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Beschreibung der Erfindun Die vorliegende Erfindung verfolgt den eck,
Energie, die in Gasen oder sonstigen fossilen Stoffen gespeichert ist optimal in
mechanische Energie umzuwandeln. Die Härmekraftmaschine soll dabei neben einem guten
Wirkungsgrad eine geringe Umweltbelastung in Form von Lärm und giftigen Abgasen
aufweisen. Als weitere Bedingungen sollen erfüllt werden: EinfacXheit, Robustheit,
keine kritischen Zustände und ein kleines Leistungsgewicht.
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Bei Autoantrieben würden Elektromotoren in Verbindung mit Akkus oder
Brennstoffzellen die Forderungen des Umweltschutzes erfüllen, nur haben diese Systeme
den Nachteil, daß die notwendigen Akkumulatoren bzw. Brennstoffzellen eine zu geringe
Energiedichte bzw. Energiedichteumsetzung auf-weisen, so daß das aesamtleistungsgewicht
(Antrieb und Energiespeicher) zu groß wird und so der Aktionsradius klein bleibt.
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Die heute verwendeten Verbrennungsmotoren, die nach dem Otto- oder
Dieselprinzip arbeiten, belasten die Umwelt in Form von Lärm, der durch die Explosionen
im Verbrennungsraum und das schlagartige Entweichen der Abgase entsteht, nnd der
nur teilweise durch die Auspuffanlage reduziert werden kann. Bei dieser Verbrennung
entstehen schädliche Abgase, wie CO, C02, Kohlenwasserstoffe und Ruß, aufrund der
kurzzeitigen hohen Temperaturen im Verbrennungsraum wird eine Kühleinrichtung notwendig,
die damit wieder den Wirkungsgrad senkt. Ein weiterer Nachteil dieser Verbrennungsmotoren
besteht darin, daß die beim Bremsvorgang freiwerdende Energie in einem irreversiblen
Vorgang in Wärme umgesetzt wird; zudem benötigen die erwähnten Verbrennungsmotoren
Fremdenergie und einen Anlasser für den Anlaufvorgang. Diese Nachteile können nur
zum Teil mit rel. großem Aufwand beseitigt werden, da sie systemimmanent sind.
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Beim Stirling rotor wird das Prinzip der Dauerverbrennung angewendet;
dabei wird das Arbeitsmittel (Gas oder Dampf) in einem geschlossenen System hin
und hergeschoben, wobei es nacheinander erhitzt, unter Arbeitsleistung entspannt
und dann wieder gehüllt wird usw. Zur raschen Abkühlung des Arbeitsgases ist ein
sehr großer Kühler erforderlich, was zudem den Wirkungsgrad verschlechtert.
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Bei der Dampfmaschine, die als Arbeitsmedium Wasser bzw.
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Wasserdampf verwendet, stellt die innere Verdampfungswärme zur Überwindung
der Molekularkräfte den größten (nicht direkt in Arbeit umsetzbaren) Anteil am gesamten
Wärmebedarf dar, was einen geringen Wirkungsgrad zur Folge hat.
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Bei den großen stationären Anlagen zur Elektrizitätserzeugung werden
wegen des besseren Wirkungsgrades mehrstufige Turbinensätze mit hohen Drehzahlen
verwendet wie sie z.B aus den Patentschriften 1038064 und 1401469 bekannt sind.
Neben anderen Nachteilen ist die Fertigung der Turbinenschaufeln sehr teuer (dasselbe
gilt für die Gasturbine), so daß die Turbine z.B. als Autoantrieb nicht in Frage
kom.rst. Bei den genannten Patenten wird schon durch die Existenz des Kühlers (speziell
Kondensators) deutlich, daß hierbei den Wirkungsgrad nicht optimal ist.
