DE112008002724T5

DE112008002724T5 - Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: DE112008002724T5
Application number: DE112008002724T
Authority: DE
Inventors: Paul Van De Loo; David Robert Barduca
Original assignee: Cogen Microsystems Pty Ltd
Current assignee: Cogen Microsystems Pty Ltd
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2010-07-22
Also published as: US20100300097A1; AU2008310308A1; WO2009046493A1; AU2008310308B2

Abstract

Wärmekraftmaschine, die [engl. ”that that”] eine hin- und hergehende Bewegung von Hydraulikfluid, das unter dem Einfluss eines Arbeitsfluid-Dampfdrucks einen Kessel verlässt, in Nutzarbeit umwandeln kann, wobei die Wärmekraftmaschine enthält:
• den Kessel;
• ein Arbeitsfluid-Einspritzmittel zum Einspritzen von Arbeitsfluid in den Kessel;
• ein Hydraulikfluid-Haltemittel, das das Hydraulikfluid zur Bewegung von einer Ausgangsposition weg freigeben kann, wenn der Arbeitsfluid-Dampfdruck in dem Kessel einen vorgegebenen Pegel erreicht;
• ein Hydraulikfluid-Rückführmittel zum Zurückführen des Hydraulikfluids zu seiner Ausgangsposition nach Expansion des Arbeitsfluiddampfs in dem Kessel, was zu einer hin- und hergehenden Hydraulikfluidbewegung führt;
• ein Auslassventil zum Freigeben des expandierten Arbeitsfluiddampfs von dem Kessel;
wobei die Dampfdruckzunahme in dem Kessel, bevor sich das Hydraulikfluid von der Ausgangsposition wegbewegt, durch eine Erwärmung bei im Wesentlichen konstantem Volumen des Arbeitsfluids verursacht wird, die eine Zustandsänderung wenigstens eines Teils des eingespritzten Arbeitsfluids von einer Flüssigkeit zu einem Gas verursacht,...

Description

Diese internationale Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen australischen Patentanmeldung 2007905619 , eingereicht am 12. Oktober 2007, deren Inhalt hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmekraftmaschinen. In der umfassendsten Form sind Wärmekraftmaschinen einfach Vorrichtungen, die Wärmeenergie in mechanische Arbeit umwandeln können, die somit einen umfassenden Bereich von Maschinen wie etwa Dampfmaschinen, Dieselmaschinen und Brennkraftmaschinen und andere Maschinen umfassen, auf die häufig durch den thermodynamischen Kreisprozess, den sie nutzen (wie etwa eine Rankine-Kreisprozess-Maschine oder eine Stirling-Kreisprozess-Maschine), Bezug genommen wird.
Die Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung bei der Umwandlung von durch die Sonne erzeugter Wärmeenergie in mechanische Arbeit zur Erzeugung von Elektrizität zur Verwendung in einer Hausumgebung entwickelt worden. Natürlich soll die Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Verwendung beschränkt sein.
Hintergrund der Erfindung
Die Verwendung von Rankine-Kreisprozess-Maschinen zur Umwandlung von Wärme in mechanische Leistung ist gut bekannt. Große Rankine-Kreisprozess-Maschinen verwenden allgemein eine Strömungsturbine für die Expansionsphase, während kleine Rankine-Kreisprozess-Maschinen allgemein eine hin und her gehende Expansionseinrichtung (wie etwa eine Kolben- und Zylinderanordnung) nutzen, da Turbinen in einem kleinen Maßstab weniger effizient sind. Tatsächlich folgen Dampfmaschinen wie etwa alte Eisenbahnlokomotiven dieser Vorgehensweise.
Allerdings weisen so kleine Rankine-Kreisprozess-Maschinen im Allgemeinen Wirkungsgrade auf, die wesentlich kleiner als jene typischer Dampfturbinen sind. Im US-Patent 7,188,474 der Erfinder sind Probleme dargelegt, die so niedrige Wirkungsgrade verursachen, und ist eine effizientere Wärmekraftmaschine beschrieben. Die beschriebene Hauptverbesserung ist ein Einlassventil, das eine kurze und scharfe ”Abschaltung” bereitstellen kann, obgleich außerdem ein in den Kolben eingebautes Auslassventil beschrieben ist, das ebenfalls eine Anzahl von Vorteilen aufweist. In der Praxis arbeitet eine solche Maschine gut, wobei sich aber die Komplexität (und somit auch die Kosten) und die Haltbarkeit des Einlassventils und des Auslassventils als problematisch erwiesen haben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Wärmekraftmaschine, von der diese Schwierigkeiten ebenfalls beseitigt sind oder wenigstens wesentlich verringert sind, während ein guter Wirkungsgrad des Betriebs aufrechterhalten wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Wärmekraftmaschine, die eine hin- und hergehende Bewegung von Hydraulikfluid, das unter dem Einfluss eines Arbeitsfluid-Dampfdrucks einen Kessel verlässt, in Nutzarbeit umwandeln kann, wobei die Wärmekraftmaschine enthält:

• den Kessel;
• ein Arbeitsfluid-Einspritzmittel zum Einspritzen von Arbeitsfluid in den Kessel;
• ein Hydraulikfluid-Haltemittel, das das Hydraulikfluid zur Bewegung von einer Ausgangsposition weg freigeben kann, wenn der Arbeitsfluid-Dampfdruck in dem Kessel einen vorgegebenen Pegel erreicht;
• ein Hydraulikfluid-Rückführmittel zum Zurückführen des Hydraulikfluids zu seiner Ausgangsposition nach Expansion des Arbeitsfluiddampfs in dem Kessel, was zu einer hin- und hergehenden Hydraulikfluidbewegung führt;
• ein Auslassventil zum Freigeben des expandierten Arbeitsfluiddampfs von dem Kessel;

Außerdem schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, wobei die Wärmekraftmaschine enthält:

• einen Kessel;
• ein Arbeitsfluid-Einspritzmittel zum Einspritzen von Arbeitsfluid in den Kessel;
• ein Hydraulikfluid-Haltemittel, das das Hydraulikfluid zur Bewegung von einer Ausgangsposition weg freigeben kann, wenn der Arbeitsfluid-Dampfdruck in dem Kessel einen vorgegebenen Pegel erreicht;
• ein Hydraulikfluid-Rückführmittel zum Zurückführen des Hydraulikfluids zu seiner Ausgangsposition nach Expansion des Arbeitsfluiddampfs in dem Kessel;
• ein Auslassventil zum Freigeben des expandierten Arbeitsfluiddampfs von dem Kessel;

