DE2164224C3 - Heat engine with displacer and working piston - Google Patents

Heat engine with displacer and working piston

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Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Bei nach dem Stirling-Prinzip arbeitenden Wärmekraftmaschinen wird eine vorgegebene Gasmenge mittels eines Verdrängerkolbens zwischen einer Hochtemperaturzone und einer Niedrigtemperaturzone hin- und herbewegt. Die Wärmeenergie zum Aufheizen der Gasmenge wird über einen Wärmetauscher auf das
The invention relates to a heat engine according to the preamble of claim 1.
In the case of heat engines operating according to the Stirling principle, a predetermined amount of gas is moved back and forth between a high-temperature zone and a low-temperature zone by means of a displacement piston. The thermal energy for heating up the amount of gas is transferred to the

)» Arbeitsgas im Zylinder übertragen. Die sich durch die Temperaturänderungen ergebenden Druckschwankungen werden über einen Arbeitskolben in kinetische Energie umgesetzt. Ein für die Praxis bedeutender Vorteil derartiger Wärmekraftmaschinen liegt in dem) »Transfer working gas in the cylinder. The Pressure fluctuations resulting from temperature changes are converted into kinetic ones via a working piston Energy implemented. One of the practical advantages of such heat engines is that

r> gelösten Abgasproblem, wobei jedoch diesem Vorteil der gravierende Nachteil eines nur geringen Wirkungsgrades gegenübersteht.r> solved exhaust gas problem, but with this advantage the serious disadvantage of only a low level of efficiency.

Es sind bereits verschiedene Abwandlungen auf der Grundlage des Stirling-Prinzips aufgezeigt worden, beiVarious modifications based on the Stirling principle have already been shown at

4» denen ebenfalls ein Arbeitsmedium zwischen Zonen gleichbleibend hoher und niedriger Temperatur durch Kolben bewegt wird, keine dieser Entwicklungen konnte sich in der Praxis jedoch durchsetzen. So ist beispielsweise eine Wärmekraftmaschine bekannt4 »which also have a working medium between zones of consistently high and low temperature Piston is moved, but none of these developments has been implemented in practice. So is for example a heat engine known

<r> (GB-PS 2 29 235), bei der ein Arbeitsfluid alternierend aus einer flüssigen in eine gasförmige Phase — und umgekehrt — durch Erhitzen und Abkühlen in entsprechenden Zonen überführt wird. Die Förderung des Arbeitsfluides erfolgt durch einen Verdrängerkol-<r> (GB-PS 2 29 235), in which a working fluid alternates from a liquid to a gaseous phase - and vice versa - by heating and cooling in corresponding zones is transferred. The working fluid is conveyed by a displacement col-

■id ben und einen Druckwechselkolben, wobei der Verdrängerkolben auf Grund eines seitlichen Spiels zur Zylinderinnenwand vom dampfförmigen oder flüssigen Arbeitsmedium wechselweise umströmt wird. Ein alternierendes Anheben und Absenken der flüssigen■ id ben and a pressure swing piston, the displacement piston due to a lateral play to the inner wall of the cylinder from the vaporous or liquid Working medium is alternately flowed around. An alternating raising and lowering of the liquid

Y> Phase des Arbeitsmediums ist bei dieser bekannten Maschine nicht vorgesehen, da die Änderung der Phasen durch Druckänderungen hervorgerufen wird. Darüber hinaus wirkt der Druckwechselkolben bei dieser bekannten Maschine lediglich als Druckstabilisa- Y> phase of the working medium is not provided in this known machine, since the change in the phases is caused by changes in pressure. In addition, the pressure change piston in this known machine only acts as a pressure stabilizer.

w) tor, der als reiner Stößel ausgebildet ist und ein wirksames Abführen der umgesetzten kinetischen Energie nicht erbringen kann.w) gate, which is designed as a pure plunger and a cannot provide effective dissipation of the converted kinetic energy.

Ferner ist noch eine Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in Wärmeenergie oderFurthermore, there is still a device for converting mechanical energy into thermal energy or

h umgekehrt bekannt (DIIOS 15 51 313), mit der eine kombinierte Wirkung einer Gasfeder und eines Gasstoßdämpfers erreicht werden soll. Ein Kompressionskolben ist über seine Kolbenstange 2 mit einemh conversely known (DIIOS 15 51 313), with the one combined effect of a gas spring and a gas shock absorber is to be achieved. A compression piston is via its piston rod 2 with a

Triebwerk verbunden und verändert durch seine Bewegung das Volumen eines Kompressionsraumes, der über einen Kanal, einen Kühler, einen Regenerator und einen Gefrierer mit einem Expansioi iszylinder in Strömungsverbindung steht, dessen Kolben mit einem Hilfskolben verbunden ist, der in einen mit Flüssigkeit gefüllten Zylinder eintaucht Die angestrebte Energieumsetzung wird durch ein einstellbares Drosselglied an diesem Zylinderraum erreichtEngine connected and changes the volume of a compression chamber through its movement, which has a duct, a cooler, a regenerator and a freezer with an expansion cylinder in Is flow connection, the piston is connected to an auxiliary piston, which is in a with liquid filled cylinder is immersed The desired energy conversion is achieved by an adjustable throttle element reached at this cylinder space

Aufgabe dftr Erfindung ist es, den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine der angegebenen Gattung zu verbessern.The object of the invention is to improve the efficiency of a To improve heat engine of the specified type.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöstAccording to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved

Der erfindungsgemäß angestrebte höhere Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine ergibt sich durch erheblich vergrößerte Differenzdrücke bei niedrigeren Betriebstemperaturen, die einerseits auf &e Verwendung des in zwei Phasen vorliegenden Arbeitsfluides sowie auf die Ausbildung des Regenerators als alternierend von der flüssigen Phase überfluteter Wärmespeicher zurückzuführen ist. In diesem Wärmespeicher besteht ein Temperaturgefälle, durch das die vom Verdränger angehobene Flüssigkeit beschleunigt verdampft bzw. beim Absenken auskondensiert. Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine liegen in den relativ großen Differenzdrücken bei geringen Temperaturunterschieden, im Fehlen einer mechanischen Steuerung und einer Speisepumpe und in ihrer Eignung für unterschiedliche, z. B. gemischte. Arbeitsmittel. Neben dem geräuscharmen Betrieb ergibt sich ferner die zweckmäßige Möglichkeit einer Flüssigkeits- und Dampf-Wärmespeicherung.The higher efficiency of the heat engine aimed at according to the invention results from significantly increased differential pressures at lower operating temperatures, on the one hand due to & e use of the working fluid present in two phases as well as the formation of the regenerator as alternately flooded by the liquid phase heat storage is due. In this heat storage there is a temperature gradient through which the liquid lifted by the displacer accelerates evaporated or condensed when lowering. Particular advantages of the heat engine according to the invention lie in the relatively large differential pressures with small temperature differences, in the absence of one mechanical control and a feed pump and in their suitability for different, z. B. mixed. Work equipment. In addition to the low-noise operation, there is also the useful possibility of a Liquid and vapor heat storage.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigtIn the following, exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawing described. It shows

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Wärmekraftmaschine, Fig. 1 is a schematic view of a heat engine,

Fig.2A—2Fdie Wärmekraftmaschine nach Fig. 1 in verschiedenen Betriebsphasen,2A-2F show the heat engine of FIG. 1 in different operating phases,

F i g. 3 ein Temperatur-Entropie-Diagramm der Wärmekraftmaschine, F i g. 3 a temperature-entropy diagram of the heat engine,

Fig.4—7 andere Ausführungen der Wärmekraftmaschine. Fig. 4-7 other versions of the heat engine.

Die in Fig. 1 dargestellte Wärmekraftmaschine enthält drei parallele Zylinder, nämlich einen als Wärmespeicher ausgebildeten Zylinder 12, einen Verdrängerzylinder 14 und einen Arbeitszylinder 16, deren obere Enden durch ein Sammelrohr 18 miteinander verbunden sind. Der Wärmespeicher 12 ist mit einem Bett aus Speicherkörper 20, z. B. Metallkugeln auf Drahtgittern gefüllt.The heat engine shown in Fig. 1 contains three parallel cylinders, namely one as Heat accumulator formed cylinder 12, a displacement cylinder 14 and a working cylinder 16, whose upper ends are connected to one another by a manifold 18. The heat storage 12 is with a Bed of storage body 20, e.g. B. Metal balls filled on wire mesh.

Im Verdrängerzylinder 14 ist ein mechanisch angetriebener Verdrängerkolben 22 mit einer Kolbenstange 24 angeordnet, der flüssiges Arbeitsmittel verdrängt und gleichzeitig die Dampfphase von der Flüssigphase des Arbeitsmittels trennt. Die Kolbenstange 24 ist gegenüber dem Zylinderboden abgedichtet. Im Arbeitszylinder 16 ist ein hin- und hergehender Arbeitskolben 26 mit einer .!ic mechanische Arbeit abgebenden Kolbenstange 28 angeordnet.In the displacement cylinder 14 is a mechanically driven displacement piston 22 with a piston rod 24 arranged, displaces the liquid working medium and at the same time the vapor phase of the Separates the liquid phase of the working medium. The piston rod 24 is sealed against the cylinder base. in the Working cylinder 16 is a reciprocating working piston 26 with mechanical work dispensing piston rod 28 arranged.

Im unteren Teil des Wärmespeichers 12 befindet sich ein Kondensator 30 und in seinem oberen Teil ein Verdampfer 32. Wärmemengen Q werden in Richtung der Pfeile in Fig. 1 dem Verdampfer 32 von außen zugeführt und aus dem Kondensator W abgeführt, wodurch über die Länge des Wärniespeichers 12 ein Temperaturgefälle besteht In dem in F i g. 1 dargestellten Betriebszustand ist der Wärmespeicher 12 bis zum Pegel 34 mit einem flüssigen Arbeitsmittel, z. B. Wasser oder besser Gemischen aus Ammoniak und Wasser 5 oder Trichloräthylalkohol und Wasser gefüllt Oberhalb dieses Pegels 34 liegt das Arbeitsmittel als Dampf vor.In the lower part of the heat reservoir 12 is a condenser 30 and an evaporator 32. In its upper part amounts of heat Q are fed in the direction of arrows in Fig. 1 to the evaporator 32 from the outside and discharged from the capacitor W, whereby the length of the Wärniespeichers 12 there is a temperature gradient in which in FIG. 1, the operating state shown is the heat accumulator 12 up to level 34 with a liquid working medium, e.g. B. water or, better, mixtures of ammonia and water 5 or trichloroethyl alcohol and water filled. Above this level 34, the working fluid is in the form of steam.

