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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Wärmekraftmaschine mit mindestens
einem Kolben zur Erzeugung mechanischer Energie in einem Kreisprozeß mit einem
den Kolben beaufschlagenden Arbeitsmedium, das aus zwei Bestandteilen
von unterschiedlichen Siedepunkten besteht, bei welchem das in dampfförmigem Zustand
bei erhöhter Temperatur
in einem für
die Bestandteile vorgegebenen Dampfdruckverhältnis vorliegendes Arbeitsmedium
unter Abkühlung
und Abgabe mechanischer Leistung expandiert wird und bei welchem
ein bei der Abkühlung
teilweise kondensierender Bestandteil abgeschieden und gesondert
dem Kreisprozeß wieder
zugeführt
wird.
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Ein
solches Verfahren ist bekannt durch die
AT-PS 155 744 .
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Die
AT-PS 155 744 zeigt eine
Anordnung, bei welcher ein Gemisch von Wasser und einem Kohlenwasserstoff
in einem Kessel verdampft wird. Der so erzeugte Dampf wird in einem Überhitzer überhitzt und
beaufschlagt einen Kolben. Der Kolben bewegt sich und erzeugt mechanische
Arbeit. Dadurch wird der Dampf expandiert, wobei er sich abkühlt und
das Wasser kondensiert. Dieses kondensierte Wasser wird in einem
Abscheider aufgefangen und mittels einer Pumpe dem Kessel wieder
zugeführt.
Der nicht kondensierte Bestandteil (Kohlenwasserstoff) wird durch
einen zweiten Kolben komprimiert und ebenfalls auf den Kessel geleitet.
Es entsteht dadurch eine Arbeitsfläche in einem pV-Diagramm aus
der Differenz der durch die Expansion gewonnenen und der für die Kompression
erforderlichen Arbeit.
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Die
DE 100 52 993 A1 offenbart
ein Verfahren und eine Wärmekraftmaschine,
wobei die Wärmekraftmaschine
mit einem Kreisprozess arbeitet, bei welchem ein Arbeitsmedium abwechselnd
eine Kompressionsphase und eine Expansionsphase durchläuft. Der
Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine
wird dadurch erhöht,
dass das Arbeitsmedium während
der thermischen Kompression im wesentlichen vollständig verflüssigt wird.
Als Arbeitsmedium kann ein Mehrstoffgemisch verwendet werden, beispielsweise
ein Gemisch aus Wasser und Benzol oder Benzin.
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In
der
US 4 448 905 wird
ein Verfahren zur Rückgewinnung
von Abgaswärme
beschrieben. Dazu wird eine Wärmekraftmaschine
mit einem Zweistoffgemisch aus Toluol und Wasser oder Benzol und Wasser
als Arbeitsmedium verwendet. Das von der Abgaswärme erhitzte Arbeitsmedium
treibt dampfförmig
eine Turbine an. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, wird je nach Abgastemperatur
ein unterschiedliches Mischungsverhältnis von Toluol und Wasser bzw.
Benzol und Wasser eingesetzt.
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Zur
Durchführung
des vorgenannten Verfahrens betrifft die Erfindung weiterhin eine
Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie in einem Kreisprozeß mit einem
Arbeitsmedium, das aus zwei Bestandteilen von unterschiedlichem
Siedepunkt besteht, enthaltend eine Wärmekraftmaschine mit einem
von dem Arbeitsmedium beaufschlagten Kolben, durch welche das in
dampfförmigem
Zustand bei erhöhter
Temperatur in einem für
die Bestandteile vorgegebenen Dampfdruckverhältnis vorliegendes Arbeitsmedium
unter Abkühlung
und Abgabe mechanischer Leistung expandiert wird, wobei der höhersiedende
Bestandteil bei der Abkühlung
teilweise kondensiert wird, Mittel zum Abscheiden dieses Bestandteils
und Mittel zum Wiederzuführen
dieses kondensierten und abgeschiedenen Bestandteils zu dem Kreisprozeß.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines Kreisprozesses
der eingangs genannten Art zu verbessern.
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Der
Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, einen Kreisprozeß und eine
Wärmekraftmaschine
zu schaffen, die Wärmequellen
relativ geringer Temperatur wie Abwärme oder geothermische Wärme auszunutzen
vermag.
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Das
Verfahren der Erfindung sieht zu diesem Zweck vor, die Expansion
durch genügend
Zeit bei einem Hub des Kolbens hinreichend langsam zur Bildung eines
Nebels des höhersiedenden
Bestandteils erfolgt, wobei die Kondensationswärme des höhersiedenden Bestandteils überwiegend
an den noch gasförmigen,
niedrigersiedenden Bestandteil abgegeben wird.
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Es
hat sich gezeigt, daß sich
bei der Expansion und Abkühlung
ein Nebel bildet. Dieser Nebel besteht im wesentlichen aus Tröpfchen des
höhersiedenden
Bestandteils. Bei der Kondensation des höhersiedenden Bestandteils zu
diesen Tröpfchen
wird Kondensationswärme
frei. Durch die Nebelbildung sind die Tröpfchen des höhersiedenden
Bestandteils und der noch dampfförmige
niedrigersiedende Bestandteil in engem Kontakt. Dadurch erfolgt
eine gleichmäßige und
unmittelbare Übertragung
der Kondensationswärme
des höhersiedenden
Bestandteils auf den niedrigersiedenden Bestandteil. Der niedrigersiedende
Bestandteil wird erwärmt,
so daß sein
Druck bei der Expansion langsamer absinkt als dies ohne die übertragenen
Kondensationswärmen der
Fall wäre.