In Bezug auf die Dampfdruckzunahme in dem Kessel wird in einer Form der vorliegenden Erfindung das Arbeitsfluid als eine Flüssigkeit direkt in das Hydraulikfluid (das durch eine externe Heizquelle erwärmt worden ist) in dem Kessel eingespritzt. Dies führt zur Übertragung von Wärme von der externen Wärmequelle zu dem Hydraulikfluid und nachfolgend zu dem Arbeitsfluid und initiiert die Erwärmung bei konstantem Volumen und die Zustandsänderung des oben erwähnten Arbeitsfluids (mit anderen Worten, das als eine Flüssigkeit eingespritzte Arbeitsfluid beginnt zu verdampfen). Die Erwärmung setzt sich natürlich (in Form einer Erwärmung mit konstantem Volumen) fort, bis sich der Arbeitsfluid-Dampfdruck ausreichend erhöht hat, um zu veranlassen, dass sich das Hydraulikfluid von der Ausgangsposition wegzubewegen beginnt, und setzt sich anschließend (in Form einer Erwärmung bei konstantem Druck) weiter fort, bis im Wesentlichen alles eingespritzte Arbeitsfluid verdampft ist.
Wie ebenfalls im Folgenden beschrieben wird, kann in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das flüssige Arbeitsfluid aber durch herkömmlichere Wärmeaustauschtechniken erwärmt werden, sodass die Übertragung von Wärme direkt von einer externen Wärmequelle zu dem Arbeitsfluid erfolgt (das Hydraulikfluid selbst somit nicht erwärmt zu werden braucht), um die Erwärmung bei konstantem Volumen und die Zunahme des Dampfdrucks, die veranlasst, dass sich das Hydraulikfluid von der oben erwähnten Ausgangsposition wegbewegt, bereitzustellen, worauf die Erwärmung bei konstantem Druck folgt.
In einer bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung enthält die Wärmekraftmaschine in Verwendung Hydraulikfluid über und unter einem Separator, wobei sich das Hydraulikfluid über dem Separator innerhalb des Kessels befindet (somit als ”Kesselhydraulikfluid” bezeichnet) und das Hydraulikfluid unter dem Separator (das ”Separatorhydraulikfluid”) in Fluidverbindung mit einem Leistungsumwandlungsmittel steht, um die hin- und hergehende Separatorbewegung (und wiederum die hin- und hergehende Separatorhydraulikfluidbewegung) in Nutzarbeit umzuwandeln. Die Verwendung eines solchen Separators ist häufig bevorzugt, um die Druckvervielfachung und Temperaturdifferenzen zu nutzen, die über einen Separator erzielbar sind, und außerdem (falls erwünscht) die Verwendung verschiedener Hydraulikfluide über und unter dem Separator zuzulassen.
In dieser Form ist die Dampfdruckzunahme in dem Kessel, bevor sich der Separator von einer Ausgangsposition wegbewegt, wieder durch eine Erwärmung bei im Wesentlichen konstantem Volumen des Arbeitsfluids, vorzugsweise dadurch, dass es direkt in das Kesselhydraulikfluid eingespritzt wird, und eine nachfolgende Zustandsänderung von einer Flüssigkeit zu einem Gas wenigstens eines Teils des eingespritzten Arbeitsfluids verursacht.
Während sich die umfassendste Form der vorliegenden Erfindung auf die (wie auch immer erzeugte) Hin- und Herbewegung von Hydraulikfluid, das den Kessel verlässt, als das bezieht, das schließlich in Nutzarbeit umgewandelt wird, somit sollte anerkannt werden, dass die Hin- und Herbewegung wenigstens in dieser Form der vorliegenden Erfindung am leichtesten hinsichtlich der Hin- und Herbewegung eines Separators (oder wie im Folgenden in Bezug auf andere Formen der Erfindung beschrieben eines Separators in der spezifischen Form eines Kolbens) verstanden wird.
Bevor zu einer allgemeinen Beschreibung verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung übergegangen wird, sind einige wichtige Angaben über einen Teil der Sprache zu machen, der in dieser Anmeldung durchgängig verwendet wird.
Der Begriff ”Separator” ist oben zur Beschreibung eines Elements verwendet worden, auf das häufig als ein ”Kolben” Bezug genommen werden könnte. Obgleich eine Mehrzahl der Ausführungsformen der Wärmekraft maschine der vorliegenden Erfindung wahrscheinlich die Verwendung eines Separators in der spezifischen Form eines herkömmlichen Kolbens umfassen, ist dies nicht bei allen Ausführungsformen der Fall. Somit wird der allgemeine Begriff ”Separator” nicht nur in Bezug auf das Element verwendet, das er repräsentiert, sondern auch in Bezug auf zugeordnete Elemente wie etwa ein ”Separatorhaltemittel” und ein ”Separatorrückführmittel”.
Unter Berücksichtigung dessen ist die Bedeutung, die somit für den Begriff ”Separator” angenommen wird, wo er in dieser Patentschrift durchgängig verwendet wird, ähnlicher ”einem beweglichen Element (wie etwa einer Sperre, einer Scheibe oder einem Kolben), das eng in ein Hohlelement (wie etwa einen Zylinder) passt und durch Druck abwechselnd vorwärts und rückwärts angetrieben werden kann, um dadurch einem anderen Element eine hin- und hergehende Bewegung zu erteilen”. Der Separator kann die Form eines herkömmlichen Kolbens (der ein Kolbenkopf mit oder ohne eine Kolbenstange an einer Seite ist) aufweisen oder kann ein einfaches scheibenförmiges Element an der Grenzfläche zwischen zwei Volumina des Hydraulikfluids sein.
Ferner werden einige Begriffe verwendet (und sind verwendet worden), um die räumliche Beziehung verschiedener Elemente der Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung zu definieren. Diesbezüglich beruhen räumliche Bezugnahmen in dieser Patentschrift durchgängig allgemein auf einer Wärmekraftmaschine, die in einer allgemein aufrechten Orientierung arbeitet, sodass sich irgendwelcher in dem Kessel während der Zustandsänderung des Arbeitsfluids erzeugte Dampf (wenigstens in einigen Formen der vorliegenden Erfindung) allgemein von dem Hydraulikfluid weg (und in Ausführungsformen, die einen Separator nutzen, von dem Separator weg) nach oben bewegt. Mit dieser Umgebung als die Grundlage können einige Elemente daraufhin mit Bezugnahme auf ”nach oben” oder ”nach unten” definiert werden, was weitere Bezugnahmen auf ”oben” und ”unten” zulässt.
Ferner wird anerkannt werden, dass der Kessel der Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung viele Formen annehmen kann und eine einzelne integrierte Einheit im herkömmlichen Sinn sein kann oder eine Anzahl diskreter Elemente enthalten kann, die zusammen die geforderte Funktionalität bereitstellen. Somit kann der ”Kessel” der Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung in einer Form irgendeine Form eines Wärmetauscher- oder Wärmeaustauschsystems enthalten, das für die oben beschriebene geforderte Erwärmung Wärme an ein Arbeitsfluid (im Idealfall von einer externen Wärmequelle) übertragen kann. In der Form der vorliegenden Erfindung, in der das Hydraulikfluid erwärmt wird und das flüssige Arbeitsfluid direkt darin eingespritzt wird, kann der Kessel alternativ ein Wärmetauscher- oder Wärmetauschsystem vom herkömmlichen Typ enthalten, das Wärme an das Hydraulikfluid (im Idealfall wieder von einer externen Wärmequelle) übertragen kann.
In einigen Formen der vorliegenden Erfindung kann der Kessel außerdem ein Volumen enthalten, innerhalb dessen wenigstens ein Teil des Hydraulikfluids enthalten sein kann, wobei das Hydraulikfluid in der Weise enthalten ist, dass die Zunahme des Dampfdrucks des Arbeitsfluids (durch irgendeines der oben beschriebenen Mittel) auf das Hydraulikfluid eine Kraft ausüben kann, um das Hydraulikfluid wenigstens aus der oben erwähnten Ausgangsposition wegzubewegen, um die Hin- und Herbewegung zu beginnen. Natürlich befindet sich der Separator in einer Ausführungsform, die einen Separator des oben erwähnten Typs nutzt, wenigstens für einen Teil des Betriebskreisprozesses der Wärmekraftmaschine wahrscheinlich ebenfalls innerhalb dieses Kesselvolumens.
In vielen Formen der Erfindung befinden sich solche Wärmetauscher- oder Wärmeaustauschsysteme zweckmäßig entweder vollständig oder teilweise innerhalb des Kesselvolumens, wobei das Kesselvolumen über dem Hydraulikfluid (und über einem Separator, wo verwendet) einen Raum für den Arbeitsfluiddampf enthält.
Das oben erwähnte Arbeitsfluid-Einspritzmittel enthält normalerweise an einem geeigneten Ort in dem Kessel über einer Arbeitsfluid-Einspritzeinrichtung eine Pumpe für das gesteuerte Einspritzen des Arbeitsfluids in den Kessel (entweder als eine Flüssigkeit oder im Wesentlichen als eine Flüssigkeit und in einer Form als eine Flüssigkeit in das Hydraulikfluid direkt), wobei die Arbeitsfluidpumpe vorzugsweise über ein geeignetes Steuermittel betreibbar ist.
Das oben erwähnte Hydraulikfluid-Haltemittel (das in einer Form ein Separatorhaltemittel oder ein Kolbenhaltemittel ist) ist in einer Form ein innerhalb der Leitung des Hydraulikfluids enthaltenes Halteventil, das sich zwischen dem Kessel und dem Leistungsumwandlungsmittel (und somit in einer Form zwischen dem Separator und dem Leistungsumwandlungsmittel) befindet. Das Halteventil ist vorzugsweise über ein geeignetes Steuermittel in Ansprechen auf den Arbeitsfluiddruck in dem Kessel betreibbar. Tatsächlich ist im Idealfall ein einziges Steuermittel nicht nur für das Betreiben des Halteventils und zum Regulieren der Zeiteinstellung und Strömung der Arbeitsfluidpumpe verantwortlich (das somit nominell einen Teil des Arbeitsfluid-Einspritzmittels bildet), sondern ist es auch für den Betrieb eines Auslassventils verantwortlich. Die bevorzugte Form und Funktionalität eines solchen Halteventils wird im Folgenden in Bezug auf einen Betriebskreisprozess der Wärmekraftmaschine beschrieben.
