DE2633233A1 - Waermekraftmashine mit aeusserer waermequelle - Google Patents
Waermekraftmashine mit aeusserer waermequelleInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Wärmequelle, insbesondere auf eine Wärmekraftmaschine,
die einen kühlen Kompressionsraum mit veränderlichem Volumen und einen heißen Expansionsraum mit veränderlichem
Volumen aufweist, die beide miteinander verbunden sind, um ein Arbeitsgas zwischen ihnen über Wärmetauscher vor-
und zurückströmen zu lassen, die dazu eingerichtet sind, von einer äußeren Wärmequelle dem komprimierten Arbeitsgas Wärme zuzuführen und vom expandierten Arbeitsgas Wärme
abzuziehen. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Leistungssteuerung bei einer derartigen Wärmekraftmaschine
.
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TSLEFON (O3B>
02 28 82
TELEX 05-29 380
IMSPECT£D
Der Stirlingmotor, der mit Außenwärme betrieben wird, ist
als mögliche Alternative für Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung bekannt. Diese Erfindung hängt mit dem Stirlingmotor
eng zusammen, sodaß zunächst einmal eine Kurzbeschreibung des Prinzips des Stirlingraotors vorgelegt wird.
In der beigefügten Zeichnung zeigt Figur 1 eine schematische Darstellung der Grundkonstruktion des Stirlingmotors.
Der Stirlingmotor weist zwei Räume auf, die über einen Erhitzer, einen Regenerator und über einen Kühler miteinander
verbunden sind. Die Volumina der beiden Räume werden zyklisch verändert, sodaß Arbeitsgas, beispielsweise Luft, das
im Motor eingeschlossen ist, der Wiederholung eines Kreislaufs von Kompression im einen Raum und Expansion im anderen
Raum unterzogen wird. Die Temperatur ist während des Betriebs im Kompressionsraum niedrig, im Expansionsraum hoch.
Bei einem als Beispiel verwendeten Stirlingmotor in Figur 1 bilden ein Zylinder 10, der in seinem Inneren einen hin-
und hergehenden Kolben 11 >aufnimmt, sowie ein.anderer Zylinder
12, der in seinem Inneren einen Kolben 13 aufnimmt,jeweils einen
Kompressionsraum 14 und einen Expansionsraum 15.
Ein Kanal 16 sieht eine Strömungsverbindung zwischen Kompressionsraum
14 und Expansionsraum 15 vor. Ein Kühler 17
und ein Erhitzer 18 bilden einen Teil des Kanals 16 in einer
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derartigen Anordnung, daß der Kühler 17 zwischen dem Kompressionsraum
14 und dem Erhitzer 18 angeordnet ist, und im Kanal 1 6 wird ein Regenerator 1 9 eingeschlossen,um einen Abschnitt
zwischen Kühler 1 7 und Erhitzer 18 auszufüILen.Im Kanal 1 6
ist kein Ventil vorgesehen, sodaß der Kanal alternativ als Teil des Kompressionsraums 14 und als Teil des Expansionsraums
15 dient. Der Erhitzer 18 ist ein Wärmetauscher, um Wärme
von einer aussenliegenden Wärmequelle auf das Arbeitsgas, das durch den Kanal 16 strömt, zu übertragen. Der Kühler
17 ist ebenfalls ein Wärmetauscher, um Wärme vom Arbeitsgas unter Verwendung eines aussenliegenden Kühlmediums abzuziehen.
Der Regenerator 19 läßt das Arbeitsgas durchtreten u:nd wird als Wärmespeicher betrachtet, der abwechselnd Wärme
aufnimmt und freigibt. Der Kompressionskolben 11 und der Expansionskolben
13 sind miteiner Kurbelwelle (nicht dargestellt) einzeln mit einer Pleuelstange (nicht dargestellt) verbunden,
um sich mit einem Phasenunterschied um einen bestimmten Kurbelwinkel gegeneinander zu bewegen.
Das Arbeitsgas wird im Kompressionszylinder 10 und im Kanal
komprimiert, während der Expansionskolben 13 sich an seinem
inneren Totpunkt befindet. Das komprimierte Gas nimmt Wärme im Erhitzer 18 auf und veranlaßt, daß der Expansionskolben
zu seinem äußeren Totpunkt bewegt wird. Dem Motor wird in diesem Zustand Leistung über die Kurbelwelle entnommen. Dann
bewegt sich der Expansionskolben 13, um das Volumen des Expansionsraums 15 zu verringern, und der Kompressionskolben
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bewegt sich, um das Volumen des Kompressionsraums 14 zu erhöhen.