In dem am Verdampfer 32 angeschlossenen Teil des Verteilerrohrs 18 sind regenerative Verdampfungskörper 36 angeordnet, die lose gestapelt oder ausIn the part of the distributor pipe 18 connected to the evaporator 32 there are regenerative evaporation bodies 36 arranged, stacked loosely or made out

ίο gewickeltem dünnen Metalldraht oder aus anderen Materialien von großer Oberfläche und geringer Längs-Leitfähigkeit bestehen. Diese Verdampfungskörper 36 werden z. B. durch Manschetten mit engen Bohrungen gehalten, die einen vom Dampf durchström-ίο coiled thin metal wire or from other Materials with a large surface area and low longitudinal conductivity exist. This evaporation body 36 are z. B. held by cuffs with narrow bores that allow steam to flow through

ten Überhitzer 38 im Verteilungsrohr bilden.th superheater 38 form in the distribution pipe.

Jeder Pegelstand 34 im Wärmespeicher 12 kennzeichnet eine im wesentlichen konstante Temperatur. Wenn der Verdrängerkolben 22 im Zylinder 14 nach abwärts fährt, steigt der Flüssigkeitspegel 34 im WärmespeicherEach level 34 in the heat accumulator 12 indicates an essentially constant temperature. if If the displacement piston 22 moves downwards in the cylinder 14, the liquid level 34 in the heat accumulator rises

χ 12 bis in den Verdampfer 32, wobei die flüssige Phase des Arbeitsmittels 30 durch die WärmesDeicherkörper im Bett 20 erhöht und anschließend die Flüssigkeit im Verdampfer 20 in ihre gasförmige Phase überführt wird. Der ausgeglichene Systemdruck entspricht dann dem χ 12 to the evaporator 32, wherein the liquid phase of the working medium is increased by the bed 20 in WärmesDeicherkörper 30 and then transferred to the liquid in the evaporator 20 in their gaseous phase. The balanced system pressure then corresponds to that

:> der Verdampfungstemperatur zugeordneten Sättigungsdruck. Beim Verfahren des Verdrängerkolbens 22 in F i g. 1 nach aufwärts, sinkt der Flüssigkeitspegel 34 im Wärmespeicher 12 bis auf das Niveau des Kondensators 30 ab. Gleichzeitig bewegt sich der:> the saturation pressure assigned to the evaporation temperature. When moving the displacement piston 22 in FIG. 1 upwards, the liquid level 34 sinks in the heat accumulator 12 down to the level of the condenser 30. At the same time the moves

ii) Arbeitskolben 26 in seine obere Druckpunktlage, wobei er auf Grund des niedrigen Systemdruckes nur eine geringe Verdichtungsarbeitet leistet Der aus dem Arbeitszylinder 16 und dem Verteilerrohr 18 ausgeschobene Dampf strömt in den Wärmespeicher 12 undii) working piston 26 in its upper pressure point position, wherein Due to the low system pressure, he only does a little compression work Working cylinder 16 and the distributor pipe 18 pushed out steam flows into the heat accumulator 12 and

r. kondensiert. Wenn sich der Flüssigkeitspegel 34 im Kondensator 30 befindet, entspricht der niedrige Systemdruck der Sättigungstemperatur des Kondensators. r. condensed. When the liquid level is 34 in Condenser 30 is located, the low system pressure corresponds to the saturation temperature of the condenser.

Der Betriebsablauf der Wärmekraftmaschine ist in den F i g. 2A bis 2F und der thermodynamische Ablauf in Fig.3 als Temperatur-Entropie-Diagramm bei den verschiedenen Stellungen der Kolben dargestellt. Die in Fig. 2A gezeigte, konstruktiv etwas abgeänderte Bauart ist der in Fi g. 1 dargestellten thermodynamisch -. gleichwertig. Die kombinierten Funktionen des in Fig. 1 gezeigten Verdrängerkolbens, nämlich die Verdrängung von Arbeitsmittel und die thermische Trennung von Dampf und Flüssigkeit sind bei der Ausführung nach F i g. 2 konstruktiv einfacher auf denThe operational sequence of the heat engine is shown in FIGS. 2A to 2F and the thermodynamic process in 3 as a temperature-entropy diagram for the different positions of the pistons shown. The one shown in Fig. 2A, slightly modified in construction The type of construction is shown in FIG. 1 shown thermodynamically -. equivalent to. The combined functions of the in Fig. 1 shown displacement piston, namely the displacement of working fluid and the thermal Separation of vapor and liquid are in the embodiment according to F i g. 2 structurally simpler to the

>o Verdrängerkolben und einen zusätzlichen Trennkolben verteilt.> o Displacement piston and an additional separating piston distributed.