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Die Erfindung beste darin, daß ein regelbarer, kontinuierlich arbeitender
Brenner (oder eine sonstige Wärmequelle), der mit beliebig Buftüberschuß arbeiten
kann, im Verbindung mit zwei getrennten aber thermisch eng gekoppelten Dampfkreisläflfen
zusammenarbeitet. Der Kreislauf I wird von dem Kreislauf II, der als sog. wärmepumpe
arbeitet, an zwei Stellen (den Wärmetauschern A und B) thermisch eng gekoppelt.
Durch die Koppelung des Niederdruckzweiges von Kreislauf II mit dem Niederdruckzweig
des Kreislaufs I im Wärmetauscher A wird das Arbeitsmittel des Kreislaufs I Xondensiert,
während das Arbeitsmittel II des Kreislaufs II verdampft. Dies wird u. a.
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durch eine Druckdifferenz zwischen Arbeitsmittel I und II erreicht.
Nach der Rückförderung des Kondensats in den Hochdruckzweig des Kreislaufs I, steht
es-im Wärmetauscher B in enger thermischer Verbindung zu dem heißeren Arbeitsmittel
II des Kreislaufs II. Dabei liegt die Kondensationstemperatur des Arbeitsmittels
II höher als die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels I. Bei Verwendung von
gleichen Arbeitsmitteln ist dabei der Druck im Kreislauf II höher als der Druck
in Kreislauf I. Die hohe Temperatur bzw. der hohe Druck wird dadurch erreicht, daß
das im Wärmetauscher A verdampfte Arbeitsmittel II durch einen Restwärmeerhitzer
auf eine höhere Temperatur gebracht (überhitzt) wird und anschließend mittels Kompressor
bis zur Sattdampftemperatur verdichtet wird, die über der Kondensationstemperatur
des Arbeitsmittels I im Hochdruckteil liegt.
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Durch diese gegenseitige Wärmekompensation der beiden Kreisläufe ist
es möglich, die Elemente und die gesamte Wärmekraftmas-hine nach außen thermisch
zu isolieren und damit den Wirkungsgrad zu verbessern.
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Die Bedingung zum wirtschaftlichen Einsatz der wärmepumpe ergibt sich
durch den thermischen Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine. Nach Carnot gilt für
die obere Grenze des WirKungsrades:
Die remperaturen sind in Grad Kelvin einzusetzen.
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Dabei stellt AM die mechanische, abgegebene Arbeit, und die die dazu
benötigte Wärmemenge dar; T1 ist die Eintrittstemperatur des Dampfes in die Maschine
und 22 die Austrittstemperatur. Daraus ergibt sich, daß das Verhältnis T1 : 12 möglichst
hoch gewählt werden sollte.
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Für die obere Grenze der Leistungszahl e der Wärmepumpe gilt für den
Carnotprozess:
Dabei ist Qp die von den Wärmepumpe abgegebene Wärmemenge und Ar die dazu benötigte
Kompressionsarbeit; T1 ist die Arbeitsmitteltemperatur vor der Pumpe. Daraus folgt,
daß das Verhältnis T : T2 bei der Wärmepumpe auch möglichst groß (im Maximum wird
1 erreicht jedoch ohne*Pumpeffekt) gewählt werden soll.
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Für den Grenzwert der Rentabilität der Wärmepumpe würde sich damit
ergeben: Bedingung:
Die Nachteile des Hubkolbenmotors wie periodisches Beschleunigen bzw. Verzögern
der Kolben und der geringe aktive Arbeitsbereich (beim Viertakter max. 900 einer
Umdrehung) führte außerdem erfindungsgemäß zum Einsatz einer Rotationskolbenmaschine
mit dreischenkligem Dichtzylinder; Dabei wird der aktive Arbeitsbereich über 3000
ausgedehnt.
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Nach demselben Prinzip arbeitet der Kompressor, so daß bei der Verwendung
von steuerbaren Ventilen eine Energierückspeisung, also das Umwandeln von mechanischer
Energie beim Bremsvorgang - in reversible thermische Energie, die in den Kreisläufen
gespeichert wird, möglich ist.