Dementsprechend kehrt das expandierte Gas über den Erhitzer 18, den Regenerator 19 und den Kühler 17 in den
Komprassionsraum 14 zurück. Der Regenerator 19 entzieht dem
expandierten Gas, das eine hohe Temperatur aufweist, Wärme und speichert diese. Das Arbeitsgas wird im Kühler 17 noch
weiter gekühlt, bevor es in den Kompressionszylinder 10 eintritt. Die im Regenerator 19 gespeicherte Wärme wird verwendet,
um das Arbeitsgas vorzuerhitzen, wenn das Gas im nächsten Betriebszyklus durch den Kanal 16 zum Expansionszylinder 12 hin getrieben wird.
Bei diesem Motor strömt das Arbeitsgas zwischen Kompressionszylinder 10 und Expansionszylinder 12 durch den selben Kanal
16 vor und zurück, der die Wärmetauscher 17,18 und 19 in einer
festgelegten Anordnung aufweist. Der Nachteil dieses Motors,der
seine Ursache in der Ηίη-und Herbewegung des Arbeitsgases durch denselben
Kanal 16 hat, besteht darin, daß weder das Erhitzen noch das Abkühlen des Arbeitsgases unter einem hohen Wirkungsgrad
durchgeführt wird. Es muß beispielsweise das Arbeitsgas gekühlt werden, wenn es vom Expansionszylinder 12 in den
Kompressionszylinder 10 hinüberströmt. Nichtsdestoweniger
muß das expandierte Arbeitsgas durch den Erhitzer 18 strömen, bevor es durch den Kühler 17 strömt. Zusätzlich verbleibt
ein Teil des Kanal 16 bei einer hohen Temperatur, wenn das
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Arbeitsgas vom Expansionszylinder 12 abgegeben wird, aufgrund
des vorher erfolgten Durchtritts des erhitzten Arbeitsgases. Die periodischen, jeweils in Gegenrichtung erfolgenden
Bewegungen des Arbeitsgases im Kanal 16 tragen ferner noch
dazu bei, daß der Wärmewirkungsgrad abgesenkt wird, indem sie den Stillstand bzw. Stau eines Teils des Arbeitsgases im
Kanal 16 verursachen.
Daß keine Ventile im Kanal 16 vorgesehen wurden, ist auch
für den Wirkungsgrad des Motors nachteilig. Das Arbeitsgas ist der Kompression und Expansion nicht nur im Kompressionszylinder 10 bzw. im Expansionszylinder 12 ausgesetzt, sondern
auch im Kanal 16. In anderen Worten, sowohl der Kompressionsraum 14 als auch der Expansionsraum 15 weisen einen beträchtlich
großen und beinahe nutzlosen Raum auf. Als Ergebnis wird dieser Motor nur bei niedrigen Kompressionsund
Expansionsverhältnissen betrieben.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Wärmekraftmaschine
vorzusehen, die unter Zuhilfenahme einer externen Wärmequelle mit einem geschlossenen Kreislauf eines Arbeitsgases
arbeitet, ähnlich wie beim Stirlingmotor, aber einen verbesserten Wärmewirkungsgrad aufweist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung vorzusehen, die einen
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hohen Wärmewirkungsgrad sowie die Fähigkeit aufweist, eine
veränderliche Leistung abzugeben, ohne einen großen Unterschied im Wärmewirkungsgrad zu verursachen.