F i g. 2A zeigt die Stellung des Verdrängerkolbens 22, des Trennkolbens 94 und des Arbeitskolbens 26 am Ende des Rückhubes. Der Verdrängerkolben 22 steht inF i g. 2A shows the position of the displacement piston 22, the separating piston 94 and the working piston 26 on the End of the return stroke. The displacement piston 22 is in

ν-, seiner unteren und der Arbeitskolben 26 in seiner oberen Endstellung. Die Bewegung des Trennkolbens 94 ist mit der des Arbeitskolbens 26 hydraulisch gekoppelt. Der Flüssigkeitspegel befindet sich im Kondensator, und der niedrige Systemdruck entspricht ν-, its lower and the working piston 26 in its upper end position. The movement of the separating piston 94 is hydraulically coupled to that of the working piston 26. The liquid level is in the condenser, and the low system pressure corresponds

W) der Sättigungstemperatur des Kondensators. Die Verhältnisse entsprechen dem Zustand A in F i g. 3W) the saturation temperature of the capacitor. The relationships correspond to state A in FIG. 3

F i g. 2B zeigt den Beginn des Arbeitshubes, der durch die Bewegung des Verdrängerkolbens 22 eingeleitet winJ. wobei der Flüssigkeitspegel vom Kondensator 30 ·, zum Verdampfer 32 ansteigt. Der Systemdruck in der gesamten Maschine ist der der Temperatur des Verdampfers 32 zugeordnete Sättigungsdruck. Dieser Zustand ist durch den Punkt ßin F i g. 3 gekennzeichnet.F i g. 2B shows the beginning of the working stroke, which is initiated by the movement of the displacement piston 22 winJ. the liquid level from the condenser 30 ·, To evaporator 32 rises. The system pressure in the overall machine is the saturation pressure assigned to the temperature of the evaporator 32. This State is through the point ßin F i g. 3 marked.

Auf Grund der BeziehungBecause of the relationship

dl·
d7
dl
d7

- (Satldanipf)- (Satldanipf)

ist auch die Differenz zwischen dem maximalen Systemdruck bei Verdampfungstemperatur und dem minimalen Systemdruck bei Kondensationstemperatur wesentlich größer als der vergleichbare Differenzdruck einer mit gasförmigem Arbeitsmittel betriebenen Wärmekraftmaschine, der zwangläufig durch das Verhältnis der absoluten Eingangs- und Ausgangstemperatur begrenzt ist.is also the difference between the maximum system pressure at the evaporation temperature and the minimum system pressure at condensation temperature is significantly greater than the comparable differential pressure a heat engine operated with gaseous working fluid, which is inevitably caused by the Relationship of the absolute inlet and outlet temperature is limited.

F i g. 2C kennzeichnet den Arbeitshub der Anlage, bei dem der Arbeitskolben 26 mechanische Arbeit leistet. Da dieser Arbeitskolben 26 und der Trennkolben 94 sich zusammen bewegen, erfolgen auch Verdampfen und Überhitzen gleichzeitig — wie in F i g. 3 durch die Linie Cangegeben. Das Ende des Arbeitshubes ist in F i g. 2D dargestellt und entspricht dem Zustandspunkt D in F i g. 3.F i g. 2C identifies the working stroke of the system, during which the working piston 26 performs mechanical work. Since this working piston 26 and the separating piston 94 move together, evaporation and overheating also take place simultaneously - as in FIG. 3 indicated by the line C. The end of the working stroke is shown in FIG. 2D and corresponds to the state point D in FIG. 3.

Die Kolbenstellung am Beginn des Rückhubes ist in F i g. 2E gezeigt und der entsprechende Zustandspunkt E in Fig.3 angegeben. Dieser Schritt wird durch Absenken des Verdrängerkolbens 22 und damit des Flüssigkeitspegels in ihre untere Stellung eingeleitet. Der Systemdruck sinkt dabei auf seinen niedrigsten Wert. Während der Druckabnahme bei gleichbleibendem Volumen durchläuft das Arbeitsmittel den thermodynamischen Weg D-E The piston position at the beginning of the return stroke is shown in FIG. 2E and the corresponding state point E is indicated in FIG. This step is initiated by lowering the displacement piston 22 and thus the liquid level into its lower position. The system pressure drops to its lowest value. During the pressure decrease while the volume remains the same, the working fluid runs through the thermodynamic path DE

F i g. 2F zeigt den Rückhub des Arbeitskolbens 26, bei dem der Trennkolben 94 die dampfförmige Phase des Arbeitsmittels aus dem Trennzylinder gegen den niedrigen Systemdruck mit geringem Arbeitsaufwand ausschiebt. Der in F i g. 3 durch die Linie Fgekennzeichnete Kondensationsvorgang ist im Zustand nach F i g. 2A beendet, in welchem der Kreislauf von neuem beginnt.F i g. 2F shows the return stroke of the working piston 26, in which the separating piston 94 is the vapor phase of the Working medium from the separating cylinder against the low system pressure with little effort pushes out. The in F i g. 3 indicated by the line F The condensation process is in the state according to FIG. 2A ends, in which the cycle starts again begins.

Die in den F i g. 4 bis 6 dargestellten Bauarten lassen sich grob in zwei Klassen, d. h. in Maschinen mit doppelt beaufschlagten Kolben und in Maschinen mit Verdrängerkolben einteilen. Bei der in F i g. 4 dargestellten Maschine sind der obere Bereich des Verdampfers 32 nur mit dem Arbeitszylinder 16 und der Kondensator 30 mit einem zweiten Arbeitszylinder 16a verbunden. Zwischen dem Verdampfer 32 und dem Kondensator 30 befindet sich der alternierend überflutete Wärmespeicher 12. Beide Kolben sind an einer gemeinsamen Kurbelwelle angelenkt.The in the F i g. 4 to 6 can be roughly divided into two classes, ie machines with double-pressurized pistons and machines with displacement pistons. In the case of the in FIG. 4, the upper region of the evaporator 32 is only connected to the working cylinder 16 and the condenser 30 is connected to a second working cylinder 16a . The alternately flooded heat accumulator 12 is located between the evaporator 32 and the condenser 30. Both pistons are articulated to a common crankshaft.

