitsräumen (105), (106) und (107) optimal in mechanische Energie gewandelt. Die Zustandsänderung des Arbeitsmittels erfolgt durch geregelte Zugabe des überhitzten Heizmedium durch die Druckleitung (34) 14, 1, 2 in den Arbeitsräumen (106), (107) isotherm 7,8 und 11. Ist das Heizmedium eine Stoffparung aus Ammoniak/Wasser oder Kohlendioxid/Wasser, so erhöht sich der Arbeitsdruck auf die Kolbenflächen (123) und (129) was zusätzliche thermodynamische Leistung erbringt. Eine weitere Leistungssteigerung kann durch zufahren in die Leitung (34) in den Arbeitsraum (106) geregelt durch das Regelventil (31) ein gewähltes flüssiges Arbeitsmittel im überkritischen Zustand geleitet werden, bei einer spotanen 700 bis 1200fachen Volumenvergrößerung entsteht im Arbeitsraum (106) bis (108) durch den erhöhten Arbeitsdruck zusätzliche Rotationsenergie.
  18. Vorrichtung für einen Hybridmotorkreislaufprozess, dadurch gekennzeichnet, dass 30% des Volumenstroms rückverdichtet und dem Kreislaufprozess wieder als vorgespanntes Arbeitsmittel zugeführt wird 1, 2, 7, 8 und 11, denn durch diesen Verfahrensschritt im Schwenkkreiskolbenmotor (1) bleibt der Wärmestrom, die Etropie im Motorsystem. Vorteilhaft ist bei der Rückverdichtung das über die Druckleitung (64) geregelt über das Regelventil (22) gekühltes flüssiges Heizmedium in den Arbeitsraum (109) geleitet wird , dadurch ergibt sich eine isothermische Zustandsänderung. Zusätzlich wird durch die Druckleitung (41) flüssiges mit Wärmeenergie geladenes Heizmedium in den Arbeitsraum (110) geregelt über das Regelventil (21) gefahren. Das Arbeitsmittel erhitzt, die Zustandsänderung erfolgt in den Arbeitsräumen (110) und (111) isochor ohne eine Volumenänderungsarbeit abzurufen, der Arbeitsdruck steigt auf den Eingangsdruck der Druckleitung (40). Der Rücklaufmassenstrom und der Eingangsmassenstrom vereinigen sich in der Arbeitskammer (105) zu einem Kreislaufprozessstrom 14, 19.1, 2, 7, 8, 11.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 16, 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass die vorteilhafte Ausgestaltung und Anordnung der Schwenkkolben (112) in den Vorderflächen (124) der Schwenkkolben (112) eine zylinderische Bohrung (125) eingearbeitet ist. Diese Bohrung (125) ermöglicht die isochore, thermische Verdichtung und vergrößert die Arbeitsfläche (129) um das 2,4fache einer geraden, senkrechten Arbeitsfläche (124). Dazu nimmt die Bohrung (125) mindestens 70% des Massenrücklaufsstrom vom Arbeitsmittel auf und wird somit zu einen Energiespeicher, diese gespeicherte Energie wird in den Arbeitsraum (105) frei gegeben und erhöht die thermische Energie zum Antrieb des Schwenkkreiskolbenmotors (1).
  20. Vorrichtung nach Anspruch 16, 17, 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die rückwärtsgekrümmte, winkelförmige Form des Schwenkkolben (112) und dessen Lagerung (115), die bei der Rückverdichtung des Arbeitsmittels nur eine Wellenleistung (122) von Pw= Fv × sinAlpha abruft. Das entspricht im Arbeitsbereich (108) (109) und (110) eine Leistungsminderung und entsprechend weniger Arbeitsaufwand optimal von 50% bei gleichem Arbeitsdruck. Auch wird der Gegendruck in den Arbeitsräumen (105), (106) und (107) um den gleichen Wert gemindert nach dem Gesetz der Strömungsmechanik über den Widerstandswert cw. 14, 19 und 22.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 16,17,19,19,20, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffe für den Schwenkkolbenmotor (1) aus Werkstoffkombination bestehen. So wird der Rotor (119) aus Stahl, der Schwenkkolben (112) aus hoch wärmeleitenden Aluminium oder einer Keramik/Graphit-Mischung, der Führungsstift (114) aus hochfestem Stahl, die Führungsringe (130), (113) verschleißfesten und selbstschmierenden Keramik/Stahl/Graphit-Mischung.
  22. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Windkraftwerk (180) oder Windkraftpark (180) anfallender Strom, insbesonderer nicht Netzverträglicher Strom , Fremdregelung, Abschaltung abgeregelt in der Hybridwärmekraftanlage genutzt wird um die Stromerzeugung zu verstaetigen. Besonders vorteilhaft ist das über den Speicher (24) und den Drucksammelbehälter (144) thermische Energie durch elektrische Heizstäbe im Speicher (24) oder durch direkte Bestrahlung infrarotbereich oder Mikrowellenbereich der Wärmekraftmaschine (1) (14) (66) im Expansionsbereich und ebenso durch die direkte Bestrahlung der Arbeitszylinder des Verdrängers (3) Wärmeenergie zur Leistungserhöhung zugeführt wird, wird zusätzlich in die Batterie (171) elektrische Energie abgespeichert werden kann, um dann über den Energiemanager (29) in bedarfsgerechten Strom zu wandeln. So kann die Stromernte eines Windkraftwerkes (180) von heute im Mittel von 2000 Volllaststunden auf bis zu 5000 Volllaststunden CO2 freien Strom gesteigert werden. 27, 1, 6 bei einem theoretischen Wirkungsgrad der Verstromung von 70%.
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