Erfindungsgemäß wird eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Wärmequelle vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch
folgende Merkmale:
a) eine Gaskompressionsvorrichtung mit einem beweglichen Bestandteil, eingerichtet zum Festlegen eines Kompressionsraums mit veränderlichem Volumen,
b) eine Gasexpansionsvorrichtung mit einem beweglichen Bestandteil, eingerichtet zum Festlegen eines Expazisionsraums
mit veränderlichem Volumen,
c) ein Triebmechanismus, der dazu eingerichtet ist, von der Bewegung des beweglichen Bestandteils der Expansionsvorrichtung getrieben zu werden und das bewegliche Bestandteil
der Kompressionsvorrichtung anzutreiben,
d) ein erster Strömungskanal, der den Kompressionsraum mit dem Expansionsraum verbindet, :
e) ein erster Wärmetauscher, der zum Übertragen von Wärme
von einer äußeren Wärmequelle auf ein Arbeitsgas eingerichtet ist, das in der Maschine an einem Abschnitt des ersten Kanals
eingeschlossen ist,
f) ein zweiter Strömungskanal, der den Expansionsraum mit dem Kompressionsraum unabhängig vom ersten Kanal verbindet,
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g) ein zweiter Wärmetauscher, der zum Abziehen von Wärme
vom Arbeitsgas an einem Abschnitt des zweiten Kanals angeordnet ist, wobei
der erste und der zweite Kanal derart angeordnet sind, daß das Arbeitsgas vom Kompressionsraum zum Expansionsraum nur
durch den ersten Kanal geleitet wird, und vom Expansionsraum zum Koiapressionsraum nur durch den zweiten Kanal rückgeführt
wird.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, daß der Kompressionsraum und der Expansionsraum einer Wärmekraftmaschine
nach Art des Stirlingmotors durch zwei voneinander unabhängige Kanäle verbunden sind, damit das komprimierte
Arbeitsgas zum Expansionsraum nur über einen ersten Kanal geleitet wird, der mit einem Erhitzer ausgestattet ist, und
damit das expandierte Arbeitsgas zum Kompressionsraum nur über einen zweiten Kanal rückgeführt wird, der mit einem
Kühler versehen ist. . ·
Der Motor weist vorzugsweise Einlaß- und Abgabeventile zum Steuern der Verbindung des Kompressionsraums mit dem zweiten
Kanal bzw.mit dem ersten Kanal auf, und einen anderen Satz von Einlaß- und Abgabeventilen, um die Verbindung des Expansionsraums
mit dem ersten Kanal bzw. dem zweiten Kanal
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zu steuern.
Die Kompressionsvorrichtung und Expansionsvorrichtung kann entweder von der Art mit hin- und hergehendem Kolben oder
von der Rotationskolbenart sein. In jedem Fall ist es möglich, einen Motor zu konstruieren, der zwei oder mehrere
Sätze der Verbindung von Kompressionsvorrichtung und Expansionsvorrichtung aufweist, ohne daß er notwendigerweise
eine erhöhte Anzahl von Wärmetauschern benutzen muß. Eine Wärmekraftmaschine mir äußerer Verbrennung gemäß der Erfindung
kann mit einer Regeleinrichtung für die Motorleistung versehen sein, die ein Gasreservoir aufweist, das in seinem
Inneren Arbeitsgas unter Druck enthält, die mit dem ersten und dem zweiten Kanal des Motors an Abschnitten verbunden
ist, wo das Arbeitsgas unter verhältnismäßig tiefen Temperaturen vorliegt; und die Ventile zum Steuern der Verbindung
des Vorratsbehälters mit dem Motor aufweist. Die Motorleistung kann durch Zuführen des Arbeitsgases zum Motor
erhöht und durch Entnehmen eines Teils' des Arbeitsgases vom Motor verringert werden.
Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele noch näher erläutert.
Eä sind Zeichnungen beigefügt, in denen Figur 2 eine schematische Darstellung einer Wärmekraftma-
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_ Q —
schine zeigt, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist;
Figur 3 eine Reihe schematischer Ansichten eines wesentlichen
Teils der in Figur 2 dargestellten Wärmekraftmaschine zeigt, um einen vollen Betriebszyklus des Motors zu zeigen;
Figur 4 ein Druck- Volumen- Diagramm für einen Betriebszyklus des in Figur 2 dargestellten Motors zeigt;
Figur 5 eine Wärmekraftmaschine zeigt, die grundsätzlich der
in Figur 2 gezeigten ähnlich ist, aber Kompressions- und Expansionsräume in größerer Zahl aufweist;
Figur 6 und 7 zwei verschieden aufgebaute Wärmekraftmaschinen
zeigen, die jeweils auch bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen;
Figur 8 die Verbindung des in Figur 2 dargestellten Motors mit einer Steuereinrichtung für die Motorleistung zeigt;
Figur 9 im allgemeinen ähnlich der Figur 8 ist, eine
kleine Modifizierung der Steuereinrichtung ausgenommen,
Figur 10 ein Druck - Volumen - Diagramm für die Erklärung
der Wirkungsweise der in Figur 8 und 9 dargestellten Steuereinrichtungen zeigt.