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Weitere Einzelheiten und Besonderheiten der Erfindung gehen aus der
Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen hervor, die, ohne sich darauf zu beschränken,
besondere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschinen beinhalten.
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Es zeigen: Fig.1 schematisch eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine,
bei der die beiden geschlossenen Kreisläufe mit Hilfe von zwei Wärmetauschern gekoppelt
sind.
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Fig.2 die Schnittdarstellung durch den Rotationskolbenmotor mit dreischenkligem
Dichtprofil.
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Fig.3 Malteserkreuzgetriebe zum Antrieb des dreischenkligen Dichtprofils.
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Fig.4 schematisch die steuerbaren Ein- und Auslaßventile des Rotationskolbenmotors.
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Fig.5 schematisch ein umschaltbares Steuerventil des Kompressors.
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Fig.6 die Schnittdarstellung der Wärmekraftmaschine in Kompaktbauweise.
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Die erfindungsgemäße in Fig.1 dargestellte Wärmekraftmaschine besteht
aus einem Dampferhitzer 1, der bei geringen Winddruckverhältnissen über den Ventilator
2 mit Brennluft versorgt wird, die in einem Luftvorwärmer 3 auf höhere Temperatur
gebracht wird und hernach über den Brenner 4 in den Verbrennungsraum eingeblasen
wird. Die Wärmequelle kann dabei auch durch Sonnen- oder Atomenergle realisiert
werden. Der größte Teil der im Dampf erhitzer 1 erzeugten Wärmemenge wird über den
überhitzer 5 an ds Arbeitsmittel des Kreislaufs I (vollschwarze Linie) abgegeben,
das nach dem Durchlaufen des Dampfdoms 6 über Ventile (siehe Fig.4) dem rotor zugeführt
wird. Der Uberhitzer 5 arbeitet nur im Anlaufstadlum als Dampferzeuger.
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Dabei muß erwähnt werden, daß Brenner, Dampferhitzer, Überhitzer,
Dampfdom und Motor eine thermische Einheit bilden.
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Im Motor 7 wird das Arbeitsmittel I unter Arbeitsleistung entspannt
und im Niederdruckzweig des Kreislaufs I 8 (innerhalb des armetauschers A 9) infolge
der thermischen Kopplung mit dem kälteren Niederdruckzweig t0 des Kreislaufs II,
kondensieren unß sich im Kondensatgefäß 11 sammeln.
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Die Kondensatpumpe 12 fördert das Kondenswasser in den Hochdruckzweig
des Kreislaufs I 13, der wiederum innerhalb des Wärmetauschers B14 in thermischem
Kontakt mit dem heißeren Hochdruckzweig von Kreislauf II 15 steht. Dadurch kondensiert
Arbeitsmittel II während Arbeitsmittel I verdampft und der Dampf dem Uberhitzer
zugeführt wird; damit ist Kreislauf I geschlossen. Das Arbeitsmittel II bewegt sich
in Gegenrichtung zu ArbeitsmittelI. Im Niederdruckteil 10 nimmt das unterkühlte
und kondensierte Arbeitsmittel II Wärme von Arbeitsmittel I auf und verdampft. Der
Dampf wird in dem Restwärmeerhitzer 16 weiter erhitzt und dem Kompressor 17 zugeführt.
Dieser komprimiert das Arbeitsmittel II auf einen Druck, der über dem Druck von
Arbeitsmittel I im Hochdruckzweig 13 liegt. Bei der Kompression tritt außerdem eine
Temperaturerhöhung auf, so daß die Temperatur des Arbeitsmittels II über die des
Arbeitsmittels I zu liegen kommt.