Das Vergrößert die
positive Fläche
im pV-Diagramm des Kreisprozesses und damit den Wirkungsgrad.
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Das
dampfförmige
Arbeitsmedium kann in einem Dampfraum über einer beheizten flüssigen Phase
gebildet werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die beiden Bestandteile
des Arbeitsmediums sich in der flüssigen Phase nicht mischen
und zur Erzielung des besagten vorgegebenen Dampfdruckverhältnisses unter
Beheizung mit hoher Kontaktoberfläche umgepumpt werden.
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Die
Verwendung von Bestandteilen, die sich in der flüssigen Phase nicht mischenden
erleichtert die Trennung der Bestandteile nach der Expansion. Es
hat sich gezeigt, daß solche
sich nicht mischenden Bestandteile in der flüssigen Phase Schichten bilden,
wobei in dem Dampfraum bei Erwärmung über der
flüssigen
Phase nur der Dampf des spezifisch leichteren Bestandteils gebildet
wird. Der spezifisch schwerere Bestandteil ist von dem Dampfraum durch
die Schicht des spezifisch leichteren Bestandteils isoliert. Es
stellt sich kein Gleichgewicht zwischen dem schwereren Bestandteil
und dem Dampfraum durch das Verdampfen und Kondensieren von Molekülen dieses
schwereren Bestandteils ein. Der Dampfraum „weiß" gar nichts von dem schwereren Bestandteil.
Ein Gleichgewichtszustand im Dampfraum läßt sich aber durch Umpumpen
des schwereren Bestandteils im Gegenstrom zu dem verdampfenden leichteren
Bestandteil der oberen Schicht bei gleichzeitiger Erwärmung erzielen.
Es hat sich gezeigt, daß man
dann im Dampfraum ein Konzentrationen von höhersiedendem und niedrigersiedenden Bestandteilen
erhält,
das nur von der Temperatur abhängt,
und zwar auch dann, wenn sich die beiden Bestandteile in der flüssigen Phase
nicht mischen. Es ist selbstverständlich, daß die beiden Bestandteile auch nicht
chemisch miteinander reagieren dürfen.
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Es
ist vorteilhaft, wenn der höhersiedende Bestandteil
eine wesentlich höhere
Verdampfungswärme
besitzt als der niedrigersiedende Bestandteil. Dann wird bei der
Erwärmung
der überwiegende
Teil der zugeführten
Wärme in
die Verdampfung des höhersiedenden
Bestandteils investiert. Eine entsprechend große Kondensationswärme wird
dann an den niedrigersiedenden Bestandteil abgegeben.
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Eine
vorteilhafte Paarung ergibt sich, wenn der höhersiedende Bestandteil des
Arbeitsmediums Wasser und der niedrigersiedende Bestandteil Benzol
ist. Die beiden Bestandteile sind in der flüssigen Phase nicht mischbar.
Wasser ist höhersiedend
als Benzol und hat eine hohe Verdampfungs- und Kondensationswärme. Es
ist schwerer als Benzol, so daß in
der flüssigen
Phase das Benzol als Schicht oben schwimmt und an den Dampfraum
angrenzt. Durch Umpumpen des – unten
abgesaugten – Wassers
im Gegenstrom zu dem verdampfenden und aufsteigenden Benzol stellen
sich in der in der dann gebildeten Dampfphase materialspezifische
Konzentrationen ein, die nur von der Temperatur abhängen.
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Die
Beheizung kann durch Abwärme
oder geothermische Wärme
bei relativ geringer Temperatur erfolgen.
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Eine
Vorrichtung der oben erwähnten
Art zur Durchführung
des beschriebenen Verfahrens ist vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet,
daß
- (a) die Wärmekraftmaschine
in einem Maschinenzylinder zwei Kolben enthält, die durch eine zu dem Maschinenzylinder
koaxiale Verbindungsstange miteinander verbunden und auf ihren einander
abgewandten Seiten in äußeren Zylinderkammern über eine
Ventilanordnung abwechselnd mit Arbeitsmittel beaufschlagbar sind,
und
- (b) auf der Verbindungsstange in dem zwischen den Kolben gebildeten
inneren Zylinderraum ein in einem Hydraulikzylinder geführter Kolben
sitzt, der den Hydraulikzylinder in zwei Zylinderkammern unterteilt,
welche mit Hydraulikleitungen verbunden sind, die abdichtend aus
dem inneren Zylinderraum herausgeführt sind.
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Auf
diese Weise wird eine hin- und hergehende Bewegung der gleichachsigen
Kolben erzeugt, wobei jeweils einer der Kolben von dem Arbeitsmedium
unter Druck beaufschlagt ist und unter Entspannung des Arbeitsmediums
mechanische Arbeit abgibt, während
der jeweils andere Kolben das entspannte Arbeitsmedium mit dem gebildeten
Nebel ausschiebt und dabei in seine Ausgangslage zurückgeführt wird.