Figur 2 zeigt eine Wärmekraftmaschine als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in dieser einfachsten Form. Bei diesem
Motor sind parallel zueinander
- ein kalter Kompressionszylinder 20, der in seinem Inneren
- ein kalter Kompressionszylinder 20, der in seinem Inneren
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einen hin- und hergehenden Kolben 22 zum Begrenzen eines Kompressionsraums 24 mit variablem Volumen aufnimmt, und
- ein heißer Expansionszylinder 3O7 der in seinem Inneren
einen hin- und hergehenden Kolben 32 zum Begrenzen eines
aufnimmt,
Expansionsraums 34 Angeordnet. Die beiden Kolben 22 und sind über eine Kurbelwelle 80 des Motors mit zwei Pleueln 2 6 bzw. 3 6 verbunden. Ein Strömungskanal 40 verbindet den Kompressionsraum 24 mit dem Expansionsraum 34 über einen Kühler 50, der ein Wärmetauscher auf der Basis eines externen Kühlmediums ist. Dieser Motor weist ferner einen weiteren Strömungskanal 60 auf, der vom Kanal 40 unabhängig ist, aber ebenfalls den Kompressionsraum 24 mit dem Expansionsraum 34 verbindet, und zwar über einen Erhitzer oder Wärmetauscher 70, der mit einer externen Wärmequelle zusammenwirkt. Der Kanal 40, der mit dem Kühler 50 versehen ist, ist dafür vorgesehen, nur zum Durchlaß eines Arbeitsgases (das im Motor wie im Stirlingmotor eingeschlossen ist) vom heißen Expansionszylinder 30 zum kalten Kompressionszylinder 20 genutzt zu werden. Dementsprechend ist ein Einlaßventil 42 angeordnet, um die Verbindung des Kompressionsraums 24 mit dem Kanal 40 zu steuern, sowie ein Abgabeventil· 44, um die Ver- ' bindung des Expansionsraums 34 mit dem Kanal 40 zu steuern. Der Kanal 60, der mit dem Erhitzer 7 0 versehen ist, bezweckt den Durchlaß des Arbeitsgases vom kalten Kompressionszylinder 20 zum heißen Expansionszylinder 30. Ein Einlaßventil 64 und ein Abgabeventil 62 sind zum Steuern der Ver-
Expansionsraums 34 Angeordnet. Die beiden Kolben 22 und sind über eine Kurbelwelle 80 des Motors mit zwei Pleueln 2 6 bzw. 3 6 verbunden. Ein Strömungskanal 40 verbindet den Kompressionsraum 24 mit dem Expansionsraum 34 über einen Kühler 50, der ein Wärmetauscher auf der Basis eines externen Kühlmediums ist. Dieser Motor weist ferner einen weiteren Strömungskanal 60 auf, der vom Kanal 40 unabhängig ist, aber ebenfalls den Kompressionsraum 24 mit dem Expansionsraum 34 verbindet, und zwar über einen Erhitzer oder Wärmetauscher 70, der mit einer externen Wärmequelle zusammenwirkt. Der Kanal 40, der mit dem Kühler 50 versehen ist, ist dafür vorgesehen, nur zum Durchlaß eines Arbeitsgases (das im Motor wie im Stirlingmotor eingeschlossen ist) vom heißen Expansionszylinder 30 zum kalten Kompressionszylinder 20 genutzt zu werden. Dementsprechend ist ein Einlaßventil 42 angeordnet, um die Verbindung des Kompressionsraums 24 mit dem Kanal 40 zu steuern, sowie ein Abgabeventil· 44, um die Ver- ' bindung des Expansionsraums 34 mit dem Kanal 40 zu steuern. Der Kanal 60, der mit dem Erhitzer 7 0 versehen ist, bezweckt den Durchlaß des Arbeitsgases vom kalten Kompressionszylinder 20 zum heißen Expansionszylinder 30. Ein Einlaßventil 64 und ein Abgabeventil 62 sind zum Steuern der Ver-
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bindung des Kanals 60 mit dem Expansionsraum 34 bzw. dem Kompressionsraum 24 vorgesehen. Diese Ventile 42,44,62 und
sind entsprechend mit einer Ventilbetätigungsmechanik (nicht dargestellt) versehen, die mit der Kurbelwelle in ähnlicher
Weise wie der Ventilbetätigungsmechanismus bei einem Motor mit Innenverbrennung verbunden sein kann.
Der kalte Kompressionszylinder 20, der in seinem Inneren
den hin- und hergehenden Kolben 22 aufnimmt, wird im Folgenden als Kompressor 2 0 bezeichnet, denn er ist als ein Beispiel
einer Vorrichtung dargestellt, die ein Gasvolumen innerhalb eines abgeschlossenen Raums einschließt, indem der Gasdruck
gesteigert wird, wenn das Volumen des geschlossenen Raums verringert wird. Dieser Zylinder oder Kompressor 20 wurde
als "kalt" bezeichnet, weil immer ein vorgekühltes Arbeitsgas in diesen Kompressor 20 eingeleitet wird, wie im
Folgenden beschrieben wird. Der heiße Expansionszylinder 30,
der in seinem Inneren einen hin- und hergehenden Kolben aufnimmt, wird im Folgenden als Expander 30 bezeichnet, denn
er ist ein Beispiel einer Vorrichtung, die ein Gasvolumen innerhalb eines geschlossenen Raumes begrenzt, in dem der
Gasdruck verringert wird, wenn das Volumen des geschlossenen Raums gesteigert wird. Dieser Zylinder oder Expander 30 wurde
als "heiß" bezeichnet, weil ständig ein vorgeheiztes Arbeitsgas in diesen Expander 3 0 eingeleitet wird.