Das Arbeitsfluid, das den Zustand beim Erhitzen von einer Flüssigkeit zu einem Gas ändert, läuft vorzugsweise in einem geschlossenen Kreislauf durch die Wärmekraftmaschine um. Im Fall eines Arbeitsfluids wie etwa Wasser (ideal zur Verwendung, wo ein Hochtemperaturbetrieb akzeptabel oder erforderlich ist), das preiswert und leicht nachgefüllt werden kann, ist es möglich, die Wärmekraftmaschine als ein offenes System zu betreiben, bei dem das Arbeitsfluid beim Austritt aus dem Auslassventil wenigstens teilweise an die Atmosphäre abgegeben wird. In dieser Form gäbe es keine zusätzliche Anforderung eines Kondensatormittels. Allerdings kann das Arbeitsfluid im Fall eines Arbeitsfluids, das zur Verwendung beim Nieder- bis Mitteltemperaturbetrieb erforderlich ist, ein herkömmliches organisches Kühlmittel (wie etwa die durch die Honeywell International, Inc., vertriebenen Kühlmittel, die unter den Warenzeichen R134a und R245fa bekannt sind) sein, wobei die Wärmekraftmaschine als ein geschlossenes System betrieben werden müsste, wobei das gasförmige Arbeitsfluid nach Verlassen des Auslassventils auf herkömmliche Weise in einem Kondensator in seinen flüssigen Zustand zurückgeführt wird.
Natürlich kann das Hydraulikfluid irgendein geeignetes Fluid sein, das im Wesentlichen inkompressibel ist. Beispiele geeigneter Hydraulikfluide sind eines oder mehrere einer großen Gruppe aus Mineralöl, Wasser oder Fluiden auf Wassergrundlage, die in Hydrauliksystemen als das Medium verwendet werden. Unter Berücksichtigung dessen kann das Grundmittel für ein geeignetes Hydraulikfluid eines oder mehrere von Rizinusölen, Glykolen, Ester, Ethern, Mineralölen, Organophosphatestern, Chutte und Polyalphaolefinen, Polypropylenglykolen oder Silikon sein.
In der Form der vorliegenden Erfindung, in der das Arbeitsfluid direkt in das Hydraulikfluid eingespritzt wird, damit das Hydraulikfluid das Arbeitsfluid erwärmt (und zum Sieden bringt), ist das Hydraulikfluid dann vorzugsweise von einem Typ, der im Wesentlichen unvermischbar ist, sodass der Arbeitsfluiddampf an der Grenzfläche zwischen dem Hydraulikfluid und dem Arbeitsfluiddampf auf das Hydraulikfluid drückt, um die Bewegung des Körpers des Hydraulikfluids ohne erneutes Mischen mit dem Hydraulikfluid zu veranlassen.
Vorzugsweise arbeitet die Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung in einem Kreisprozess. Eine zweckmäßige Stelle in dem Kreisprozess, um mit einer Beschreibung davon zu beginnen, ist das Einspritzen des Arbeitsfluids in den Kessel durch das Arbeitsfluid-Einspritzmittel, obgleich anerkannt wird, dass ein kontinuierlicher Kreisprozess wie etwa der in einer Wärmekraftmaschine dieses Typs betriebene dazu neigt, keinen offensichtlichen Ausgangspunkt oder Endpunkt aufzuweisen. Obgleich es zweckmäßig ist, den allgemeinen Betrieb der Wärmekraftmaschine hinsichtlich einer Ausführungsform zu beschreiben, in der das flüssige Arbeitsfluid durch eine Pumpe direkt in das erwärmte Hydraulikfluid eingespritzt wird und in der an der Bereitstellung der hin- und hergehenden Bewegung des Hydraulikfluids ein Separator beteiligt ist, wird außerdem anerkannt, dass die vorliegende Erfindung auf eine solche Ausführungsform nicht beschränkt sein soll.
Übergehend zu einer allgemeinen Beschreibung des Betriebskreisprozesses betreibt ein Steuermittel vorzugsweise eine Arbeitsfluidpumpe in der Weise, dass eine gesteuerte Menge flüssiges Arbeitsfluid in das Hydraulikfluid in einem Kessel eingespritzt wird. Das Hydraulikfluid in dem Kessel wird durch eine externe Wärmequelle, die in einer Form ein Sonnenwärmekollektor sein kann, erwärmt (oder ist durch sie erwärmt worden). Während die Temperatur des in das Hydraulikfluid in dem Kessel eingespritzten flüssigen Arbeitsfluids steigt, findet die Zustandsänderung des Arbeitsfluids von einer Flüssigkeit zu einem Gas statt (was effektiv das Sieden des Arbeitsfluids ist), wobei die Menge des Arbeitsfluids, dessen Zustand sich ändert, allmählich zunimmt. Während sich der Zustand wenigstens eines Teils des Arbeitsfluids zu einem Gas ändert, nimmt der Dampfdruck in dem Kessel (im Ergebnis dieser Erwärmung bei konstantem Volumen) zu. In einer Form ist ein Separator an diesem Punkt weiter in seiner Nennausgangsposition und wird durch ein Separatorhalteventil, das geschlossen bleibt, an seiner Stelle gehalten.
Wenn der Dampfdruck in dem Kessel auf ein vorgegebenes Schwellenniveau zugenommen hat, veranlasst das Steuermittel, dass sich das Separatorhalteventil öffnet, was zulässt, dass sich der Separator unter dem Einfluss des Dampfdrucks des Arbeitsfluids aus der Nennausgangsposition wegbewegt, wobei sich die Erwärmung unter konstantem Druck des Arbeitsfluids fortsetzt, bis sich der Zustand im Wesentlichen des gesamten Arbeitsfluids geändert hat.
In einer Form der Erfindung kann das Steuermittel einteilig mit dem Separatorhalteventil sein und die Kraft erfassen, die auf den Separator ausgeübt wird, und daraufhin das Separatorhalteventil öffnen, wenn eine Schwellenkraft erreicht ist. In einer abermals anderen Form ist vorgesehen, dass das Separatorhaltemittel mechanische Anschläge enthält, die eine physikalische Festhaltung des Separators bereitstellen, wobei die Anschläge in Ansprechen auf ein Signal von dem Steuermittel zurückgezogen werden, wobei das Signal entweder auf den Kesseldruck anspricht oder auf die Separatorkraft anspricht.
In einer abermals anderen Form der vorliegenden Erfindung kann das Hydraulikfluid-Haltemittel (und somit in einer Form das Separatorhaltemittel) durch die Lasteigenschaften eines Leistungsumwandlungsmittels, z. B. dadurch, dass eine Lasteigenschaft bereitgestellt wird, die sicher stellt, dass sich das Hydraulikfluid (oder der Separator) erst wesentlich bewegt, wenn in dem Kessel ein wesentlicher Druck erzeugt wird, bereitgestellt werden. In dieser Form der vorliegenden Erfindung braucht es keinen festen Kesseldruckschwellenwert zu geben, bei dem sich das Hydraulikfluid (oder der Separator) aus seiner Ausgangsposition zu bewegen beginnt; vielmehr kann das Hydraulikfluid (oder der Separator) seine Bewegung beginnen, während der Hydraulikdruck zuzunehmen beginnt, obgleich im Idealfall ein wesentlicher Abschnitt dieses Hubs erst auftritt, wenn der Druck in dem Kessel wesentlich zugenommen hat, um von dem expandierenden Arbeitsfluiddampf eine wesentliche Menge Arbeit zu erzeugen.
Die Bewegung des Hydraulikfluids unter dem Einfluss des expandierenden Arbeitsfluiddampfs wird natürlich zum Verrichten von Nutzarbeit, vorzugsweise unter Verwendung des oben erwähnten Leistungsumwandlungsmittels, verwendet. Dies kann auf eine Anzahl verschiedener Arten erfolgen, wobei diese dem Fachmann auf dem Gebiet gut bekannt sind. Zum Beispiel könnte das Leistungsumwandlungsmittel die Umwandlung der hin- und hergehenden Bewegung eines Separators wie etwa eines Kolbens in eine Drehbewegung, z. B. einer Kurbelwelle über eine Pleuelstange, enthalten. Diese Drehbewegung könnte daraufhin für eine große Anzahl von Nutzzwecken wie etwa zum Antreiben eines Fahrzeugs, zum Antreiben eines Wechselstromerzeugers oder eines Generators zum Erzeugen von Elektrizität oder zur Leistungsversorgung einer Pumpe zum Pumpen von Wasser (oder dergleichen) genutzt werden.
Wenn die Separatorbewegung, zurückkehrend zur Beschreibung des Kreisprozesses der Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung, entweder dadurch, dass ein physikalischer Anschlag erreicht ist, oder dadurch, dass der verbleibende Druck in dem Kessel nicht mehr ausreicht, um den Separator gegen eine Last zu bewegen, angehalten wird, wird dies vorzugsweise durch das Steuermittel erfasst. Der Controller öffnet daraufhin vorzugsweise ein Auslassventil, was ermöglicht, dass die expandierten Gase des Arbeitsfluids (in einer Form) mit einem Arbeitsfluidkondensator in Verbindung treten. In einer anderen Form der vorliegenden Erfindung kann das Anhalten des Separators veranlassen, dass das Auslassventil durch die direkte Anwendung eines mechanischen Gestänges oder eines anderen direkten Betätigungsmittel geöffnet wird. In einer abermals anderen Form der vorliegenden Erfindung kann sich das Auslassventil eher automatisch öffnen, wenn der Separator eine Sollposition erreicht, als wenn sich der Separator zu bewegen aufhört.
Der Betrieb des Auslassventils kann direkt erfolgen wie etwa dadurch, dass eine Mündung in einer Zylinderwand freigelegt wird, oder kann dadurch betrieben werden, dass das Steuermittel einen Sensor überwacht, der die Separatorposition misst und daraufhin das Auslassventil betätigt.