Die erzeugte Kraft wird dabei aber über einen Hydraulikkreis in
der Bewegungsrichtung der Kolben abgegriffen und aus dem Maschinenzylinder als
hydraulischer Druck herausgeführt.
Das bietet für die
Durchführung
des erfindungsgemäßen Kreisprozesses
wesentliche Vorteile:
Um eine einwandfreie Tröpfchenbildung
des höhersiedenden
Bestandteils des Arbeitsmediums und Wärmeübertragung der Kondensationswärmen an den
im wesentlichen dampfförmig
bleibenden, niedrigersiedenden Bestandteil zu gewährleisten,
muß die Wärmekraftmaschine
relativ langsam arbeiten. Dadurch bleibt bei jedem Hub genügend Zeit
für die Ausbildung
des Nebels. Eine langsame Bewegung der Wärmekraftmaschine erfordert
aber einen großen
Querschnitt der Kolben, so daß auf
die Kolben hinreichend große
Kräfte
wirken. Anderenfalls wäre die
Leistung der Wärmekraftmaschine
zu gering. Wenn diese großen
Kräfte
z.B. nach Art einer konventionellen Dampfmaschine auf einen üblichen
Kurbeltrieb arbeiten würden,
so würden
in nachteiliger Weise entsprechend große Querkräfte auf die Kolben wirken.
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Außerdem müßte eine
Kolbenstange aus dem Maschinenzylinder herausgeführt werden. Die Durchführung einer
beweglichen Kolbenstange durch die Stirnwandung des Maschinenzylinders führt auch
bei guter Abdichtung unweigerlich zu Leckagen. Es würde Arbeitsmedium
verlorengehen. Dadurch würde
die Zusammensetzung des Arbeitsmediums verändert. Außerdem ergäben sich Einschränkungen
hinsichtlich der zulässigen
Bestandteile des Arbeitsmediums, da manche unter thermodynamischen
Gesichtspunkten vorteilhafte Stoffe giftig sind.
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Die
Kolben sollten in dem Maschinenzylinder über eine Gleitschicht schmierstofffrei
geführt
sein. Hierfür
gibt es Kunststoffe oder auch keramische Gleitschichten. Derartige
Gleitschichten sind jedoch empfindlich gegen Querkräfte. Solche
Querkräfte werden
jedoch durch den hydraulischen Abgriff der Kolbenkräfte vermieden.
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Wenn
längs der
Kolben Arbeitsmedium in den inneren Zylinderraum eintritt, dann
baut sich in diesem inneren Zylinderraum mit der Zeit ein Druck auf,
der einem weiteren Eintreten von Arbeitsmedium längs der Kolben entgegenwirkt.
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Das
Hydrauliksystem kann so aufgebaut sein, daß außerhalb des Maschinenzylinders
ein zweiter Hydraulikzylinder angeordnet ist, der ebenfalls durch
einen Kolben in zwei Zylinderkammern unterteilt ist, die Zylinderkammern
des zweiten Hydraulikzylinders mit je einer der Hydraulikleitungen
verbunden sind und der Kolben des zweiten Hydraulikzylinders mit
einem Kurbeltrieb in Antriebsverbindung ist. Damit wird der Hub
der Kolben der Wärmekraftmaschine
in einen entsprechenden Hub des Kolbens des zweiten Hydraulikzylinders
umgesetzt. Der Kolben des zweiten Hydraulikzylinders kann über eine
Kurbelstange mit einem Kurbeltrieb verbunden sein.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführung
besteht jedoch darin, daß die
beiden Hydraulikleitungen über
eine Brückenschaltung
von Rückschlagventilen mit
einem Hydraulikkreis eines Hydraulikmotors verbunden sind.
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Der
auf der Verbindungsstange sitzende hin- und hergehende Kolben des
im Maschinenzylinder sitzenden Hydraulikzylinders erzeugt einen „hydraulischen
Wechselstrom", der
seine Richtung periodisch ändert.
Dieser Wechselstrom wird durch die Brückenschaltung von Rückschlagventilen „gleichgerichtet", so daß ein „Gleichstrom", also ein nur in
einer Richtung fließender Ölstrom,
entsteht. Dieser Gleichstrom treibt einen üblichen Hydraulikmotor.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kolbendurchmesser größer als
15 cm ist und die Wärmekraftmaschine
mit einer Hubzahl von weniger als zehn Hüben pro Sekunde arbeitet.
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Zur
Ableitung von Flüssigkeit,
die sich durch niedergeschlagenen Nebel in den äußeren Zylinderkammern bilden
kann, ist es vorteilhaft, wenn an den äußeren Zylinderkammern des Maschinenzylinders in
den tiefsten Bereichen der Stirnflächen von Auslaßventilen
beherrschte Ablauföffnungen
zur Abführung
von in den äußeren Zylinderkammern
kondensierter Flüssigkeit
vorgesehen sind, welche mit den Abscheid- und Wiederzuführmitteln
in Verbindung stehen.