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Ein voller Betriebszyklus dieses Motors wird unter Bezugnahme auf Figur 3 beschrieben. Die Ansicht a von Figur
zeigt ein frühes Stadium eines Kompressionshubs im Kompressor 20. In diesem Stadium werden sowohl Einlaß als
auch Abgabeventil 42 und 62 für den Kompressor 20 geschlossengehalten. Das Einlaßventil 64 für den Expander
ist ebenso geschlossen, aber das Abgabeventil 44 befindet sich in offenem Zustand. Der Kolben 32 des Expanders 30 ist in
Bewegung, um das Volumen des Expansionsraums 34 zu verringern, sodaß ein Teil des Arbeitsgases zum Kühler 50 überführt wird.
Die Ansicht b zeigt ein späteres Stadium desselben Kompressionshubs.
Der Kolben 22 befindet sich nun nahe seinem inneren (oder oberen) Totpunkt, und der Gasdruck im Kompressionsraum
24 liegt entschieden über dem Gasdruck im Erhitzer 70. In diesem Stadium öffnet das Abgabeventil
für den Kompressor 20 entweder automatisch in Abhängigkeit vom Druckunterschied zwischen Kompressionsraum 24 und
Kanal 60 oder mittels einer mechanischen Ventilbetätigungseinrichtung, sodaß das komprimierte Gas beginnt, in den
Erhitzer 70 einzutreten. Im Expander 30 fährt der Kolben noch immer fort, Arbeitsgas an den Kühler 50 abzugeben.
Im Stadium c befindet sich der Kompressionskolben 22 an seinem inneren Totpunkt, und zur gleichen Zeit befindet
sich auch der Expansionskolben 32 an seinem inneren Totpunkt.
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Die Abgabeventile 62 und 44 werden in diesem Stadium geschlossen. Das Einlaßventil 42 für den Kompressor 20 ist
noch geschlossen gehalten, aber das Einlaßventil 64 für den Expander 30 wird in diesem Stadium mittels einer mechanisehen
Ventilbetätigungsexnrichtung geöffnet.
Hiernach bewegen sich die Kolben 22 und 32, um die Volumina
von Kompressionsraum 24 bzw. Expansionsraum 34, wie in Figur d dargestellt, zu erhöhen. Zur gleichen Zeit öffnet
das Einlaßventil 42 für den Kompressor 20 auf den Druckunterschied zwischen Kanal 4 0 und Kompressionsraum
hin, um das gekühlte Arbeitsgas vom Kühler 50 aufzunemen.
Das Abgabeventil 44 und das Einlaßventil 64 für den Expander 30 bleiben in geschlossenem bzw. in offenem
Zustand, sodaß der Expansionsraum 34 fortfährt, das Arbeitsgas einzusaugen, das sich in einem Zustand unter
hoher Temperatur und hohem Druck befindet.
Dann wird, wie in Figur e gezeigt, das' Einlaßventil 64
für den Expansionsraum 34 geschlossen, und das Arbeitsgas wird im Expander 30 expandiert, wenn der Kolben 32
sich seinem äußeren Totpunkt nähert. Dieser Vorgang versieht den Motor bei diesem Hub des Expansionskolben 32
mit Leistung. Der Kolben 22 des Kompressors 20 nähert sich ebenfalls seinem äußeren Totpunkt, um Arbeitsgas vom Kühler
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voll einzusaugen.
Die beiden Kolben 22 und 32 erreichen gleichzeitig ihren äußeren Totpunkt, wie in Figur f dargestellt. Die beiden
Ventile 42 und 62 für den Kompressor 2 0 und das Einlaßventil 64 für den Expander 3 0 befinden sich in diesem
Stadium in geschlossenem Zustand, aber das Abgabeventil 44 wird in diesem Stadium geöffnet, und es läßt
das expandierte Arbeitsgas in den Kanal 40 eintreten.
Hiernach bewegen sich die Kolben 22 und 32 wieder, wie in Figur a gezeigt. Bei diesem Motor wird ein Bruchteil
der Leistung, die vom Expander 30 erzeugt wird, verwendet, um den Kolben 22 des Kompressors 20 zu betreiben.