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Nun kondensiert das Arbeitsmittel II (gesättigter Dampf) im Hochdruckzweig
15 und wird nach der Entspannungsdüse 18 entspannt und damit stark abgekühlt in
den Niederdruckteil 10 geschickt. Für den Wärmetauscher A 9 gilt, daß der Druck
des Arbeitsmittels I höher liegt als der Druck des Arbeitsmittels II, so daß die
Kondensationstemperatur des Kreislaufs I höher liegt als die Verdampfungstemperatur
des Kreislaufs II.
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Gegen Wärmeverlust sind exemplarisch der Wärmeschutzmantel 19 um Brenner,
erhitzer, Dampfdom und Motor sowie der Gesamtärmeschutzmantel 20 eingezeichnet.
Bei entsprechender Wärmeisolierung (und infolge des fehlenden Kühlers) wird deutlich,
daß der Wirkungsgrad bei richtiger Dimensionierung der Wärmepumpe besser ist als
bei andersgearteten Motoren.
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Die Grenzwerte von Druck und Temperatur können in den einzelnen Zweigen
überwacht und zur Steuerung des Kompressors, der Kondensatpumpe und der Entspannungsdüse
herangezogen werden.
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Bei Wärmekraftmaschinen die im stationären Betrieb arbeiten kann der
Wärmetauscher A event. gespart werden. Dabei wird das entspannte Arbeitsmittel I
nach dem Motor aufgeteilt; der größere Teil wird direkt über den Restwärmeerhitzer
dem Kompressor zugeführt und der Rest wird mit dem Arbeitsmittel II, das aus der
Entspannungsdüse austritt gemischt.
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Das Gemisch kondensiert und wird mit der Kondensatpumpe in den Kreislauf
I zurückgepumpt.
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Fig.2 zeigt die Schnittdarstellung durch den Rotationskolbenmotor,
der sich erfindungsgemäß zusammensetzt aus einer zentrisch gelagerten Welle 21,
die mit dem zentrisch umlaufenden Rotationskolben 22 und der Dichtleiste 23 fest.
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verbunden ist. Parallel zur Hauptachse des Rotationskolbens verläuft
die Drehachse des dreischenkligen Dichtprofils 24.
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Das dreischenklige Dichtprofil 24 und die Dichtleiste 23 sind so gestaltet,
daß sie bei geführtem Ineinandergreifen auf-einander abrollen. Durch das dreischenklige
Dichtprofil, die Dichtleiste mit Rotationskolben und den Stator 25 wird das freie
Motorvolumen in den Hochdruckraum 26 und den Niederdruckraum 27 aufgeteilt. Zur
Abdichtung werden in die Dichtieiste und die Stirnseiten des dreischenkligen Dichtprofils
spezielle Dichtkanten 30 aus wärme- und verschleißfestem Material eingefügt. Die
nicht gezeichnete Vorder-und Hinterseite des Stators wird abgedichtet durch ringförmige
Dichtungen, die in der Nähe der Außenkanten des Rotationskolbens verlaufen. Auch
die Dichtleiste und das dreischenklige Dichtprofil werden abgedichtet. Über die
Dampfeintrittsöffnung 28 tritt der Dampf in den Hochdruckraum 26 ein uni wird nah
einer Umdrehung des Rotationskolb-ens durch die Dampfaustrittsöffnung 29 aus dem
Niederdruckraum 27 wieder ausgestoßen.
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Die Steuerung des dreischenkligen Dichtprofils kann z.B. durch ein
Malteserkreuzgetriebe (siehe Fig.3) vorgenommen werden, was mehrere Vorteile bringt:
1. Von Punkt a bis Punkt e (das sind 300 Winkelgrad) ist das dreischenklige Dichtprofil
arretiert, so daß es möglich und sinnvoll ist, an dem B erührungspunkt zum Rctationskolben
spezielle Dichtkanten anzubringen.
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2. Die teschleunigung vom ruhenden in den bewegten Zustand und umgekehrt,
erfolgt mit den bekannten stetigen Übergängen (vollkommen ruckfrei), die bei Malteserkreuzgetrieben
üblich sind.