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Zur
Erzeugung eines erwärmten,
aus zwei sich in der Flüssigphase
nicht mischenden Bestandteilen bestehenden, dampfförmigen Arbeitsmediums ist
vorteilhafterweise ein Kessel mit einem Wärmetauscher zur Wärmezufuhr
vorgesehen, in welchem der höhersiedende
Bestandteil aus einem Flüssigkeitssumpf
abziehbar und im Gegenstrom zu dem verdampfenden, und aufsteigenden
niedrigersiedenden Bestandteil mit hoher Kontakttoberfläche über den
Wärmetauscher
umwälzbar
ist. Dadurch wird im Dampfraum ein Gemisch der beiden Bestandteile
mit definierten, von der Temperatur abhängigen Konzentrationen erzeugt.
Die oben im Zusammenhang mit dem Verfahren geschilderten, sich aus
der Nichtmischbarkeit der Bestandteile ergebenden Probleme werden
vermieden.
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Der
noch dampfförmige
niedrigersiedende Bestandteil kann durch Abfuhr von Wärme weiter
abgekühlt
und kondensiert und dem Kreisprozeß wieder zugeführt werden.
Es kann aber auch ein von der Wärmekraftmaschine
angetriebener Verdichter vorgesehen sein, welcher den entspannten,
niedrigersiedenden Bestandteil nach Abtrennung des kondensierten,
höhersiedenden
Bestandteils am Ausgang der Wärmekraftmaschine
wieder auf den Anfangsdruck verdichtet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert.
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1 zeigt
eine erste Ausführung
einer Wärmekraftmaschine
in einem mit einem Zweistoffgemisch arbeitenden Kreisprozeß.
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2 zeigt
eine andere Ausführung
der Wärmekraftmaschine
und des Kreisprozesses.
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3 zeigt
in vergrößertem Maßstab eine Einzelheit
von 2, nämlich
die Steuerung der Einlaß-
und Auslaßventile.
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4 zeigt
in weiter vergrößertem Maßstab eine
Einzelheit von 3.
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5 zeigt
einen Schnitt „A" von 4.
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In 1 ist
mit 10 ein Maschinenzylinder bezeichnet. In dem Maschinenzylinder 10 sind
zwei Kolben 12 und 14 schmierstofffrei über eine
Keramik-Gleitschicht geführt.
Die beiden Kolben 12 und 14 sind mittels einer
Verbindungsstange 16 miteinander verbunden. Die Kolben 12 und 14 unterteilen
den Innenraum des Maschinenzylinders 10 in zwei äußere Zylinderkammern 18 und 20 und
einen inneren Zylinderraum 22. Koaxial zu dem Maschinenzylinder 10 ist
ein Hydraulikzylinder 24 angeordnet. Der Hydraulikzylinder 24 wird
von der Verbindungsstange 16 abdichtend durchsetzt. Auf
der Verbindungsstange 16 sitzt innerhalb des Hydraulikzylinders 24 ein
Kolben 26. Der Kolben 26 ist in dem Hydraulikzylinder 24 geführt. Der
Kolben 26 unterteilt den Hydraulikzylinder 24 in
zwei hydraulische Zylinderkammern 28 und 30. Die Zylinderkammer 28 ist
mit einer Hydraulikleitung 32 verbunden. Die Zylinderkammer 30 ist
mit einer Hydraulikleitung 34 verbunden. Die beiden Hydraulikleitungen 32 und 34 sind
abdichtend aus dem inneren Zylinderraum 22 herausgeführt. Die
Abdichtung bietet keine Schwierigkeiten, da keine Relativbewegung
stattfindet.
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Bei
der Ausführung
nach 1 sind die beiden Hydraulikleitungen 32 und 34 mit
einer „Brückenschaltung" von Rückschlagventilen 36, 38, 40 und 42 verbunden.
Die Brückenschaltung
hat zwei Einspeisungspunkte 44 und 46 an den Enden
der Hydraulikleitungen 32 bzw. 34 und zwei Abgriffpunkte 48 und 50.
Das Rückschlagventil 36 öffnet für Strömungen von
dem Abgriffpunkt 48 zu dem Einspeisungspunkt 44 der
Hydraulikleitung 32 hin. Das Rückschlagventil 38 öffnet für Strömungen von
dem Abgriffpunkt 48 zu dem Einspeisungspunkt der Hydraulikleitung 34 hin. Das
Rückschlagventil 40 öffnet für Strömungen von dem
Einspeisungspunkt 44 der Hydraulikleitung 32 zu
dem Abgriffpunkt 50 hin. Das Rückschlagventil 42 öffnet für Strömungen von
dem Einspeisungspunkt 46 der Hydraulikleitung 34 zu
dem Abgriffpunkt 50 hin. Von den Abgriffpunkten 48 und 50 sind
Hydraulikleitungen 52 bzw. 54 zu den Anschlüssen eines
Hydraulikmotors 56 geführt.
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Wenn
sich die Kolben 12 und 14 und mit ihnen der Kolben 26 von
rechts nach links in 1 bewegen, dann wird Öl aus der
Zylinderkammer 28 verdrängt
und fließt
in Pfeilrichtung durch die Hydraulikleitung 32. Gleichzeitig
wird Öl
in die Zylinderkammer 30 angesaugt und fließt in Pfeilrichtung
durch die Hydraulikleitung 34. Dabei öffnen die Rückschlagventile 36 und 40.