Das Diagramm in Figur 4 zeigt das Verhältnis zwischen Volumen und Druck des Arbeitsgases während des oben
beschriebenen Betriebszyklus. Die Drücke P- und P~ an der Ordinate stellen den Druck des Arb;eitsgases im Erhitzer
70 bzw · im Kühler 50 dar, unterstellt, daß sowohl P1 als
auch P_ konstant sind.
Bei diesem Diagramm zeigt der Kurvenzug AB die Kompression des Arbeitsgases im Kompressor 20 an. Das Abgabeventil 62
für den Kompressor 20 öffnet am Punkt B (Figur 3b), und der Kurvenzug BC stellt die Abgabe des Arbeitsgases vom
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_ Λ C _
Kompressor 20 an den Erhitzer 70 dar. Der Druckunterschied zwischen C und D kann dem Widerstand zugeschrieben werden,
der dem Arbeitsgas vom Erhitzer 70 entgegengebracht wird. Der Kurvenzug DE zeigt die Überführung des Arbeitsgases
vom Erhitzer 70 zum Expander 30 an. Das Einlaßventil 64 für den Expander 30 wird im Punkt E geschlossen ( Figur 3e),
und die darauf folgende Expansion des Arbeitsgases im Ex-
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pander/wird vom Kurvenzug EF dargestellt. Am Punkt F erreicht der Expansionskolben 32 seinen äußeren Totpunkt, und das Abgabeventil_44 für den Expander wird geöffnet (Figur 3f). Die Verbindung des Expansionsraums 34 mit dem Kanal 40 führt zu einer Druckabnahme vom Punkt F zum Punkt G. Der Kurvenzug GH stellt die nach innen gerichtete Bewegung des Expansionskolbens 32 zum Abgeben des Arbeitsgases vom Expander 30 zum Kühler 50 dar (Figur 3a). Der Druckabfall vom Punkt H zum Punkt J entspricht dem Widerstand, der dem Arbeitsgas vom Kühler 50 entgegengebracht wird. Der Kurvenzug JA stellt die überführung des Arbeitsgases vom Kühler zum Kompressor 2 0 dar (Figur 3 d,e), und der Kompressionskolben 22 erreicht seinen äußeren Totpunkt am Punkt A (Figur 3f).
pander/wird vom Kurvenzug EF dargestellt. Am Punkt F erreicht der Expansionskolben 32 seinen äußeren Totpunkt, und das Abgabeventil_44 für den Expander wird geöffnet (Figur 3f). Die Verbindung des Expansionsraums 34 mit dem Kanal 40 führt zu einer Druckabnahme vom Punkt F zum Punkt G. Der Kurvenzug GH stellt die nach innen gerichtete Bewegung des Expansionskolbens 32 zum Abgeben des Arbeitsgases vom Expander 30 zum Kühler 50 dar (Figur 3a). Der Druckabfall vom Punkt H zum Punkt J entspricht dem Widerstand, der dem Arbeitsgas vom Kühler 50 entgegengebracht wird. Der Kurvenzug JA stellt die überführung des Arbeitsgases vom Kühler zum Kompressor 2 0 dar (Figur 3 d,e), und der Kompressionskolben 22 erreicht seinen äußeren Totpunkt am Punkt A (Figur 3f).
Eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine kann die Form eines
Motors mit mehreren Zylimdern annehmen. Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Kompressoren 20-1,
20-2 und zwei Expander 30-1, 30-2 ähnlich den Zylindern eines Vierzylinder- Beihenmotors parallel zueinander angeordnet.
Zwei Sätze der Wirkverbindung von Kompressor 20 und Expander
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wie in Figur 2 dargestellt, bilden im Wesentlichen den Motor gemäß Figur 5. Der Kompressor 20-1 steht allein mit
dem Expander 30-1 in Wirkverbindung, während der andere
Kompressor 20-2 lediglich mit dem Expander 30-2 zusammenwirkt. Es ist zulässig, aber nicht erforderlich, zwei
Erhitzer und zwei Kühler bei diesem Motor vorzusehen. Es ist bequemer, die Strömungskanäle 40 und 60 so anzuordnen,
wie dargestellt, sodaß sowohl die Verbindung von Kompressor 20~1 und Expander 30~1 als auch die Verbindung von Kompressor
20-2 und Expander 30.-2 denselben Erhitzer 70 und Kühler 50 verwenden können.