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Zur Steuerung des Dampf eintritts wird ein steuerbares Einlaßventil
(siehe Fig.4) herangezogen. Dabei erfolgt die Dampfz ufuhr erst, wenn die Dichtleiste
die tote Zone überschritten hat uhd die Abdichtung gegen den Stator hin wieder übernimmt.
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Die Stirnseiten des dreischenkligen Dichtprofils überlappen die Dampf
ein und -auslaßöffnungen, während die Dichtleiste die tote Zone durchläuft. Je nach
Leistungsbedarf wird der Abschaltwinkel der Dampfzufuhr (von a aus gemessen) zwischen
O und 180 Winkelgrad gelegt. Durch die frühzeitige Abschaltung des Dampfes wird
der Wirkungsgrad wesentlich erhöht und bei sehr kleinem Abschaltwinkel kann ein
Bremsvorgang gut unterstützt werden.
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Der weitere Vorteil dieser otorkonstruktion besteht darin, daß außer
der dreischenkligen Dichtleiste und dem Malteserkreuz, die klein und leicht ausgeführt
werden, keine Teile positiv oder negativ zu beschleunigen sind, wie beim Hubkolbenmotor.
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Dadurch sind hohe Drehzahlen möglich. Beim Bremsvorgang kann über
die Ventile eine Umschaltung der Dampfzu- und -abführung (siehe Fig.4) vorgenommen
werden; dabei wird der Niederdruckraum über das steuerbare Ventil zeitweise mit
Hochdruckdampf beaufschlagt, während der Hochdruckraum mit dem Niederdruckzweig
von Kreislauf I verbunden wird und damit ein maximales Bremsmoment möglich ist.
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Fig. 3 zeigt das dreischenklige Malteserkreuzgetriebe, für das in
bekannter Weise folgende Zusammenhange belten: LP= = 1200, t= 600, r/d = 0,866 Fig.
4 zeigt die Ventilsteuerung des Motors; dabei sind die Ventile zusätzlich in den
Stator 25 des Rotationskolbenmotors eingelassen. Das Umschaltventil 31 besitzt die
zwei möglichen Stellungen: a (antreiben) und b b (bremsen).
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In der'Stellung a tritt der Dampf aus dem Überhitzer und dem Dampf
dom üwber das regelbare Dosierventil 32 in die Dampfeintrittsöffnung 28 ein und
treibt den Rotationskolben an.
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Das Dosierventil dreht sich im Gegensinn zur Kreisfrequenz des Rotationskolbens
und öffnet, bzw. schließt die Dampfzufuhr in Abhängigkeit von der Stellung und der
Größe der Ventilwellenaussparung. Die Aussparung in der Ventilwelle verläuft konisch
und erreicht Werte von 0 bis 360 winkelgrad, so daß die Dampfzufuhr beliebig gesteuert
werden kann. (In der Stellung a werden, außer beim Anfahren, nur Winkel bis 1800
freigegeben).
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Die Stellung b wird beim Bremsvorgang eingestellt. Dabei wird durch
das Umschaltventil 31 die Dampfzufuhr abgestellt und der Hochdruckraum 26 mit dem
Niederdruckzweig des Kreislaufs I 8 verbunden. Der Niederdruckraum 27 ist jetzt
über das Umschaltventil 31 und dem Überdruckventil 33 mit dem Hochdruckzweig von
Kreislauf I verbunden. In dieser Stellung arbeitet der Rotationskolbenmotor als
Kompressor und fördert über das Überdruckventil komprimierten Dampf in den Dampf
dom zurück.
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Fig. 5 zeigt die Ventilsteuerung für den im Prinzip gleich gebauten,
aber bei verändertem Energiefluß arbeitenden Kompressor. Das Kompressorventil 35
besitzt die zwei möglichen Stellungen: k (koMrimieren) und 1 (leerlaufen).