Es entsteht ein Ölstrom
entgegen dem Uhrzeigersinn in 1 über die
Hydraulikleitung 32, Rückschlagventil 40,
Hydraulikleitung 54, Hydraulikmotor 56, Hydraulikleitung 52,
Rückschlagventil 38 und
Hydraulikleitung 34. Bei der umgekehrten Bewegung der Kolben 12 und 14 von
links nach rechts wird Öl
aus der Zylinderkammer 30 verdrängt und fließt (entgegen
der eingezeichneten Pfeilrichtung) durch die Hydraulikleitung 34.
Gleichzeitig wird Öl über die Hydraulikleitung 32 in
die Zylinderkammer 28 angesaugt. Auch jetzt entsteht ein Ölstrom entgegen
dem Uhrzeigersinn von 1. Dieser Ölstrom fließt durch die Hydraulikleitung 34,
das Rückschlagventil 40,
die Hydraulikleitung 54, den Hydraulikmotor 56 und
die Hydraulikleitung 52 (wie vorher), das Rückschlagventil 36 und
die Hydraulikleitung 32. Der durch den Kolben 26 erzeugte
hin- und hergehende „Wechsel"-Ölstrom wird somit durch die
Brückenschaltung der
Rückschlagventile 36, 38, 40 und 42 „gleichgerichtet" und fließt als Gleichstrom
stets entgegen dem Uhrzeigersinn in 1 durch
den Hydraulikmotor 56.
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Der
Hydraulikmotor 56 treibt über eine Kupplung 58 einen
Generator 60.
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Bei
der Ausführung
nach 1 ist das Arbeitsmedium ein Zweistoffgemisch von
Wasserdampf und Benzoldampf. Dieses Gemisch wird über eine
Zufuhrleitung 62 zugeführt.
Die Zufuhrleitung 62 verzweigt sich in zwei Leitungen 64 und 66,
die über (in 1 nicht
dargestellte) Ventile mit den Zylinderkammern 18 bzw. 20 in
Verbindung stehen. Zwei Leitungen 68 und 70, die über (in 1 ebenfalls
nicht dargestellte) Ventile mit den Zylinderkammern 18 bzw. 20 in
Verbindung stehen, vereinigen sich zu einer Rücklaufleitung 72.
Bei dem in 1 durch Pfeile dargestellten
Zustand ist das Ventil in der Leitung 64 geöffnet, das
Ventil in der Leitung 66 geschlossen. Entsprechend ist
das Ventil in der Leitung 70 geöffnet und das Ventil in der
Leitung 68 geschlossen. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird daher
mit einem Druck von z.B. 10 MPa auf die in 1 rechte
Zylinderkammer 20 geleitet und drückt den Kolben 14 mit dem
Kolben 12 nach links. Dabei entspannt sich das Arbeitsmedium
unter Abkühlung
auf einen Auslaßdruck
von beispielsweise 2 MPa. Das so entspannte Arbeitsmedium aus der
Zylinderkammer 18 wird von dem Kolben 12 in die
Leitung 68 gedrückt.
Die Kolben 12 und 14 führen eine Bewegung von rechts nach
links aus, die über
die Hydraulik in der beschriebenen Weise den Hydraulikmotor 56 mit
einem Eingangsdruck von z.B. 300 MPa antreibt. Nach Umschaltung
der Ventile wird entsprechend ein Rückhub eingeleitet.
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Das
dampfförmige
Arbeitsmedium wird in einem Kessel 74 erzeugt. Der Kessel 74 wird
durch einen Wärmetauscher 76 beheizt,
der z.B. Abwärme oder
geothermische Wärme
zuführt.
Die beiden Bestandteile Wasser und Benzol, die sich in der flüssigen Phase
nicht mischen, bilden am Boden des Kessels 74 einen Sumpf 78.
In diesem Sumpf 78 liegen die beiden Bestandteile in zwei
Schichten 80 und 82 unvermischt übereinander.
Die obere Schicht 80 wird von dem leichteren Benzol gebildet.
Die untere Schicht 82 ist das schwerere Wasser. Im Dampfraum über dem
Sumpf würde
sich dann ohne besondere Maßnahmen
nur Benzoldampf bilden. Das Wasser wäre durch die Benzolschicht 80 von
dem Dampfraum isoliert. Deshalb wird mittels eine Pumpe Wasser aus
der unteren Schicht 82 abgesaugt und über eine Leitung 86 in
den oberen Teil des Kessels 74 eingeleitet. Durch Siebe 88 wird
das Wasser verteilt, durch die Beheizung verdampft und im Gegenstrom mit
dem aufsteigenden Benzoldampf gemischt. Auf diese Weise stellen
sich in dem Dampfraum des Kessels substanzspezifische Konzentrationen
von Wasserdampf und Benzoldampf ein, die nur von der Temperatur
abhängen.
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Das
so erhaltene Arbeitsmedium wird in der beschriebenen Weise auf die
Zylinderkammern 18 oder 20 geleitet und treibt
die Wärmekraftmaschine an.