Bei der in F i g. 5 dargestellten Maschine arbeiten der Verdrängerkolben 22 und der Arbeitskolben 26 in einem einziger, Zylinder. Der Verdampfer 32 ist mit dein Zylinder 16 oberhalb des Verdrängerkolbens 22 verbunden und der Kondensator 30 ist an diesen Zylinder unterhalb des Verdrängerkolbens 22 und oberhalb des Arbeitskolbens 26 angeschlossen. Die Arbeitsabgabe und die zeitliche Abstimmung der Kolbenbewegungen entsprechen denen einer Stirling-Maschine in »Beta«-Bauart.In the case of the in FIG. 5, the displacement piston 22 and the working piston 26 work in a single cylinder. The evaporator 32 is connected to the cylinder 16 above the displacement piston 22 and the condenser 30 is connected to this cylinder below the displacement piston 22 and above the working piston 26 . The workload and the timing of the piston movements correspond to those of a Stirling engine in "Beta" design.

Die in F i g. 6 dargestellte Ausführung weist gesonderte Zylinder für den Verdrängerkolben 22 und den Arbeitskolben 26 auf. Der Verdampfer 32 ist nur mit dem Verdrängerzylinder verbunden. Die Arbeit und die zeitliche Abstimmung entspricht der »Gamma«-Bauart einer Stirling-Maschine nach Robertson. Bei den Ausführungen nach F i g. 4 und 5 muß der Verdrängerkolben 22 während des Hubes dem Arbeitskolben 26 folgen, so daß der Flüssigkeitsspiegel im Wärmespeicher 12 und damit auch der Systemdruck erhalten bleibt F i g. 7 zeigt eine mechanisch einfache praktische Ausführung der Wärmekraftmaschine mit besonders gutem Wirkungsgrad. Der überflutbare Wärmespeicher weist einen Flüssigkeitswärmespeicher 72 auf, der Rohre von verhältnismäßig kleinem Innendurchmesser geringer Wandstärke und geringer Wärmeleitfähigkeit enthält und der zwischen einem Verdampfer 74 und einem Kondensator 76 angeordnet ist. Die angegebene Ausbildung des Flüssigkeitswärmetauschers 72 bedingt nur geringe Wärmeverluste. In das den Flüssigkeitswärmespeicher 72 enthaltende Rohr ist Metallwolle od. dgl gepackt, um die Kühlung und Erwärmung des Arbeitsmittels beim Durchströmen zu verstärken. Im Verdampfer 74 sind Messingkugeln 80 zur Vergrößerung der Heizflächen angeordnet, was eine schnellere Verdampfung des Arbeitsmittels ergibt. Auch der Kondensator 76 kann Messingkugeln 82 enthalten, die in entsprechender Weise die Kondensation des Dampfes begünstigen.The in F i g. 6 has separate cylinders for the displacement piston 22 and the working piston 26. The evaporator 32 is only connected to the displacement cylinder. The work and the timing correspond to the "Gamma" design of a Stirling engine according to Robertson. In the case of the explanations according to FIG. 4 and 5, the displacement piston 22 must follow the working piston 26 during the stroke, so that the liquid level in the heat accumulator 12 and thus also the system pressure are maintained. 7 shows a mechanically simple practical embodiment of the heat engine with particularly good efficiency. The floodable heat accumulator has a liquid heat accumulator 72 which contains tubes with a relatively small inner diameter, small wall thickness and low thermal conductivity, and which is arranged between an evaporator 74 and a condenser 76. The specified design of the liquid heat exchanger 72 causes only low heat losses. Metal wool or the like is packed into the tube containing the liquid heat accumulator 72 in order to increase the cooling and heating of the working medium as it flows through. Brass balls 80 are arranged in the evaporator 74 to enlarge the heating surfaces, which results in faster evaporation of the working medium. The condenser 76 can also contain brass balls 82, which in a corresponding manner promote the condensation of the steam.