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In der Stellung k wird der Dampf aus dem Restwärmeerhitzer 16
in
den Hochdruckraum 26 eingesaugt und gleichzeitig der Dampf des Niederdruckraumes
27 komprimiert. Übersteigt dieser Druck den Druck im Hochdruckzweig des Kreislaufs
II, so öffnet ias Überdruckventil 36 und läßt den Dampf ausströmen.
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In der Stellung 1 sind Hooh- und Niederdruckraum mit ein ander verbunden,
so daß der Leerlauffall vorliegt.
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Wird zeitweise die maximale Antriebsleistung benötigt, oder ist die
Grenze des Drucks im Hochdruckzweig von Kreislauf II erreicht, so wird der Kompressor
im Leerlauf betrieben.
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Beim Anfahren und zum schnelleren Erreichen der Betriebstemperatur,
kann der Kompressor als Hilfsantrieb benutzt werden. Die Rotationskolben von Kompressor
und Motor sind dabei um etwa 1800 versetzt miteinander gekuppelt, so daß es keine
gemeinsamen Totpunkte gibt. (Damit kann ein Anlasser entfallen). Beim Bremsvorgang
wird der Kompressor voll eingeschaltet, um im Kreislauf II ein Maximum an Energie
zu speichern.
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Fig. 6 zeigt erfindungsgemäß eine Schnittdarstellung der Wärmekraftmaschine
in Kompaktbauweise. Der kompakte Aufbau wird dadurch erreicht, daß die Wärmetauscher
als 2'Doppelrohrwicklungen" radial um Rotationskolbenmotor und Kompressor angeordnet
werden. Die Wärmetausche sind als separate Moduln- ausgeführt (Einschubtechnik),
so daß sie schnell geprüft und ausgewechselt werden können. Im Innenrohr der Doppelrohrwicklung
verläuft das heißere Medium, so daß der Wärmefluß über die gesamte Innenrohrwandung
gleichmäßig erfolgt.
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Der Wärmeübergangswiderstand wird bei einer dünnen Rohrwand wie hier,
und einem Rohrmaterial mit hoher Wärmeleitzahl sehr gering. Der definierte Abstand
zum Außenrohr wird z.B. durch einzeln eingefügte Distanzelemente erreicht, die einen
geringen Strömungswiderstand für das äuPäere Medium darstellen. Rei den Wärmetauschern
A 9 und B 14 hat der Zweig mit dem höheren Druck auch die höhere Temperatur und
liegt somit innen,
was die Druckbelastung des Innenronres (den
Differenzdruck) um den Außendruck vermindert und dadurch eine wesentlich dünnere
Tnnenrohrwandung zuläßt.
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Das Außenrohr ist gegen Wärmeabstrahlung und Wärmeleitung, je nach
Temperatur, mit Aluminiumfolie, Stein- und Glaswolle oder Asbest isoliert.
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Auch bei der Gesamtanordnung liegt der Modul mit der höheren Temperatur
weiter innen. So erfolgt die Primärwärmezufuhr über den Brenner 4, der das Rauchgas
durch die Innenrohre der drei-Moduln Überhitzer 5, Restwärmeerhitzer 16 und Luftvorwärmer
3 treibt. Der Wärmetauscher B 14 (Hochdruckzweig von Kreislauf II 15, - von Kreislauf
I 13) mit den hohen Drücken und der Wärmetauscher A 9 (Niederdruckzweig von Kreislauf
I 8, - von Kreislauf II 10) mit dem niederen Druck, bilden die äußeren Wicklungslagen.
Zusätzlich zur Wärmeisolation im Innern wird die Wärmekraftmaschine nach außen durch
den Wärmeschutzmantel 20 (z.B. verspiegelter Unterdruckraum mit Thermosflascheneffekt)
gut isoliert.
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Der Vorteil der Anordnung nach Fig. 6 besteht darin, daß der Wärmeabfluß
eines innerern Moduls nicht verloren ist, sondern vom äußeren Modul verwertet werden
kann.