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Bei
der Entspannung des Arbeitsmediums in der Zylinderkammer, z.B. 20,
kühlt sich
das Arbeitsmedium ab. Die sinkende Temperatur verändert das nur
von der Temperatur abhängige
Konzentrationsverhältnis
von Wasser und Benzol im Dampfgemisch. Diese Veränderung kann nur dadurch erfolgen,
daß das
höhersiedende
Wasser kondensiert. Es hat sich nun gezeigt, daß diese Kondensation unter
Bildung eines feinen Nebels erfolgt, wenn die Expansion hinreichend
langsam erfolgt. Dabei wird die Kondensationswärme des Wassers frei. Die Kondensationswärme von
Wasser ist wesentlich höher
als die von Benzol. Daher wird durch die Kondensation der größte Teil
der im Kessel 74 zugeführten
Energie freigesetzt und infolge der feinen Verteilung des Nebels
unmittelbar auf den verbleibenden Dampf übertragen. Dadurch erfolgt
der Druckabfall bei der Expansion langsamer als bei Verwendung eines
Einstoff-Arbeitsmediums. Die Expansionskurve verläuft daher
oberhalb der Expansionskurve eines Einstoff-Arbeitsmittels.
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Das
entspannte Arbeitsmedium in Leitung 72 enthält überwiegend
Benzoldampf mit einem Wassernebel. Der Wassernebel wird beim Rückhub des Kolbens 14 in
einem Abscheider 90 abgeschieden. In dem Abscheider bildet
sich daher ein Sumpf 92, der überwiegend aus Wasser besteht.
In diesen Sumpf 92 fließt auch das Wasser, das sich
durch Abscheiden aus dem Nebel in der Zylinderkammer gebildet hat.
Dieses Wasser wird über
eine Pumpe 94 abgezogen und über eine Leitung 96 und
Leitung 86 wieder in den Kessel 74 geleitet.
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Es
verbleibt jetzt nur noch der Benzoldampf. Dieser wird bei der Ausführung nach 1 in
einem Kondensator 98 kondensiert. Das kondensierte Benzol
wird ebenfalls durch eine Pumpe 100 abgezogen und über die
Leitungen 96 und 86 dem Kessel und damit dem Kreisprozeß wieder
zugeführt.
Statt dessen kann aber auch ein von der Wärmekraftmaschine z.B. über den
Hydraulikmotor 56 angetriebener (nicht dargestellter) Verdichter
vorgesehen sein, welcher den entspannten, niedrigersiedenden Bestandteil nach
Abtrennung des kondensierten, höhersiedenden
Bestandteils am Ausgang der Wärmekraftmaschine
wieder auf den Anfangsdruck verdichtet.
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2 zeigt
eine abgewandelte Ausführung der
Wärmekraftmaschine.
Der Grundaufbau der Wärmekraftmaschine
ist in 1 und 2 der gleiche. Entsprechende
Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der
wesentliche Unterschied besteht darin, daß anstelle der Brückenschaltung
von Rückschlagventilen
und des Hydraulikmotors 56 ein zweiter Hydraulikzylinder 102 in
Verbindung mit einem Kurbeltrieb 104 vorgesehen ist. In
dem Hydraulikzylinder 102 ist ein Kolben 106 mit
einer durch den gesamten Hydraulikzylinder 102 und dessen
Stirnflächen
hindurchgehenden Kolbenstange 108 geführt ist. Der Kolben 106 unterteilt
den Hydraulikzylinder 102 in zwei Zylinderkammern 110 und 112.
Die Zylinderkammer 110 ist mit der Hydraulikleitung 32 verbunden.
Die Zylinderkammer 112 ist mit der Hydraulikleitung 34 verbunden.
Dadurch folgt der Kolben 106 den Bewegungen des Kolbens 26.
An der Kolbenstange 108 ist das Kurbelgestänge 114 des
Kurbeltriebs 104 angelenkt. Das Kurbelgestänge 114 ist
an einer Kurbel 116 angelenkt, die sich um eine Achse 118 dreht.
Dabei bewegt sich der Anlenkpunkt 120 auf einer Kreisbahn 122 um
die Achse 118. Der Kurbeltrieb treibt 104 ein
(nicht dargestelltes) Schwungrad.
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Mit
der Kurbel 116 ist ein Nocken 124 drehbar. Der
Nocken 124 steuert Einlaßventile 126 und 128.
Die Steuerung erfolgt bei der Ausführung nach 2 über „hydraulische
Gestänge".
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Auslaßventile 130 und 132 werden über die Drücke in den
Hydraulikleitungen 32 und 34 gesteuert. Zu diesem
Zweck zweigt an der Hydraulikleitung 34 eine Steuerleitung 134 ab.
Die Steuerleitung 134 erstreckt sich nach links in 2 und
ist mit einem Zylinder 136 verbunden. In dem Zylinder 136 ist
ein Kolben 138 geführt.
Der Zylinder 136 und Kolben 138 sind gleichachsig
zu dem Auslaßventil 130 angeordnet.
Durch den Kolben 138 ist das Auslaßventil 130 gegen
eine Feder 140 zudrückbar.