Figur 6 zeigt eine unterschiedliche Abwandlung des in Figur 2 dargestellten Motors. Dieser Motor weist einen
doppelt wirkenden Zylinder 25 auf, der gleichzeitig als Kompressor und als Expander wirkt. Ein doppeltwirkender
Kolben 23, der vom Zylinder 25 aufgenommen wird, begrenzt den Kompressionsraum 24 auf seiner einen Seite und
den Expansionsraum 34 auf der anderen Seite. Ein Kreuzkopf 28 und ein Pleuel 27 verbinden den Kolben 23 mit einer
Kurbelwelle (nicht dargestellt).
Der Kompressor und der Expander in einer erfindungsgemäßen
Wärmekraftmaschine können entweder der Art nach hin- und hergehend oder rotierend sein, so lang sie der Art nach
tatsächlich verdrängend wirken. In Figur 7 ist ein mit Gleit-
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leisten ausgestatteter Rotationskompressor 120 mit einem
Rotationsexpander 130 derselben art verbunden. Wie bekannt,
weist der mit Gleitleisten ausgestattete Rotationskompressor 120 ein im allgemeinen zylindrisches Gehäuse 121, einen auf
einer Welle 180 exzentrisch im Gehäuse 121 starr angebrachten Läufer 122 und Leisten 123 auf, die von radialen Schlitzen
im Läufer 122 aufgenommen werden. Rund um den Hauptabschnitt des Läufers 122 ist im Gehäuse ein im Querschnitt halbmondförmiger
Raum festgelegt. Im Betrieb veranlaßt die Fliehkraft ,die von der Drehung des Läufers 122 erzeugt wird, daß
die Leisten 123 teilweise aus den Schlitzen hervortreten und mit der Innenwandfläche des Gehäuses 121 in Berührung
treten. Es wird dementsprechend der halbmondförmige Raum in eine Vielzahl von Abschnitten 124 unterteilt, die jeweils
zwischen den nebeneinanderliegenden beiden Leisten festgelegt werden. Diese Abschnitte 124 dienen als Kompressionsraum
(24) in dem in Figur 7 dargestellten Motor. Das Volumen eines jeden dieser Abschnitte 124 verändert
sich in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Läufer 122 und der Innenwandfläche des Gehäuses 121. Eine Einlaßöffnung
125 dieses Kompressors 120 ist derart angeordnet, daß jeder dieser Räume 124 mit der Einlaßöffnung 125 in Verbindung
tritt, während das Volumen eines jeden Raums 124 damit fortfährt, bis zu seinem Maximum zuzunehmen. Eine Abgabeöffnung
127 wird an einer Stelle ausgebildet, wo jeder Raum 124
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sein kleinstes Volumen aufweist.
Der Rotationsexpander 130 ist beinahe identisch zum Rotationskompressor mit Gleitleisten 120 aufgebaut: er
weist ein im Allgemeinen zylindrisches Gehäuse 131, einen Läufer 132, der ebenso wie der gemeinsam mit dem Läufer
122 des Kompressors 120 auf der Welle 180 starr angebracht ist, und Gleitleisten 133 auf, um einen in Querschnitt halbmondförmigen
Raum in mehrere Abschnitte 134 zu unterteilen (die als Expansionsraum dieses Motors dienen). Eine Einlaßöffnung
137 für den Expander 130 ist an einer Stelle ausgebildet, wo jeder Abschnitt 134 das kleinste Volumen
aufweist, und eine Abgabeöffnung 135 ist so ausgebildet, daß jeder Abschnitt 134 mit der Abgabeöffnung 135 in dem
Stadium in Verbindung steht r in dem er sein maximales Volumen
aufweist.
Der Strömumgskanal 40 verbindet die Abgabeöffnung 135 des
Expanders 130 mit der Einlaßöffnung 125 des Kompressors 120 über den Kühler 50. Der Kanal 70 verbindet die Abgabeöffnung
127 des Kompressors 120 mit der Einlaßöffnung 137 des Expanders 130 über den Erhitzer 70.
Das Arbeitsgas ist in jedem der Räume 134 des Expanders 130
eingeschlossen, wenn es vom Erhitzer 70 in erhitztem und unter Druck befindlichem Zustand überführt wird. Das einge-
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schlossene Gas wird in jedem Raum 134 einer Expansion unterzogen
und treibt den Läufer 132. Nach der Expansion wird das Arbeitsgas vom Kühler 50 gekühlt und in den Kompressor
eingeleitet. Der Läufer 122 des Kompressors 120 wird von einem Bruchteil der Leistung angetrieben, die von der Expansion
des Arbeitsgases in Expander 30 erzeugt wird, sodaß das gekühlte Arbeitsgas in jedem der Abschnitte 124
komprimiert wird. Dann wird das komprimierte Gas über die öffnung 127 zum Erhitzer 70 abgegeben. Die abnehmbare
Wellenleistung des Motors wird festgelegt dur.ch die Differenz zwischen der Ausgangsleistung des Expanders 130 und der
aufgenommenen Leistung des Kompressors 120. Die verfügbare Leistung dieses Motors wird über die rotierende Welle 180
abgegeben.