Am oberen Teil des Verdampfers 74 ist ein U-förmiger Dampfspeicher 84 angeschlossen, der ein Material 86 von großer Oberfläche und geringer Längs-Leitfähigkeit, z. B. lose gewickeltem dünnen Draht, enthält. Dieses Material 86 speichert einen Teil der Dampf-Überhitzungswärme aus vorhergehenden Zyklen zur Verwendung in einem ablaufenden Zyklus. Am Ende des Dampfwärmespeichers 84 befindet sich ein Überhitzer 88, der ebenfalls Messingkugeln zur Verbesserung der Dampfüberhitzung enthalten kann. Mit dem Überhitzer 88 ist ein hanteiförmig ausgebildeter Trennzylinder verbunden, der in seinem oberen Teil einen Zylinder 89 von verhältnismäßig großem Innendurchmesser mit einem an der oberen Stirnwand dampfdicht angeordneten Balg 90 aufweist Der Innenraum des Balges 90 steht mit dem Überhitzer 88 in Strömungsverbindung, wohingegen der übrige Innenraum des Zylinders 89 durch den Balg 90 gegenüber dem Überhitzer abgetrennt ist. Der Zylinder 89 ist mit einem schmalen, koaxialen Zylinder 92 verbunden, in dem ein Kolben 94 auf- und niedergeht, der eine Wärmetrennschranke bildet. Die Bewegung dieses Trennkolbens 94 ist mit derjenigen des Balges 90 durch eine thermisch stabile Flüssigkeit 95 in den Zylindern 89 und 92 gekoppelt, die einen geringen Dampfdruck aufweist und einen die Lebensdauer und Betriebssicherheit erhöhenden Druckausgleich für den Balg 90 bewirktAt the upper part of the evaporator 74, a U-shaped steam accumulator 84 is connected, which is a Material 86 of large surface area and low longitudinal conductivity, e.g. B. loosely wound thin Wire, contains. This material 86 stores some of the steam superheat from previous ones Cycles for use in a running cycle. At the end of the steam heat accumulator 84 is located a superheater 88, which may also contain brass balls to improve steam superheating. A dumbbell-shaped separating cylinder is connected to the superheater 88, which in its upper part a cylinder 89 of relatively large inner diameter with one on the upper end wall The bellows 90 is arranged in a vapor-tight manner. The interior of the bellows 90 is connected to the superheater 88 Flow connection, whereas the rest of the interior of the cylinder 89 by the bellows 90 opposite the Superheater is disconnected. The cylinder 89 is connected to a narrow, coaxial cylinder 92 in which a Piston 94 goes up and down, which forms a thermal barrier. The movement of this separating piston 94 is with that of the bellows 90 by a thermally stable liquid 95 in the cylinders 89 and 92 coupled, which has a low vapor pressure and increases the service life and operational reliability Pressure equalization for the bellows 90 causes

Am unteren Ende des schmalen Zylinders 92 ist ein zweiter breiter Zylinder 96 angeschlossen, in dem ein Balg 98 abgedichtet befestigt ist Zwischen diesem Balg 98 und dem Kolben 94 befindet sich eine zweite Trenr.fiüssigkcit 99, die eine ähnliche Aufgabe wie die Trennflüssigkeit 95 erfüllt Die Flüssigkeiten 95 und 99 sind vorzugsweise von gleicher Art und Zusammensetzung. At the lower end of the narrow cylinder 92, a second wide cylinder 96 is connected, in which a Bellows 98 is fastened in a sealed manner. Between this bellows 98 and the piston 94 there is a second one Separating liquid 99, which fulfills a similar task as separating liquid 95. Liquids 95 and 99 are preferably of the same type and composition.

Unter dem Balg 98 verbindet eine Druckausgleichsleitung 100 den unteren Teil des Zylinders 96 mit dem Zylinder 102, in dem eine Verdrängermembran 104 leckdicht befestigt ist An dieser Verdrängermembran 104 ist mittig eine binäre Magnetspule 106 über eine Stange 108 befestigt Die Betätigung dieser Magnetspule 106 wird durch ein elektronisches Schaltgerät 112 gesteuert Durch die Verwendung der Balge und der Membranen statt der gleitenden Kolben werden Leckverluste vermieden, die insbesondere bei kleinen Maschinen von Bedeutung sein können.Under the bellows 98 connects a pressure equalization line 100 to the lower part of the cylinder 96 with the cylinder 102 in which a displacement membrane 104 leak-tightly secured is at this displacement membrane 104 is centrally a binary magnetic coil 106 via a rod 108 attached to the actuation of this solenoid 106 is controlled by a electronic switching device 112 controlled. The use of the bellows and the diaphragms instead of the sliding pistons avoids leakage losses, which can be of particular importance in small machines.

Am unteren Ende des Zylinders 98 ist eine Hydraulikleitung 114 angeschlossen, die zu einem passenden Verbraucher führt Andere Arbeitsableitun- A hydraulic line 114 is connected to the lower end of the cylinder 98 and leads to a suitable consumer.

gen sind möglich, aber dieses System ist insbesondere wegen der dichten und einfachen Kopplung besonders vorteilhaft.genes are possible, but this system is particularly special because of the tight and simple coupling advantageous.

Das elektronische Schaltgerät 112 kann ein Festschaltkreis sein, der laufend Stromimpulse an die Magnetspule 108 abgibt. Die Magnetspule 106 wirkt auf die Verdrängermembran 104, so daß der Pegel der flüssigen Phase des Arbeitsmittels zwischen dem Kondensator 76 und dem Verdampfer 74 auf- und niederbewegt wird. Die Druckausgleichsleitung 100 bewirkt einen Druckausgleich im System mit Ausnahme der verhältnismäßig kleinen Druckunterschiede, die sich aus den geringen Massenkräften der strömenden Flüssigkeit ergeben. Die Druckausgleichsleitung 100 ermöglicht vorteilhaft Bewegungen des Flüssigkeitspe- is gels bei geringer Energiezufuhr zur Magnetspule. Die Magnetspule kann mit einer mechanischen Verriegelung oder mit einem Dauermagneten versehen sein, um die jeweils eingenommene Stellung ohne Leistungsaufwand zu sichern. Zum Erhalt einer gleichmäßigen Taktfolge kann ein Schwungrad und zur Umwandlung der Translationsverschiebungen des Kolbens in eine Drehbewegung ein Getriebe eingesetzt werden. Die elektronische Bauart ist jedoch günstiger und insbesondere deshalb möglich, weil in dem druckausgeglichenen System nur kleine Mengen an Arbeitsmittel verdrängt werden müssen. Darüber hinaus läßt sich durch die elektronische Steuerung die Taktzahl der ■ Anlage bequem ändern.The electronic switching device 112 can be a fixed circuit that continuously delivers current pulses to the magnetic coil 108. The magnetic coil 106 acts on the displacement membrane 104, so that the level of the liquid phase of the working medium between the condenser 76 and the evaporator 74 is moved up and down. The pressure equalization line 100 effects a pressure equalization in the system with the exception of the relatively small pressure differences that result from the low inertia forces of the flowing liquid. The pressure equalization line 100 advantageously enables movements of the liquid feeder with little energy being supplied to the magnetic coil. The magnetic coil can be provided with a mechanical lock or with a permanent magnet in order to secure the position it has assumed without any effort. A flywheel can be used to obtain a uniform cycle sequence and a gear unit can be used to convert the translational displacements of the piston into rotary motion. The electronic design, however, is cheaper and possible in particular because only small amounts of working fluid have to be displaced in the pressure-balanced system. In addition, the number of cycles of the system can be conveniently changed using the electronic control.