Von der Hydraulikleitung 32 zweigt ebenfalls eine Steuerleitung 142 ab.
Die Steuerleitung 142 erstreckt sich nach rechts in 2 und
ist mit einem Zylinder 144 verbunden. In dem Zylinder 144 ist
ein Kolben 146 geführt.
Der Zylinder 144 und Kolben 146 sind gleichachsig
zu dem Auslaßventil 132 angeordnet.
Durch den Kolben 146 ist das Auslaßventil 132 gegen
eine Feder 148 zudrückbar.
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Zur
Ableitung von Flüssigkeit,
die sich durch niedergeschlagenen Nebel in den äußeren Zylinderkammern 18 und 20 bilden
kann, sind an den äußeren Zylinderkammern 18 und 20 des
Maschinenzylinders 10 in den tiefsten Bereichen der Stirnflächen Ablauföffnungen
zur Abführung
von in den äußeren Zylinderkammern 18 und 20 kondensierter
Flüssigkeit vorgesehen,
welche von den Auslaßventilen 130 bzw. 132 beherrscht
werden und über
die Leitungen 68 bzw. 70 mit Abscheid- und Wiederzuführmitteln (ähnlich 1)
in Verbindung stehen.
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An
dem Nocken 118 liegen auf diametral gegenüberliegenden
Seiten Nockenfolger 150 bzw. 152 in Form von Rollen
an. Die Nockenfolger sind mit Plungerkolben 154 bzw. 156 verbunden,
die in Zylindern 158 bzw. 160 geführt sind.
Die Zylinder 158 und 160 sind mit Steuerleitungen 162 bzw. 164 des
hydraulischen Gestänges
zur Steuerung der Einlaßventile 126 bzw. 128 verbunden.
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Die
Steuerung der Einlaß-
und Auslaßventile ist
am besten aus 3 ersichtlich. 3 zeigt
in vergrößertem Maßstab die
Einlaß-
und Auslaßventile 126 bzw. 130 auf
der linken Seite von 2. Der Kolben 12 bewegt
sich nach links in 3. As Auslaßventil 130 ist geöffnet. Über die
Leitung 134 ist der Zylinder 136 mit der sich
vergrößernden
Zylinderkammer 112 des Hydraulikzylinders 102 verbunden, steht
daher unter Unterdruck. Die Feder 140 drückt das
Auslaßventil 130 auf.
Dadurch wird die Zylinderkammer 18 mit der Auslaßleitung 68 verbunden.
Der Kolben 12 drückt
das entspannte Arbeitsmedium mit dem Nebel und eventuell in der
Zylinderkammer 18 niedergeschlagener Flüssigkeit in Die Auslaßleitung. Das
setzt sich fort, bis der Zylinder 12 an der Stirnwand des
Maschinenzylinders 10 zur Anlage kommt. Es ist zu beachten,
daß der
Ventilsitz des Auslaßventils
auf der Außenseite
der Stirnwand um die Auslaßöffnung herum
gebildet ist, so daß der
Kolben 12 bis an die Stirnwand vorfahren kann.
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Der
mit dem Kolben 12 verbundene Kolben 26 kann sich
dadurch ebenfalls nicht weiter bewegen. Der Kolben 106 wird
jedoch durch den Kurbeltrieb 104 und das damit gekuppelte
Schwungrad wieder ein Stück
zurück
nach rechts in 2 bewegt. Dadurch wird Öl in die
Steuerleitung 134 gedrückt.
Das Öl
drückt
den Kolben 138 gegen die Wirkung der Feder 140 nach
rechts in 2 und 3. Dadurch wird
das Auslaßventil 130 in
seine Schließstellung bewegt.
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Bei
einer weiteren Bewegung des Kolbens 106 nach rechts in 2 ebenfalls
noch durch den Kurbeltrieb 104 und das Schwungrad wird Öl in eine von
der Steuerleitung 134 abzweigende Leitung 142 gedrückt. Das Öl unter
Druck wirkt auf einen Plungerkolben 144. Der Plungerkolben 144 drückt auf
einen Arm eines doppelarmigen Hebeld 146. Der Hebel 146 ist
um eine Achse 148 verschwenkbar. Dem Plungerkolben 144 wirkt
eine Feder 150 entgegen. Der andere Arm des Hebels 146 ist
gabelförmig,
wie am besten aus 5 ersichtlich ist.
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Mit 152 ist
ein nadelförmiger
Vorsteuerkolben bezeichnet. Der Vorsteuerkolben 152 ist
mit einem ersten Ende in dem Ende der Steuerleitung 162 geführt. An
dem Vorsteuerkolben 152 ist ein Teller 154 angebracht.
Der gabelförmige
Arm des Hebels 146 liegt an diesem Teller 154 an.
Das zweite Ende des Vorsteuerkolbens bildet einen konischen Ventilschließkörper 156 (4)
der mit einem konischen Durchbruch des Einlaßventils 126 ein Vorsteuerventil bildet.
An dem Einlaßventil 126 sitzt
ein topfförmiger Widerlagerkörper 160.
Eine Feder 162 wirkt zwischen dem Ventilschließkörper 156 und
dem Widerlagerkörper 160.