In allen Formen der Erfindung wirkt das Hydraulikfluid-Rückführmittel daraufhin in der Weise, dass es das Hydraulikfluid in seine Ausgangsposition zurückbewegt. In einer bevorzugten Form, wiederum einer, die die Verwendung eines Separators enthält, kann das Separatorrückführmittel eine Feder oder ein anderes elastisches Mittel sein, das auf den Separator wirkt. Alternativ kann es ein elastisches Mittel sein, das auf das Hydraulikfluid wirkt, das wiederum auf den Separator wirkt. Es kann ebenfalls das Hydraulikfluid sein, das, wie etwa durch einen ähnlichen Kessel einer zweiten Wärmekraftmaschine, die in einer anderen Phase ihres Kreisprozesses ist, in den Kessel gedrängt wird. Diese Bewegung wirkt so, dass sie den verbleibenden expandierten Arbeitsfluiddampf über das Auslassventil in den Kondensator oder, falls es kein geschlossenes System ist, unter Verwendung eines Arbeitsfluids wie etwa eines Kühlmittels an die Atmosphäre ausstößt.
An diesem Punkt in der Beschreibung des Betriebskreisprozesses ist es außerdem zweckmäßig, die mögliche Verwendung normaler Begriffe einer Hubkolbenmaschine wie etwa ”oberer Totpunkt (TDC)” und ”unterer Totpunkt (BDC)” zu erläutern. Die obige Beschreibung hat Bezug genommen auf eine Nennausgangsposition für einen Separator und außerdem auf eine Position, in der die Bewegung eines Separators anhält. In Bezug auf herkömmliche Wärmekraftmaschinen (mit herkömmlichen Kolben- und Zylinderanordnungen) könnten diese zwei Positionen als TDC bzw. BDC bezeichnet werden. Obgleich diese zwei Bezugnahmen im Folgenden gelegentlich bei der Beschreibung wenigstens einiger der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, werden sie zweckmäßigkeitshalber und zum leichten Verständnis verwendet und sollen nicht als Einschränkung angesehen werden. Tatsächlich kann der TDC in einigen Formen der Erfindung, die keine allgemein senkrechte Konfiguration erfordern, an einem Ort auftreten, der tiefer als der (oder unter dem) BDC ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachdem die an der vorliegenden Erfindung beteiligten allgemeinen Konzepte kurz beschrieben worden sind, werden nun mehrere bevorzugte Ausführungsformen einer Wärmekraftmaschine in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung beschrieben. Allerdings soll die folgende Beschreibung die Allgemeinheit der obigen Beschreibung selbstverständlich nicht einschränken.
In den Zeichnungen ist:
1 ein Ablaufplan einer Wärmekraftmaschine in Übereinstimmung mit einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ablaufplan einer Wärmekraftmaschine in Übereinstimmung mit einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein Ablaufplan einer Wärmekraftmaschine in Übereinstimmung mit einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4a ein Ablaufplan einer Wärmekraftmaschine in Übereinstimmung mit einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4b ein Ablaufplan, der eine alternative Kesselanordnung zur Verwendung mit der in 4a gezeigten Ausführungsform zeigt;
5 ein Ablaufplan einer Wärmekraftmaschine in Übereinstimmung einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ein Zeitablaufplan, der die Hauptelemente des Betriebskreisprozesses für die fünfte Ausführungsform aus 5 zeigt; und
7 das Temperatur-Entropie-(TS-)Diagramm eines thermodynamischen Kreisprozesses, das den Betriebskreisprozess für die vier Ausführungsformen aus 1 bis 5 veranschaulicht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 enthält die erste Ausführungsform der Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung einen Arbeitsfluidbehälter 200, aus dem durch die Pumpe 202 eines Arbeitsfluid-Einspritzmittels periodisch Arbeitsfluid in flüssiger Form in einen Kessel 203 eingespritzt wird. Die Gegenströmung, wie sie etwa auftreten kann, wenn der Druck in dem Kessel 203 steigt, wird durch ein Rückschlagventil 204 verhindert, das somit ebenfalls einen Teil des Arbeitsfluid-Einspritzmittels bildet.
Der äußeren Wärmeübertragungsoberfläche 205 an dem Kessel 203 wird von einer externen Wärmequelle (nicht gezeigt) wie etwa von einer heißen Flüssigkeit oder von einem heißen Gas, das durch Verbrennung eines Kraftstoffs erzeugt werden kann, oder von Solarenergie oder das die Abwärme von einem industriellen Prozess sein kann Wärme zugeführt. Es wird anerkannt werden, dass viele andere Möglichkeiten für eine externe Wärmequelle existieren.
Der Kessel 203 steht in Verbindung mit einer Expansionseinrichtung 207. Ein Separator 208 in der Expansionseinrichtung 207 ist an seiner Ausgangsposition gezeigt und weist eine Oberfläche 226 auf, die mit dem Kessel 203 in Verbindung steht. Die andere Oberfläche 227 des Separators 208 steht in Kontakt mit einem Hydraulikfluid wie etwa Öl. Durch das Ventil 230, das die Strömung des Hydraulikfluids aus der Expansionseinrichtung 207 verhindert, wird verhindert, dass sich der Separator 208 aus seiner Ausgangsposition wegbewegt. Ein Rückschlagventil 222 stellt sicher, dass kein Hydraulikfluid entlang des Wegs 231 aus der Expansionseinrichtung 207 entweichen kann.
Wenn der Druck in dem Kessel 203 auf einen vorgegebenen Schwellenwert zunimmt, wird dies durch den Controller 206 erfasst oder auf andere Weise bestimmt, der daraufhin das Ventil 230 betätigt, um zu ermöglichen, dass das Hydraulikfluid die Expansionseinrichtung 207 verlässt und sich in einen Hydraulikmotor 223 bewegt (worauf folgend das Hydraulikfluid in einen Behälter 224 strömt). Eine Drehwellenausgabe (nicht gezeigt) von dem Hydraulikmotor 223 kann daraufhin für Nutzzwecke wie etwa zum Antreiben eines Fahrzeugs, zum Antreiben eines Wechselstromerzeugers oder Generators zum Erzeugen von Elektrizität oder zur Leistungsversorgung einer Pumpe zum Pumpen von Wasser verwendet werden.
Wenn der Separator 208 den unteren Totpunkt (BDC) erreicht, wird dies durch den Controller 206 erfasst oder auf andere Weise bestimmt, der daraufhin bewirkt, dass das Auslassventil 213 öffnet und das Ventil 230 schließt, was ermöglicht, dass Arbeitsfluid die Expansionseinrichtung 207 verlässt und in einen Kondensator 214 eintritt. Das Arbeitsfluid wird daraufhin in flüssiger Form an den Behälter 200 zurückgegeben. Daraufhin bewegt sich der Separator 208 unter dem Einfluss der Feder 220 zum TDC.
Während der Separator 208 den TDC erreicht, veranlasst der Controller 206, dass das Auslassventil 213 und das Ventil 230 geschlossen werden. Während das Ventil 230 geschlossen wird, wird Hydraulikfluid aus dem Behälter 224 über das Rückschlagventil 222 in die Expansionseinrichtung 207 gesaugt. Das Ventil 213 wird geschlossen und die Pumpe 202 wird erneut betrieben, um Arbeitsfluid in den Kessel 203 einzuspritzen, sodass sich der Kreisprozess wiederholt.
Der in 1 gezeigte Kreisprozess für den Betrieb der ersten Ausführungsform wird nun anhand des in 7 gezeigten Diagramms des ther modynamischen Kreisprozesses erläutert. Diese Figur zeigt den thermodynamischen Kreisprozess in einem Temperatur-Entropie-(Ts-)Diagramm.
Wenn der Separator 208 beim TDC ist und die Abgase über das Ventil 213 ausgestoßen worden sind, wird das Ventil 213 geschlossen. Sobald das Ventil 213 geschlossen worden ist, wird über die Pumpe 202 flüssiges Arbeitsfluid in den Kessel 203 eingespritzt. An diesem Punkt ist das Arbeitsfluid eine gesättigte oder unterkühlte Flüssigkeit. In 7 ist dieser Zustand beim Punkt 1 gezeigt, wo das Arbeitsfluid etwas unterkühlt gezeigt ist.
Während zu dem Arbeitsfluid in dem Kessel 203 Wärme zugegeben wird, steigen seine Temperatur und sein Druck, während das Volumen, in dem es gehalten ist, wegen des Rückschlagventils 204, des geschlossenen Auslassventils 213 und des beschränkten Separators 208, die alle die Strömung des Arbeitsfluids aus dem Kessel 203 verhindern, konstant bleibt. Dieser Anstieg ist in 7 durch die Linie konstanten Volumens vom Zustand 1 zum Zustand 2 angegeben. Im Zustand 2 ist das Arbeitsfluid üblicherweise immer noch eine im Wesentlichen gesättigte Flüssigkeit. Diese Linie vom Zustand 1 zum Zustand 2 in 7 widerspiegelt den Idealfall, in dem die Flüssigkeit relativ zu der Zeit, die für die Erwärmung bei konstantem Volumen erforderlich ist, sehr schnell eingespritzt wird. Ein Fachmann wird anerkennen, dass der tatsächliche Weg vom Zustand 1 zum Zustand 2 von dem Gezeigten abweicht, falls das Einspritzen der Flüssigkeit langsamer geschieht.
Wenn der Druck auf den Schwellenwert steigt, wird der Separator 208 freigegeben, was ermöglicht, dass das Arbeitsfluid expandiert und gegen die erste Oberfläche 226 des Separators 208 Arbeit verrichtet. Während dieser Phase des Kreisprozesses verdampft die flüssige Komponente des Arbeitsfluids, wobei dies in 7 durch die Linie vom Zustand 2 zum Zustand 3 dargestellt ist. Allerdings sollte anerkannt werden, dass in der Praxis eine wesentliche Wärmeeingabe erforderlich wäre, um die horizontale Linie horizontal zu halten (und somit den konstanten Druck und die konstante Temperatur aufrechtzuerhalten). Obgleich dies erwünscht ist, um die Wirkungsgrade zu maximieren, kann es nicht immer erreicht werden, sodass es vom Zustand 2 zum Zustand 3 einen leichten Abfall der Temperatur oder des Drucks geben kann. Im Zustand 3 ist die gesamte Flüssigkeit verdampft.