Der Betrieb der in F i g. 7 dargestellten Wärmekraftmaschine entspricht demjenigen der einfacheren Bauarten nach den F i g. 1 bis 6. Das elektronische Steuergerät 112 liefert programmiert Impulse zur Erregung der Magnetspule 106, welche die Membran 104 auf- und abbewegt Die Membran besteht vorzugsweise aus Blech oder Gummi und ihr Durchmesser und ihr Hub im breiten Zylinder 102 ist groß genug, um den Flüssigkeitspegel vom unteren Ende des schmalen Wärmespeichers 72 bis an sein oberes Ende, d. h. vom Verdampfer 74 zum Kondensator 76 und umgekehrt, zu bewegen.The operation of the in F i g. The heat engine shown in FIG. 7 corresponds to that of the simpler types according to FIGS. 1 to 6. The electronic control unit 112 provides programmed pulses to excite the magnetic coil 106, which moves the membrane 104 up and down. The membrane is preferably made of sheet metal or rubber and its diameter and its stroke in the wide cylinder 102 is large enough to accommodate the liquid level from the lower end of the narrow heat accumulator 72 to its upper end, ie from the evaporator 74 to the condenser 76 and vice versa.

Wärme wird im Verdampfer 74 und im Überhitzer 88 zugeführt und aus dem Kondensator 76 abgeführt. Die dadurch erzeugte Zustandsänderung des Arbeitsmittels verursacht abwechselnd maximalen und minimalen Systemdruck und damit ein Durchbiegen des Balges 90 sowie eine Hin- und Herbewegung des Wärmetrennkolbens 94, welche durch den Balg 98 als mechanische bzw. hydraulische Arbeit in der Hydraulikleitung 114 abgenommen wird.Heat is supplied in the evaporator 74 and in the superheater 88 and removed from the condenser 76. The resulting change in the state of the working medium alternately causes maximum and minimum system pressure and thus bending of bellows 90 as well as a back and forth movement of heat separating piston 94, which is absorbed by bellows 98 as mechanical or hydraulic work in hydraulic line 114 .

Es sind such andere Ausführungen des Wärmespeichers möglich. Das Arbeitsfluid kann beliebig aus zahlreichen Stoffen oder Stoffgemischen zusammengesetzt sein. Beispielsweise ergibt eine Mischung von 61 % Ammoniak und 39% Wasser einen besseren Wirkungsgrad als Wasser allein. Auch verschiedene Metalle oder organische Verbindungen sind geeignet. In bestimmten Fällen kann ein Arbeitsmittel auch zur Verbesserung des Wirkungsgrades im überkritischen Bereich betrieben werden. Obwohl die unmittelbare mechanische Kopplung an den Arbeitskolben vorteilhaft sein kann, ist doch die hydraulische Kopplung für viele Anwendungen der Wärmekraftmaschine vorteilhafter. Die beschriebene Wärmekraftmaschine ist für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsgebiete geeignet, von denen z. B. das Umwälzen von Warmwasser durch einen Taucheranzug, der Unterwasser-Antrieb durch eine Schraube oder Düse, die Kraftversorgung hydraulischer Werkzeuge unter Wasser, Kraftwerke, implantierbare Geräte zur Stützung des Blutkreislaufs, ferngesteuerte Pumpenanlagen und Antriebe für Landfahrzeuge zu nennen sind.There are also other versions of the heat accumulator possible. The working fluid can be composed of any number of substances or mixtures of substances be. For example, a mixture of 61% ammonia and 39% water gives better efficiency than water alone. Various metals or organic compounds are also suitable. In particular In some cases, work equipment can also be operated in the supercritical range to improve the efficiency will. Although the direct mechanical coupling to the working piston can be advantageous, the hydraulic coupling is more advantageous for many applications of the heat engine. The described Heat engine is suitable for a variety of different areas of application, from which z. B. the circulation of hot water through a diving suit, the underwater drive through a Screw or nozzle, the power supply of hydraulic tools under water, power plants, implantable Devices for supporting the blood circulation, remote-controlled pump systems and drives for land vehicles are called.