Die Feder 162 sucht das Vorsteuerventil zu schließen und
das Einlaßventil 126 auf
dem Vorsteuerkolben 152 zu halten. Der Widerlagerkörper 160 weist
seitliche Durchbrüche 163 auf,
wie am besten aus 4 ersichtlich ist.
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Der
Vorsteuerkolben 152 ist in einer Führung 164 im Maschinengehäuse geführt. Eine
Hauptfeder 166 in Form einer auf Druck vorgespannten, den
Vorsteuerkolben 152 umgebenden Schraubenfeder stützt sich
am Maschinengehäuse
ab und drückt nach
links in 2, 3 und 4 auf
den Teller 154.
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Die
beschriebene Ventilsteuerung arbeitet wie folgt:
Das Einlaßventil
wird zunächst
durch den Druck des Arbeitsmediums in der Leitung 66 zugedrückt. Das über die
Steuerleitung 134 in die Leitung 142 gedrückte Öl bewegt
den Plungerkolben 144 nach rechts in 3 und
verschwenkt den Hebel 146 entgegen dem Uhrzeigersinn. Damit
wird der Vorsteuerkolben 152 nach links in 2 und 3 bewegt
und das Vorsteuerventil entgegen der Wirkung der Feder 162 aufgezogen.
Dadurch kann über
die Durchbrüche 163 und
das geöffnete
Vorsteuerventil ein Druckausgleich zwischen den beiden Seiten des
Einlaßventils
erfolgen. Der Vorsteuerkolben wird dann durch die Hauptfeder 166 nach
links in 3 und 4 gedrückt. Das
Einlaßventil 126 wird
dabei in die Offenstellung bewegt, wobei das Vorsteuerventil unter
dem Einfluß der
Feder 162 schließt,
so daß das Einlaßventil 126 auf
dem Vorsteuerkolben 152 gehalten ist.
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Damit
strömt
jetzt Arbeitsdruckmittel in die Zylinderkammer 18 und bewegt
den Kolben nach rechts in 2 und 3.
Nach etwa 20% des Gesamthubes des Kolbens 12 wird dann über den
Nocken 124 und den Nockenfolger 150 der Kolben 154 nach
links in 2 gedrückt. Dadurch wird Öl in der Steuerleitung 162 verdrängt. Das Öl drückt den
Vorsteuerkolben 152 nach rechts in 2 und 3 und
drückt
damit das Einlaßventil 126 zu.
Damit ist die Zylinderkammer 18 einlaß- und auslaßseitig
abgeschlossen. Das darin enthaltene Arbeitsmittel dehnt sich aus,
wird entspannt und kühlt
sich ab.
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Nach
einem bestimmten Hub des Kolbens 12 gibt der Nocken 124 den
Plungerkolben 158 frei. Der Druck auf den Vorsteuerkolben 152 sinkt
ab. Da inzwischen aber das Arbeitsmedium in der Zylinderkammer 18 entspannt
ist, bleibt das Einlaßventil 126 unter
dem Einfluß des
Drucks des Arbeitsmediums in der Leitung 66 in seiner Schließstellung.
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Der
hydraulische Druck in der Zylinderkammer 30 ist proportional
dem Druck des Arbeitsmittels in der Zylinderkammer 18 jedoch
wesentlich höher. Dieser
hydraulische Druck wirkt auch in dem Zylinder 136. Die
Querschnitte der Kolben 12 und 138 sind im Verhältnis zueinander
so gewählt,
daß der
auf den Kolben 138 wirkende hydraulische Druck bei dem größten Teil
des Entspannungshubes des Kolbens 12 das Auslaßventil 130 in
der Schließstellung
hält. Bei
einem bestimmten Wert des Druckes in der Zylinderkammer 18 und
des hydraulischen Druckes im Zylinder 136 am Ende des Entspannungshubes überwindet
die Feder 140 den hydraulischen Druck im Zylinder 136 und
zieht das Auslaßventil 130 auf.
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Der
Kolben 12 kehrt dann seine Bewegungsrichtung um, und der
vorstehend beschriebene Ablauf beginnt von neuem.
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Die
Ansteuerung der Einlaß-
und Auslaßventile 128 bzw. 132 auf
der in 2 rechten Seite erfolgt in gleicher Weise aber
gegenphasig zu der beschriebenen Ansteuerung der Einlaß- und Auslaßventile 126 bzw. 130.
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Statt
der hydraulisch betätigten
Ventile, die über
einen Nocken und hydraulische Gestänge bzw. durch die Drücke in den
Hydraulikleitungen 32 und 34 ansteuerbar sind,
können
auch elektrisch angesteuerte Magnetventile vorgesehen werden.
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Zwischen
den Leitungen 62, 64, 66 einerseits und
den Leitungen 68, 70, 72 andererseits
ist eine Wärmeisolation 170 vorgesehen.
Das Arbeitsmedium in den Leitungen 62, 64 und 66 ist
auf einer höheren
Temperatur als das entspannte Arbeitsmedium in den Leitungen 68, 70 und 72.
Ein Wärmeübergang
zwischen den genannten Leitungen parallel zu der Wärmekraftmaschine
würde den
Wirkungsgrad verschlechtern.