Entlang der Linie vom Zustand 3 zum Zustand 4 in 7 expandiert das Gas weiter. In dem idealen Expansionsprozess findet dies bei konstanter Entropie statt, was in 7 als eine vertikale Linie erscheinen würde. In der Praxis gibt es eine Entropiezunahme, wie tatsächlich in 7 gezeigt ist.
Wenn dies durch den Controller 206 vorgeschrieben wird, wird das Auslassventil 213 geöffnet. In einer Form der Erfindung geschieht dies, wenn der Druck auf den Druck in dem Kondensator 214 gefallen ist oder wenn der Kolben den BDC erreicht hat, je nachdem, was zuerst geschieht. In 7 bewegt sich das Arbeitsfluid, falls dann, wenn sich das Ventil 213 öffnet, der Druck in der Expansionseinrichtung 207 den Druck des Kondensators 214 übersteigt, vom Zustand 4, während sich das Ventil öffnet, zum Zustand 4a.
Daraufhin wird das Arbeitsfluid über das Ventil 213 in den Kondensator 214 ausgestoßen, während sich der Kolben zum TDC zurück nach oben bewegt. In dem Kondensator 214 wird von dem Arbeitsfluid Wärme abgeführt und wird das Arbeitsfluid zum Zustand 1 zurückgebracht, wobei es sich in dem Behälter 200 ansammelt, während es den Kondensator 214 verlässt.
In 2 ist die zweite Ausführungsform der Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung etwas ähnlich der ersten Ausführungsform und ist sie eine Ausführungsform, die einen Separator in Form einer Scheibe 8 enthält und die ein Arbeitsfluid-Einspritzmittel mit einer Einspritzeinrichtung in Form einer Düse 40 nutzt, wobei das flüssige Arbeitsfluid über die Düse 40 direkt in das erwärmte Hydraulikfluid in einem Kessel 42 mit einer anderen Konfiguration als der oben in Bezug auf 1 beschriebenen eingespritzt wird, wie sie nun ausführlicher beschrieben wird.
Die Wärmekraftmaschine der in 2 gezeigten Ausführungsform weist einen Kessel 1 auf, aus dem flüssiges Arbeitsfluid über ein Rückschlagventil 4 durch eine Pumpe 2 gepumpt werden kann. Das Arbeitsfluid wird über die Düse 40 (wobei die Düse 40, die Pumpe 2 und das Rückschlagventil 4 somit das oben erwähnte Arbeitsfluid-Einspritzmittel bilden) in das Hydraulikfluid in dem Kessel 42 über der Trennscheibe 8 in einer Einheit 25 eingespritzt, die der Fachmann als eine solche erkennt, die die angemessen herkömmliche Erscheinung einer kombinierten Kessel-/Expansionsanordnung aufweist. Die Heizschlange 43 in dem Kessel 42 wird verwendet, um von einer externen Wärmequelle (wie etwa von einer Solarheizquelle) dem Hydraulikfluid in dem Kessel 42 Wärme zuzuführen. In einer anderen Form der Erfindung könnte das Hydraulikfluid unter Verwendung einer geeigneten Pumpe aus dem Kessel 42 zu einer externen Heizeinrichtung transportiert und daraufhin mit einer höheren Temperatur zurückgeführt werden.
Wenn das flüssige Arbeitsfluid in das erhitzte Hydraulikfluid in dem Kessel 42 eingeleitet wird, wird das flüssige Arbeitsfluid im Ergebnis der di rekten Wärmeübertragung zwischen dem Hydraulikfluid und dem Arbeitsfluid erwärmt. Dies führt zu einer Zunahme des Drucks des Arbeitsfluids (bei konstantem Volumen) und zu einer Neigung, dass wenigstens ein Teil des Arbeitsfluids in die Gasphase übergeht. Das Gas schwimmt und neigt dazu, aufzusteigen und sich oben im Behälter 42 zu sammeln, der mit einer Aussparung 41 gezeigt ist, um diesen Arbeitsfluiddampf besser zu sammeln.
Eine Nennausgangsposition für die Separatorscheibe 8 ist durch Grenzanschläge in Form von Schultern 50 definiert, die die Weiterbewegung der Separatorscheibe 8 unter dem Einfluss einer Feder 20 verhindern. Diese wie in 2 gezeigte Nennausgangsposition für die Separatorscheibe 8 wird häufig als TDC bezeichnet. Der zunehmende Druck des Arbeitsfluiddampfs wirkt auf das Hydraulikfluid in dem Behälter 42, das wiederum auf die Oberseite 26 der Separatorscheibe 8 wirkt. Der Expansionstakt der Separatorscheibe 8 beginnt, wenn ein Steuermittel in Form eines Controllers 6 ein Separatorhaltemittel in Form eines Separatorhalteventils 30 betreibt, was ermöglicht, dass das Hydraulikfluid unter der Separatorscheibe 8 (das so genannte ”Separatorhydraulikfluid”) in Verbindung mit der Unterseite 27 der Separatorscheibe 8 in einen Hydraulikmotor 23 eintritt.
In dieser Ausführungsform ist eine Last gezeigt, die einen Wechselstromerzeuger 50 umfasst, der einem kombinierten Gleichrichter und Wechselrichter 51, der wiederum eine elektrische Wechselstromlast (nicht gezeigt) speist, Elektrizität zuführt. Dagegen wäre das Ventil 30 in einer anderen Form nicht enthalten und wäre die Lasteigenschaft des Wechselrichters 51 derart, dass sich der Wechselstromerzeuger 50 und somit auch der Motor 23 nur mit niedriger Drehzahl drehen würden, bis der Gasdruck in dem Kessel 42 ausreichend steigt, um zu veranlassen, dass der Motor 23 ein ausreichendes Drehmoment erzeugt, um den Wechselstromerzeuger mit einer höheren Drehzahl zu drehen, wobei in dieser Phase die bei dem Separator erforderliche Kraft verringert wird.
Wenn die Separatorscheibe 8 das Ende ihres Hubs erreicht (wieder häufig als BDC bezeichnet), wird ein Auslassventil 13 geöffnet und das Ventil 30 geschlossen. Das Öffnen des Auslassventils 13 ermöglicht, dass das gasförmige Arbeitsfluid in der Aussparung 41 und im Rest des Kessels 42 austritt. Im Idealfall ist die Menge des Hydraulikfluids in dem Kessel 42 dann derart, dass kein Kesselhydraulikfluid durch das Auslassventil 13 ausgestoßen wird, während die Scheibe 8 unter dem Einfluss einer Feder 20 in die Nennstartposition zurückkehrt. Tatsächlich ist es erwünscht sicherzustellen, dass eine Menge Gas in dem Kesselvolumen bleibt, was einen gewissen Kompressionsraum für flüssiges Arbeitsfluid lässt, das durch die Arbeitsfluidpumpe 2 eingespritzt werden soll, ohne einen sehr hohen Druck zu erzeugen.
Obgleich diese Ausführungsform eine Separatorscheibe 8 enthält und obgleich diese Separatorscheibe 8 selbst von ihrer Nennausgangsposition weg und in Richtung ihrer Nennausgangsposition hin und her geht, gibt es, wie somit zu sehen ist, dennoch außerdem weiter eine identifizierbare Hin- und Herbewegung wenigstens des Separatorhydraulikfluids, wobei es diese Hydraulikfluidbewegung ist, die schließlich gemäß den obigen allgemeinen Aussagen der Erfindung in Nutzarbeit umgewandelt wird.
Wieder anhand des in 7 gezeigten Diagramms des thermodynamischen Kreislaufs wird nun der Betriebskreisprozess der Wärmekraftmaschine dieser zweiten Ausführungsform erläutert.
Wenn die Separatorscheibe 8 wie oben erwähnt beim TDC ist und in dieser Position gehalten wird und wenn die Abgase von dem vorangegangenen Kreisprozess über das Auslassventil 13 ausgestoßen worden sind, wird das Auslassventil 13 geschlossen. Etwa gleichzeitig wird über die Arbeitsfluidpumpe 2 flüssiges Arbeitsfluid direkt in das Hydraulikfluid im Kessel 42 eingespritzt. An diesem Punkt ist das Arbeitsfluid eine gesättigte oder unterkühlte Flüssigkeit. In 7 ist dieser Zustand beim Punkt 1 gezeigt, wo das Arbeitsfluid etwas unterkühlt gezeigt ist.
Während dem Arbeitsfluid in dem Kessel 42 Wärme zugeführt wird, steigen seine Temperatur und sein Druck, während das Volumen, in dem es gehalten ist, wegen des Rückschlagventils 4, des geschlossenen Auslassventils 13 und der beschränkten Separatorscheibe 8, die alle die Strömung von Arbeitsfluid aus dem Kessel 42 verhindern, konstant bleibt. Dieser Anstieg ist durch die Linie konstanten Volumens in 7 vom Zustand 1 zum Zustand 2 angegeben. Im Zustand 2 ist das Arbeitsfluid üblicherweise immer noch im Wesentlichen eine gesättigte Flüssigkeit.
Wenn der Druck in dem Kessel 42 auf den Schwellenwert steigt, wird die Separatorscheibe 8 wegen des Öffnens des Ventils 30 freigegeben, was ermöglicht, dass das Arbeitsfluid expandiert und gegen die obere Oberfläche 26 der Separatorscheibe 8 Arbeit verrichtet. Die flüssige Komponente des Arbeitsfluids verdampft während dieser Phase des Kreisprozesses (im Zustand 3 ist die gesamte Flüssigkeit verdampft), wobei dies in 7 durch die horizontale Linie vom Zustand 2 zum Zustand 3 dargestellt ist. Allerdings wird wieder anerkannt werden, dass in der Praxis eine wesentliche Wärmezufuhr erforderlich wäre, um die horizontale Linie horizontal zu halten (und somit den konstanten Druck und die konstante Temperatur aufrecht zu erhalten). Obgleich dies erwünscht ist, um die Wirkungsgrade zu maximieren, kann es nicht immer erreicht werden, sodass es vom Zustand 2 zum Zustand 3 einen kleinen Abfall der Temperatur oder des Drucks geben kann.