Hierzu 5 Blatt ZeichnungenIn addition 5 sheets of drawings

Claims (9)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Wärmekraftmaschine mit einem mechanisch bewegten Verdrängerkolben zur alternierenden Förderung eines Arbeitsfluides in einem geschlossenen System zwischen einer beheizten Zone hoher Temperatur und einer gekühlten Zone niedriger Temperatur, mit einem Regenerator und einem Arbeitskolben zum Abführen der durch Expansion des erwärmten Arbeitsfluides erzeugten mechanischen Arbeit, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsfluid ein kondensierbarer Dampf ist, daß der Regenerator als überflutbarer Wärmespeicher (12, 72) ausgebildet ist, welcher im Betrieb von der durch den Verdrängerkolben (22,104) geförderten flüssigen Phase des Arbeitsfluides taktweise überflutet wird, und daß an einem Ende des Wärniespeichers (12, 72) eine Kondensationszone und an seinem anderen Ende eine Verdampfungszone für das Arbeitsfluid vorgesehen sind.1. Heat engine with a mechanically moved displacement piston for alternating delivery of a working fluid in a closed system between a heated zone of high temperature and a cooled zone of low temperature, with a regenerator and a working piston for removing the mechanical work generated by expansion of the heated working fluid, characterized that the working fluid is a condensable vapor, that the regenerator is designed as a floodable heat accumulator (12, 72) which is cyclically flooded during operation by the liquid phase of the working fluid conveyed by the displacement piston (22, 104), and that at one end of the heat accumulator (12, 72) a condensation zone and at its other end an evaporation zone for the working fluid are provided. 2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß im geschlossenen System ein Verdampfer (32,74) und ein Kondensator (30,76) an je einem Ende des Wärmespeichers (12, 72) angeordnet sind und daß durch die gesteuerte (106, 112) Bewegung des Verdrängerkolbens (22, 104) die flüssige Phase des Arbeitsfluides bis in den Verdampfer (32, 74) anhebbar und bis zum Kondensator (30, 76) senkbar ist, wobei der Systemdruck bei überflutetem Verdampfer gleich dem der Verdampfungstemperatur entsprechenden hohen Druck und bei bis zum Kondensator abgesenktem Flüssigkeitsspiegel (34) gleich dem der Kondensalionstemperatur zugeordneten niedrigen Druck ist.2. Heat engine according to claim!, Characterized in that in the closed system an evaporator (32,74) and a condenser (30,76) are arranged at each end of the heat accumulator (12, 72) and that the controlled (106, 112) Movement of the displacement piston (22, 104), the liquid phase of the working fluid can be raised up to the evaporator (32, 74) and lowered to the condenser (30, 76), the system pressure when the evaporator is flooded being equal to the high pressure corresponding to the evaporation temperature and when the liquid level (34) is lowered to the condenser, it is equal to the low pressure associated with the condensation temperature. 3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von außen taktweise angetriebene Verdrängerkolben (22) in einem Zylinder (14) dichtend gefühn ist und die flüssige Phase von der Dampfphase des Arbeitsfluides trennt.3. Heat engine according to claim 1 or 2, characterized in that the from the outside cyclically driven displacement piston (22) in a cylinder (14) is sealed and the separates the liquid phase from the vapor phase of the working fluid. 4. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Verdrängerkolben (22) ein mit einem Steuergerät (112) gekoppelter elektromagnetischer Wandler (105) starr verbunden ist.4. Heat engine according to claim 3, characterized in that with the displacement piston (22) with a control device (112) coupled electromagnetic transducer (105) is rigidly connected. 5. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitskolben (26) in einem Arbeitszylinder (16) gleitend geführt ist.5. Heat engine according to one of the preceding claims, characterized in that the working piston (26) is slidably guided in a working cylinder (16). 6. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel aus einem Gemisch verschiedener Flüssigkeiten besteht.6. Heat engine according to one of the preceding claims, characterized in that the working medium consists of a mixture of different liquids. 7. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein gesonderter, vom Arbeitsfluid bewegter Trennkolben (94) mit dem Arbeitskolben (26) hydraulisch gekoppelt ist.7. Heat engine according to one of the preceding claims, characterized in that a separate separating piston (94), moved by the working fluid, with the working piston (26) hydraulically is coupled. 8. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerator aus einem zwischen der Verdampfungszone und der Kondensationszone angeordneten, mit Speicherkörpern (20) gefüllten Flüssigkeitswärmespeicher (12) und aus einem zwischen der Verdampfungszone und einer Überhitzungs/.one (38) angeordneten Dampfwarmespeichcr (36) bc-8. Heat engine according to one of the preceding claims, characterized in that the regenerator consists of one arranged between the evaporation zone and the condensation zone, with storage bodies (20) filled liquid heat storage (12) and from a between the Evaporation zone and a superheating / .one (38) arranged steam heat storage (36) bc- stehtstands 9. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben als elektromagnetisch betätigter Membrankolben (104) ausgebildet ist, daß der vom gasförmigen Arbeitsfluid beaufschlagte Arbeitskolben als Balg (90) ausgebildet und in einer ersten Flüssigkeitskammer (89) angeordnet ist, welche über einen einen Wärmetrennkolben (194) enthaltenden Zwischenzylinder (92) mit einer zweiten Flüssigkeitskammer (96) verbunden ist, die durch einen Balg (98) gegen eine hydraulische Leitung (114) abgeschlossen ist9. Heat engine according to one of the preceding claims, characterized in that the displacement piston is designed as an electromagnetically actuated diaphragm piston (104) , that the working piston acted upon by the gaseous working fluid is designed as a bellows (90) and is arranged in a first liquid chamber (89) which is connected via a heat separating piston (194) containing intermediate cylinder (92) with a second liquid chamber (96) which is closed by a bellows (98) against a hydraulic line (1 14)
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