Entlang der Linie vom Zustand 3 zum Zustand 4 in 7 expandiert das Gas weiter. Wie oben erwähnt wurde, geschieht dies in dem idealen Expansionsprozess mit konstanter Entropie, was in 7 als vertikale Linie erscheinen würde. Allerdings gibt es in der Praxis eine Entropiezunahme, wie tatsächlich in 7 gezeigt ist.
Wenn dies durch den Controller 6 vorgeschrieben wird, wird das Auslassventil 13 geöffnet. In einer Form der Erfindung geschieht dies, wenn der Druck auf den Druck in dem Kondensator 14 gefallen ist oder wenn die Separatorscheibe 8 den BDC erreicht hat, je nachdem, was zuerst geschieht.
In 7 bewegt sich das Arbeitsfluid, falls das Auslassventil 13 öffnet und der Druck in dem Kessel 42 den Kondensatordruck übersteigt, aus dem Zustand 4, während sich das Auslassventil zum Zustand 4a öffnet.
Während sich die Separatorscheibe zum TDC nach oben zurückbewegt, wird das gasförmige Arbeitsfluid daraufhin über das Auslassventil 13 in den Kondensator 14 ausgestoßen. In dem Kondensator 14 wird von dem gasförmigen Arbeitsfluid Wärme abgeführt und wird das Arbeitsfluid somit in seinen flüssigen Zustand im Zustand 1 zurückgeführt und sammelt sich wieder in dem Behälter 1, während es den Kondensator 14 verlässt.
Ein Nachteil der zweiten Ausführungsform ist für einige Anwendungen das intermittierende Wesen der Leistungsabgabe. Diesbezüglich wird anerkannt werden, dass während der Rückführung der Separatorscheibe 8 zum TDC (oder zur Nennausgangsposition) und der Verzögerung beim Freigeben der Separatorscheibe 8 aus dieser Nennausgangsposition, während der Kesseldruck zunimmt, keine Leistung erzeugt wird. Somit verwendet eine in 3 gezeigte dritte Ausführungsform zwei Kessel 42 und zwei Expansionseinrichtungen 25a und 25b, die abwechselnd arbeiten, um die Zeitdauer zwischen den Leistungsabgaben zu verringern. Die ”Separatoren” sind in dieser Ausführungsform als ”Kolben” 8a, 8b in den Expansionseinheiten 25a, 25b gezeigt, wobei somit diese beiden Expansionseinheiten 25a, 25b eine hin- und hergehende Strömung von Hydraulikfluid (das wieder als Separatorhydraulikfluid bezeichnet wird) erzeugen, das dem einzelnen Hydraulikmotor 23 zur Umwandlung in Nutzarbeit zugeführt wird.
Die Rückschlagventile 63, 64, 65 und 66 stellen sicher, dass die Strömung von jeder Expansionseinheit 25a, 25b durch den Hydraulikmotor 23 in derselben Richtung zugeführt wird. Die Rückschlagventile 61 und 62 ermöglichen, dass der Hydraulikkreis mit dem Hydraulikfluidtank 24 in Verbindung steht, um zu ermöglichen, dass Hydraulikfluid, falls die Bewegungen der Kolben 8a, 8b nicht genau gleich und entgegengesetzt sind, in den Tank 24 ein- oder aus ihm austritt. In dieser Ausführungsform sind die Kolben 8a, 8b so konfiguriert, dass sie eine Druckvervielfachungswirkung erzeugen. Diese tritt dadurch auf, dass die Unterseiten 27a, 27b der Kolben 8a, 8b kleiner als die gegenüberliegenden Oberseiten 26a, 26b der Kolben 8a bzw. 8b sind. Dies schafft den Vorteil einer niedrigeren Durchflussmenge und eines höheren Drucks des durch den Motor 23 strömenden Hydraulikfluids und ermöglicht somit, dass ein kleinerer Motor verwendet wird.
Vom Fachmann auf dem Gebiet wird anerkannt werden, dass irgendeine Anzahl von Kesseln und zugeordneten Expansionseinrichtungen verwen det werden kann, um einen einzelnen Hydraulikmotor mit Leistung zu versorgen.
In 4a ist eine vierte Ausführungsform gezeigt und in 4b ist eine Änderung dieser vierten Ausführungsform gezeigt. Die in 4a gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der dritten Ausführungsform, unterscheidet sich aber dadurch, dass der Separator (d. h. die festen Kolben 8a, 8b) weggelassen worden ist. Diese Ausführungsform stützt sich darauf, dass es das Hydraulikfluid ist, das eine hin- und hergehende Bewegung des Typs erfährt, der daraufhin wie im Folgenden erläutert in Nutzarbeit umgewandelt wird.
Die Ventile 30a, 30b der dritten Ausführungsform sind für diese vierte Ausführungsform ebenfalls weggelassen worden, wobei die Rolle des Hydraulikfluid-Haltemittels (des in 2 und 3 gezeigten Separatorhaltemittels) stattdessen von dem Lastwiderstand an dem Hydraulikmotor 23 übernommen wird, der dazu verwendet wird, die Rate der Hydraulikfluidströmung zu beschränken, was sicherstellt, dass der Druck in dem Arbeitsfluid nach der Einspritzung durch die Düsen 40a, 40b steigt. Diesbezüglich zeigt 4a den Kessel 25a teilweise über seinen Arbeitstakt, wobei das expandierende Arbeitsfluid Hydraulikfluid durch das Ventil 64, den Motor 23 und ein anderes Ventil 65 in den anderen Kessel 25b drückt, der im Prozess des Ausstoßens von zuvor expandiertem Arbeitsfluid durch das Auslassventil 13b und in den Kondensator 14 ist.
Weiter in Bezug auf diese vierte Ausführungsform wird der oben beschriebene thermodynamische Kreisprozess dadurch etwas geändert, dass es anstelle der Erwärmungsphase bei im Wesentlichen konstantem Volumen, die beim Zustand 2 endet, selbst bei der Anfangswärmezufuhr eine ge wisse Volumenzunahme gibt und dass das Arbeitsfluid der in 7 gezeigten Strichlinie vom Zustand 1 zum Zustand 3 folgt.
Um schließlich in Bezug auf die in 4a gezeigte vierte Ausführungsform sicherzustellen, dass die Arbeitsfluidvolumina in den zwei Kesseln 25a, 25b immer entgegengesetzt sind und dass der Kreisprozess bei jedem Kessel 25a, 25b immer 180 Grad phasenverschoben ist, sind aus der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform auch der Behälter 24 und die Ventile 61 und 62 weggelassen worden.
In 4b ist eine weitere alternative Anordnung für einen Teil der vierten Ausführungsform gezeigt, wobei sie eine alternative Form der Kesselanordnung veranschaulicht. Der Kessel 42c nutzt eine herkömmlichere Form des Wärmetauschers zur Übertragung von Wärme direkt von einer Wärmequelle 140 zu dem Arbeitsfluid in der Leitung 141 und somit zum Ändern des Zustands des Arbeitsfluids von einer Flüssigkeit zu einem Gas bei der Einspritzung des nachfolgenden Arbeitsfluiddampfs über die Düse 40. In dieser Form ist es weder ein flüssiges Arbeitsfluid, das eingespritzt wird, noch gibt es eine Einspritzung direkt in das Hydraulikfluid (d. h. in das Öl). Außerdem wird angemerkt, dass in dieser Form keine Notwendigkeit zum Erwärmen des Hydraulikfluids besteht. Tatsächlich brauchen in einer abermals anderen Form das Erwärmen des flüssigen Arbeitsfluids und seine nachfolgende Zustandsänderung nicht innerhalb der in 4(a) gezeigten Anordnung stattzufinden, sondern können entfernt von dieser Anordnung zur nachfolgenden Übertragung zu dieser Anordnung stattfinden (was in einiger Hinsicht ähnlich der allgemeinen Anordnung ist, die in der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform veranschaulicht ist).
Nunmehr übergehend zu einer Beschreibung von 5, veranschaulicht 5 eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, die (in Bezug auf ihren hin- und hergehenden Kreisprozessbetrieb mit zwei Kesseln) ähnlich der vierten Ausführungsform aus 4a ist. 5 zeigt den Kreisprozess an einem Punkt, an dem sich der Arbeitstakt eines seiner Kolben 8b dem Abschluss nähert. Der andere seiner Kolben 8a ist unter dem Einfluss der Feder 20a bereits in die Nennausgangsposition zurückgekehrt, wobei Hydraulikfluid unter der Unterseite 27a des Kolbens 8a sowohl von dem Tank 24 über die Rückschlagventile 61 und 63 und den Motor 23 als auch von dem Hydraulikfluidvolumen unter der Unterseite 27b des Kolbens 8b über die Rückschlagventile 66 und 63, den Motor 23 und das Ventil 30 nach oben angesaugt worden ist. An diesem Punkt ist der Arbeitsfluiddampf über das Ventil 13a aus dem Kessel 42a ausgetreten.
Während der Kolben 8b im Ergebnis dessen, dass das Arbeitsfluid in dem Kessel 42b über der Kolbenfläche 26b in dem Umfang expandiert ist, dass die Kraft, die es gegen den Kolben 8b bereitstellt, nicht mehr ausreicht, um ihn weiter zu bewegen, zur Ruhe kommt, hört die Hydraulikfluidströmung durch den Motor 23 auf. Dies wird durch einen Drehsensor 91 erfasst und über eine Signalverbindung (nicht gezeigt) an den Controller 6 übermittelt.
Wenn sich der Motor 23 zu drehen aufhört, können sich ein Schwungrad 80 und der Wechselstromerzeuger 50 wegen des Einflusses der Freilaufkupplung 81 frei weiterdrehen. Dies sichert einen ununterbrochenen Leistungsfluss von dem Wechselstromerzeuger 50 zu dem Wechselrichter 51 und somit zu der mit dem Wechselrichter 51 verbundenen elektrischen Last.
Während jedes Arbeitstakts eines der Kolben 8a, 8b kann der Druck auf der Hochdruckseite des Motors 23 zum Ansaugen der Pumpe 2 verwendet werden. Das Hochdruck-Hydraulikfluid steht mit dem Kolben 120 in Ver bindung und drängt ihn gegen den Einfluss der Feder 121 nach oben. Der Kolben 120 berührt dann den Kolben 122, drückt ihn ebenfalls nach oben und veranlasst, dass er Arbeitsfluid von dem Tank 1 über das Rückschlagventil 132 ansaugt. Es wird angemerkt, dass die Entlüftungsleitung 111 ebenfalls zulässt, dass der Druck in den Leerräumen in der Pumpe 2 verhältnismäßig konstant bleibt.
Sobald der Kreisprozess den Punkt erreicht, an dem:

• der Kolben 8a in die Nennausgangsposition gegen eine Schulter 50a zurückgekehrt ist und dies durch den Näherungssensor 90a erfasst und über eine Signalverbindung (nicht gezeigt) an den Controller 6 übermittelt worden ist; und
• der Kolben 8b angehalten hat, was veranlasst, dass der Motor 23 anhält, wobei dies durch den Drehsensor 91 erfasst wird und über eine Signalverbindung (nicht gezeigt) an den Controller 6 übermittelt wird;

6

• über eine elektrische Verbindung (nicht gezeigt), dass das Ventil 13a schließt;
• über eine elektrische Verbindung (nicht gezeigt), dass das Ventil 13b öffnet;
• über eine elektrische Verbindung (nicht gezeigt), dass das Ventil 30 schließt; und
• dass das Ventil 130 in die Position öffnet, in der es ermöglicht, dass flüssiges Arbeitsfluid von der Pumpe 2 unter dem Einfluss der Feder 123 durch das Rückschlagventil 131 über das Rückschlagventil 4a in den Kessel 42a eingespritzt wird.

Das Einspritzen des Arbeitsfluids wird durch die in der Aussparung 41a gefangene Tasche aus Arbeitsfluiddampf ermöglicht, der komprimiert, während das Arbeitsfluid eingespritzt wird. Wie oben in Bezug auf andere Ausführungsformen erwähnt wurde, überträgt das durch die Heizschlange 43a von einer externen Heizquelle (nicht gezeigt) erwärmte Hydraulikfluid in dem Kessel 42a Wärme auf das eingespritzte flüssige Arbeitsfluid, was veranlasst, dass es zu sieden beginnt. Im Ergebnis nimmt der Druck in dem Kessel 42a zu. Dieser Druck wird durch einen Drucksensor 92a erfasst und über eine Signalverbindung (nicht gezeigt) an den Controller 6 übermittelt.
Wenn der Druck in dem Kesselraum 42a auf den Schwellenwert zunimmt, der in dem Controller 6 gespeichert ist oder durch ihn berechnet wird, öffnet der Controller 6 das Ventil 30, was zulässt, dass der Arbeitstakt des Kolbens 8a beginnt.
Während dieses Arbeitstakts strömt das Kolbenhydraulikfluid durch das Rückschlagventil 64, das Ventil 30 in den Motor 23 und daraufhin durch das Rückschlagventil 62 in den Tank 24 oder über das Rückschlagventil 65 in das Hydraulikfluidvolumen unter der Unterseite 27b des Kolbens 8b. Die Anteile an Hydraulikfluid, das zu jedem Zeitpunkt auf jedem Weg strömt, werden durch die Geschwindigkeit vorgeschrieben, mit dem der Kolben 8b unter dem Einfluss der Feder 20b steigt. Über das offene Ventil 13b tritt Arbeitsfluiddampf aus dem Kessel 42b aus.
Der Motor 23 dreht sich, und wenn seine Drehzahl die des Schwungrads 80 übersteigt, wird die Freilaufkupplung 81 mit dem Motor 23 eingerückt, um Leistung an das Schwungrad 80 und an einen Wechselstromerzeuger 50 zu übertragen. Diese Leistung wird durch den Wechselstromerzeuger 50 in Elektrizität umgewandelt und somit durch einen Wechselrichter 51 in Wechselstromelektrizität mit der gewünschten Spannung und Frequenz umgewandelt, um sie einer externen Last (nicht gezeigt) zuzuführen. Während der Kolben 8a nach unten läuft, kann Dampf in dem von der Feder 20a eingenommenen Raum daraufhin über den Durchlass 110a in den Tank 24 austreten, um zu verhindern, dass er komprimiert wird. Außerdem kann er über den Durchlass 110b in den von der Feder 20b eingenommenen Raum nach oben laufen, was ermöglicht, dass die Gasdrücke in diesen Räumen im Gleichgewicht bleiben.
In dieser fünften Ausführungsform tritt das Arbeitsfluid, das den Kessel 42b über das Ventil 13b verlässt, in einen Hydraulikfluidseparator 100 ein, wo irgendwelches mit dem Arbeitsfluid eingetretene Hydraulikfluid abgeschieden wird. Das Arbeitsfluid geht daraufhin weiter zu dem Kondensator 14, wo es abgekühlt wird und wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert. Ein Schwimmer 101 ermöglicht, dass irgendwelches Hydraulikfluid in dem Separator 100 an den Tank 24 entleert wird. Wenn das gesamte Hydraulikfluid wieder entleert worden ist, wirkt der Schwimmer 101 als ein Stopfen, der verhindert, dass Arbeitsfluiddampf von dem Separator 100 zu dem Tank 24 transportiert wird. Irgendwelches Hydraulikfluid, das zu dem Arbeitsfluidbehälter 1 läuft, wird über einen Schlauch 141, der mit einem Schwimmer 140 verbunden ist, an den Tank 24 zurückgeführt. Der Schwimmer 140 schwimmt auf dem Arbeitsfluid, sinkt aber in dem weniger dichten Hydraulikfluid und ermöglicht somit, dass das Hydraulikfluid in den Einlass des Rohrs 141 eintritt.
Der nach unten gerichtete Arbeitstakt des Kolbens 8a setzt sich fort, bis der Arbeitsfluiddampf in dem Kessel 42a in dem Umfang expandiert ist, dass die Kraft, die er auf den Kolben 8a ausübt, nicht mehr ausreicht, um ihn weiter zu drücken. An diesem Punkt hält der Motor 23 an, was durch den Sensor 91 erfasst wird. Außerdem hat sich an diesem Punkt der Kol ben 120 unter dem Einfluss der Feder 121 nach unten bewegt, da der Druck bei dem Motor 23 nicht mehr hoch genug ist, um ihn oben zu halten. Währenddessen wird Hydraulikfluid aus dem Tank 24 über das Rückschlagventil 140 in den von der Feder 121 angenommenen Hohlraum angesaugt.
Als Alternative zur Verwendung eines Drehsensors 91 könnte zum Steuern der Aktion der Auslassventile 13a, 13b ein Mittel vorgesehen sein, das erfasst, dass sich der Druck in dem Kessel eine gewisse Zeit nicht geändert hat und der Motor somit nicht bewegt, und das diese Informationen soweit erforderlich zum Öffnen der Auslassventile 13a, 13b verwendet. In dieser Form wäre es nicht notwendig, einen Sensor an dem Motor 23 aufzunehmen, was in einigen Formen attraktiv sein kann.
Wenn bei dem nächsten Arbeitstakt eines der Kolben 8a, 8b der Kolben 120 nach oben gedrängt wird, wird dieses Hydraulikfluid über ein Jeweiliges der Ventile 141a, 141b an einen Jeweiligen der Kessel 42a, 42b ausgestoßen. Dies stellt sicher, dass irgendwelches Hydraulikfluid, das während der Arbeitsfluid-Ausstoßphase von den Kesseln 42a, 42b ausgestoßen wird, ersetzt wird. Da das Hydraulikfluid dazu neigt, zum Raum mit dem niedrigsten Druck zu strömen, neigt das Hydraulikfluid dazu, durch das Ventil 141a zu laufen, wenn der Kolben 8b in seinem Arbeitstakt ist, und durch das Ventil 141b, wenn der Kolben 8a in seinem Arbeitstakt ist.
Wenn der Kolben 8b, wie durch den Näherungssensor 50b erfasst wird, in seiner Nennausgangsposition ist, öffnet der Controller 6 das Ventil 13a, was ermöglicht, dass Arbeitsfluid den Kessel 42a verlässt. Außerdem schließt er das Ventil 30 und spritzt flüssiges Arbeitsfluid in den Kessel 42b ein, indem er das Ventil 130 in die geforderte Position öffnet. An diesem Punkt beginnt der Druck in dem Kessel 42b in der zuvor für den Kes sel 42a beschriebenen Weise zuzunehmen. Wenn der Schwellenwert erreicht ist, beginnt in der gleichen Weise wie zuvor für den Kolben 8a beschrieben der Arbeitstakt für den Kolben 8b. Dies bringt den Kreisprozess an den Punkt zurück, an dem seine Beschreibung begonnen hat.
Der Zeitablauf der Hauptelemente des Kreisprozesses ist in dem Zeitablaufplan in 6 gezeigt.
Schließlich können an den hier beschriebenen Konfigurationen andere Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden, die ebenfalls im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen.
Zusammenfassung
Eine Wärmekraftmaschine, die eine hin- und hergehende Bewegung von Hydraulikfluid, das unter dem Einfluss eines Arbeitsfluid-Dampfdrucks einen Kessel verlässt, in Nutzarbeit umwandeln kann, wobei die Wärmekraftmaschine enthält: – den Kessel; – ein Arbeitsfluid-Einspritzmittel zum Einspritzen von Arbeitsfluid in den Kessel; – ein Hydraulikfluid-Haltemittel, das das Hydraulikfluid zur Bewegung von einer Ausgangsposition weg freigeben kann, wenn der Arbeitsfluid-Dampfdruck in dem Kessel einen vorgegebenen Pegel erreicht; – ein Hydraulikfluid-Rückführmittel zum Zurückführen des Hydraulikfluids zu seiner Ausgangsposition nach Expansion des Arbeitsfluiddampfs in dem Kessel, was zu einer hin- und hergehenden Hydraulikfluidbewegung führt; – ein Auslassventil zum Freigeben des expandierten Arbeitsfluiddampfs von dem Kessel; wobei die Dampfdruckzunahme in dem Kessel, bevor sich das Hydraulikfluid von der Ausgangsposition wegbewegt, durch eine Erwärmung bei im Wesentlichen konstantem Volumen des Arbeitsfluids verursacht wird, die eine Zustandsänderung wenigstens eines Teils des eingespritzten Arbeitsfluids von einer Flüssigkeit zu einem Gas verursacht, worauf eine Erwärmung bei im Wesentlichen konstantem Druck des Arbeitsfluids folgt, die zu einer Zustandsänderung von einer Flüssigkeit zu einem Gas im Wesentlichen des gesamten verbleibenden eingespritzten Arbeitsfluids führt.
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

- AU 2007905619 [0001]
- US 7188474 [0005]

Claims

Wärmekraftmaschine, die [engl. ”that that”] eine hin- und hergehende Bewegung von Hydraulikfluid, das unter dem Einfluss eines Arbeitsfluid-Dampfdrucks einen Kessel verlässt, in Nutzarbeit umwandeln kann, wobei die Wärmekraftmaschine enthält: • den Kessel; • ein Arbeitsfluid-Einspritzmittel zum Einspritzen von Arbeitsfluid in den Kessel; • ein Hydraulikfluid-Haltemittel, das das Hydraulikfluid zur Bewegung von einer Ausgangsposition weg freigeben kann, wenn der Arbeitsfluid-Dampfdruck in dem Kessel einen vorgegebenen Pegel erreicht; • ein Hydraulikfluid-Rückführmittel zum Zurückführen des Hydraulikfluids zu seiner Ausgangsposition nach Expansion des Arbeitsfluiddampfs in dem Kessel, was zu einer hin- und hergehenden Hydraulikfluidbewegung führt; • ein Auslassventil zum Freigeben des expandierten Arbeitsfluiddampfs von dem Kessel; wobei die Dampfdruckzunahme in dem Kessel, bevor sich das Hydraulikfluid von der Ausgangsposition wegbewegt, durch eine Erwärmung bei im Wesentlichen konstantem Volumen des Arbeitsfluids verursacht wird, die eine Zustandsänderung wenigstens eines Teils des eingespritzten Arbeitsfluids von einer Flüssigkeit zu einem Gas verursacht, worauf eine Erwärmung bei im Wesentlichen konstantem Druck des Arbeitsfluids folgt, die zu einer Zustandsände rung von einer Flüssigkeit zu einem Gas im Wesentlichen des gesamten verbleibenden eingespritzten Arbeitsfluids führt.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei sich die Erwärmung des Arbeitsfluids aus der Wärmeübertragung von einer externen Wärmequelle zu dem Hydraulikfluid und daraufhin von erwärmtem Hydraulikfluid zu dem Arbeitsfluid ergibt.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei sich die Erwärmung des Arbeitsfluids aus der Wärmeübertragung von einer externen Wärmequelle zu dem Arbeitsfluid ergibt.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Wärmekraftmaschine Hydraulikfluid über und unter einem Separator enthält, wobei das Hydraulikfluid über dem Separator innerhalb des Kessels ist (das Kesselhydraulikfluid) und das Hydraulikfluid unter dem Separator (das Separatorhydraulikfluid) in Fluidverbindung mit einem Leistungsumwandlungsmittel steht, um die hin- und hergehende Separatorbewegung in Nutzarbeit umzuwandeln.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, wobei die Dampfdruckzunahme in dem Kessel, bevor sich der Separator von einer Ausgangsposition wegbewegt, durch eine Erwärmung bei im Wesentlichen konstantem Volumen des Arbeitsfluids, das als eine Flüssigkeit direkt in das Kesselhydraulikfluid eingespritzt wird, und durch die nachfolgende Zustandsänderung von einer Flüssigkeit zu einem Gas wenigstens eines Teils des eingespritzten Arbeitsfluids verursacht wird.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Arbeitsfluid-Einspritzmittel eine Pumpe für die gesteuerte Einspritzung des Arbeitsfluids in den Kessel enthält.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 6, wobei die Pumpe über ein Steuermittel betreibbar ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Hydraulikfluid-Haltemittel ein Halteventil ist, das innerhalb der Leitung des Hydraulikfluids enthalten ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 8, wobei das Halteventil über ein Steuermittel in Ansprechen auf den Dampfdruck in dem Kessel betreibbar ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Arbeitsfluid in einem geschlossenen Kreislauf durch die Wärmekraftmaschine umläuft, wobei der expandierende Arbeitsfluiddampf von dem Kessel nach Austritt aus dem Auslassventil in einem Kondensator in einen flüssigen Zustand zurückgeführt wird.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Hydraulikfluid durch eine externe Wärmequelle in Form eines Solarwärmekollektors erwärmt wird.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in Verwendung, wenn der Druck in dem Kessel auf einen vorgegebenen Schwellenwert zugenommen hat, ein Steuermittel veranlasst, dass das Hydraulikdruck-Haltemittel zulässt, dass sich das Hydrau likfluid unter dem Einfluss des Drucks des Arbeitsfluids von der Ausgangsposition wegbewegt.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in Verwendung ein Steuermittel die auf das Hydraulikfluid ausgeübte Kraft erfasst und veranlasst, dass das Hydraulikfluid-Haltemittel zulässt, dass sich das Hydraulikfluid von der Ausgangsposition wegbewegt, wenn eine Schwellenkraft erreicht ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Wärmekraftmaschine einen Separator enthält und wobei in Verwendung das Hydraulikfluid-Haltemittel ein Separatorhaltemittel ist, das mechanische Anschläge enthält, die ein physikalisches Festhalten des Separators sicherstellen, wobei die Anschläge in Ansprechen auf ein Signal von einem Steuermittel zurückgezogen werden, wobei das Signal entweder auf den Kesseldruck anspricht oder auf die Separatorkraft anspricht.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Hydraulikfluid-Haltemittel durch Lasteigenschaften des Leistungsumwandlungsmittels bereitgestellt ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Wärmekraftmaschine einen Separator enthält und wobei sich unter dem Separator kein Hydraulikfluid befindet und wobei die Bewegung des Separators unter dem Einfluss des expandierenden Arbeitsfluiddampfs verwendet wird, um durch die Umwandlung der hin- und hergehenden Bewegung des Separators in Drehbewegung einer Kurbelwelle über eine Pleuelstange Nutzarbeit zu verrichten.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, im Wesentlichen wie in Übereinstimmung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, wobei die Wärmekraftmaschine enthält: • einen Kessel; • ein Arbeitsfluid-Einspritzmittel zum Einspritzen von Arbeitsfluid in den Kessel; • ein Hydraulikfluid-Haltemittel, das das Hydraulikfluid zur Bewegung von einer Ausgangsposition weg freigeben kann, wenn der Arbeitsfluid-Dampfdruck in dem Kessel einen vorgegebenen Pegel erreicht; • ein Hydraulikfluid-Rückführmittel zum Zurückführen des Hydraulikfluids zu seiner Ausgangsposition nach Expansion des Arbeitsfluiddampfs in dem Kessel; • ein Auslassventil zum Freigeben des expandierten Arbeitsfluiddampfs von dem Kessel; wobei das Verfahren das Erwärmen des in den Kessel eingespritzten Arbeitsfluids bei im Wesentlichen konstantem Volumen enthält, was eine Zustandsänderung von einer Flüssigkeit zu einem Gas wenigstens eines Teils des eingespritzten Arbeitsfluids veranlasst, wobei die resultierende Dampfdruckzunahme in dem Kessel veranlasst, dass sich das Hydraulikfluid von der Ausgangsposition wegbewegt, was zu einer hin- und hergehenden Hydraulikfluidbewegung führt, worauf eine Erwärmung bei im Wesentlichen konstantem Druck des Arbeitsfluids folgt, die zu einer Zustandsänderung von einer Flüssigkeit zu einem Gas im Wesentlichen des gesamten verbleibenden eingespritzten Arbeitsfluids führt.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem sich die Erwärmung des Arbeitsfluids aus der Wärmeübertragung von einer externen Wärmequelle zu dem Hydraulikfluid und daraufhin von erwärmtem Hydraulikfluid zu dem Arbeitsfluid ergibt.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem sich die Erwärmung des Arbeitsfluids aus der Wärmeübertragung von einer externen Wärmequelle zu dem Arbeitsfluid ergibt.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Wärmekraftmaschine Hydraulikfluid über und unter einem Separator enthält, wobei das Hydraulikfluid über dem Separator innerhalb des Kessels ist (das Kesselhydraulikfluid) und das Hydraulikfluid unter dem Separator (das Separatorhydraulikfluid) in Fluidverbindung mit einem Leistungsumwandlungsmittel steht, um die hin- und hergehende Separatorbewegung in Nutzarbeit umzuwandeln.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Dampfdruckzunahme in dem Kessel, bevor sich der Separator von einer Ausgangsposition wegbewegt, durch eine Erwärmung bei im Wesentlichen konstantem Volumen des Arbeitsfluids, das als eine Flüssigkeit direkt in das Kesselhydraulikfluid eingespritzt wird, und durch die nachfolgende Zustandsänderung von einer Flüssigkeit zu einem Gas wenigstens eines Teils des eingespritzten Arbeitsfluids verursacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei dem das Arbeitsfluid, das den Zustand von einer Flüssigkeit zu einem Gas ändert, beim Erwärmen in einem geschlossenen Kreislauf durch die Wärmekraftmaschine umläuft.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der expandierende Arbeitsfluiddampf nach Verlassen des Auslassventils in einem Kondensator in seinen flüssigen Zustand zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, das das Erwärmen des Hydraulikfluids unter Verwendung einer externen Wärmequelle in Form eines Solarwärmekollektors enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, das das Verwenden eines Steuermittels enthält, um zu veranlassen, dass das Hydraulikfluid-Haltemittel zulässt, dass sich das Hydraulikfluid unter dem Einfluss des Drucks des Arbeitsfluids von der Nennausgangsposition wegbewegt, wenn der Druck in dem Kessel auf einen vorgegebenen Schwellenwert zugenommen hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, das das Erfassen der auf das Hydraulikfluid durch die expandierenden Gase ausgeübten Kraft und das Verwenden eines Steuermittels, um zu veranlassen, dass das Hydraulikfluid-Haltemittel zulässt, dass sich das Hydraulikfluid unter dem Einfluss des Drucks des Arbeitsfluids von der Nennausgangsposition wegbewegt, wenn die Schwellenkraft erreicht ist, enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, bei dem die Wärmekraftmaschine einen Separator enthält und bei dem das Verfahren das Verwenden mechanischer Anschläge zum Bereitstellen eines physikalischen Festhaltens des Separators enthält, wobei die Anschläge in Ansprechen auf ein Signal von einem Steuermittel zurückgezogen werden, wobei das Signal entweder auf den Kesseldruck anspricht oder auf die Separatorkraft anspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 27, bei dem die Wärmekraftmaschine einen Separator enthält und bei dem das Verfahren das Erfassen des Anhaltens der Hydraulikfluidbewegung entweder deswegen, weil das Hydraulikfluid einen physikalischen Anschlag erreicht, oder deswegen, weil der verbleibende Druck in dem Kessel nicht mehr ausreicht, um das Hydraulikfluid gegen eine Last zu bewegen, und daraufhin das Öffnen des Auslassventils, um zu ermöglichen, dass die expandierten Gase des Arbeitsfluids mit einem Arbeitsfluidkondensator in Verbindung treten, enthält.
Verfahren nach Anspruch 18, im Wesentlichen wie in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.