Es wird darauf hingewiesen, daß Kompressor und Expander einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine auch einer noch weiteren,
unterschiedlichen Art sein können wie Rotations- oder Kolbenprinzip. Im Übrigen sind Kompressor und Expander, die in
Wirkverbindung verwendet werden, nicht notwendigerweise derselben Art, sondern können unterschiedlicher Art sein.
Bei einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine kann Leistung
und Drehzahl des Motors durch Regulieren der von der externen Wärmequelle zum Heizer 70 zugeführten Wärmemenge und/oder
der Menge des im Motor eingeschlossenen Arbeitsgases gesteuert werden.
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In Figur 8 ist die in Figur 2 dargestellte Wärmekraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Leistungssteuerung oder
zur Druckregulierung ausgestattet. Die Steuervorrichtung weist einen Gasvorratsbehälter 90, eine Gaszufuhrleitung
9Ί, die den Gasvorratsbehälter 90 mit dem Kanal 40 an einer Stelle zwischen Kühler 50 und Kompressor 20 verbindet, und eine
JGasentnahmeleitung 93 auf, die den Vorratsbehälter 90 mit dem Kanal 60 an einem Abschnitt zwischen Erhitzer 70 und
Kompressor 20 verbindet. Ein Ventil 92 ist zum wahlweisen Vorsehen und Unterbrechen der Strömungsverbindung durch
die Speiseleitung 91 angeordnet, und ein anderes Ventil 94 steuert die Strömungsverbindung über die Entnahmeleitung
Der Vorratsbehälter 90 weist in seinem Inneren das Arbeitsgas unter einem Druck zwischen dem maximalen und minimalen
Gasdruck des Motors auf.
Die vom Motor erzeugte Leistung kann durch öffnen des Einspeiseventils
92 gesteigert werden: da sich das Arbeitsgas im Kanal 40 in einem Zustand tiefer Temperatur und tiefen Drucks
an einem Abschnitt zwischen Kühler 50 und Kompressor 20 befindet, wird Arbeitsgas vom Vorratsbehälter 90 zum Motor
abgegeben, während das Einspeiseventil 92 offen ist. Im Gegensatz hierzu kann die Leistung verringert werden, indem
das Entnahmeventil 94 geöffnet wird, sodaß ein Teil des komprimierten Arbeitsgases aus dem Kanal 60 an den
Vorratsbehälter 90 abgegeben werden kann. Das Temperatur-
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profil des Arbeitsgases im Motor verändert sich, wenn entweder das Einspeiseventil 92 oder das Entnahmeventil 94
geöffnet wird. Es ist daher vorteilhaft, gleichzeitig die Wärmemenge zu regulieren, die von außen her dem Erhitzer
zugeführt wird. Wenn der Motor mit äußerer Verbrennung betrieben wird, dann kann beispielsweise die äußere Wärmemenge
durch Einstellen des Einspeisedurchsatzes von Brennstoff zu einem Brenner reguliert werden.
Figur 9 zeigt eine Abänderung der in Figur 8 dargestellten Steuervorrichtung zu dem Zweck, die Steuerung der Motorleistung
in einer kürzeren Zeitspanne fertigzustellen. In diesem Fall weist die Steuereinrichtung zwei Gasvorratsbehälter
auf, einen Hochdrucksvorratbehälter 9OA und einen Niederdruckvorratbehälter 9OB. Die Speiseleitung 91 verbindet
den Hochdruckvorratsbehälter 9OA sowohl mit dem Kanal 40 als auch dem Kanal 60 an Abschnitten zwischen dem Kühler
und dem Kompressor 20, und die Entnahmeleitung 93 verbindet den Niederdruckvorratsbehä. 9OB mit dem Kanal 60 an einer
Stelle zwischen Erhitzer 70 und Kompressor 20. Das Einspeiseventil 92 und das Entnahmeventil 94 sind in der selben
Weise wie in dem in Figur 8 dargestellten Fall angeordnet. Die Steuervorrichtung weist einen gewöhnlichen Kompressor
auf, der dazu angeordnet ist, den Gasdruck im Hochdruckvorratsbehälter 90A auf einem hinlänglich hohen Pegel zu halten,
sogar v/enn das Speiseventil 92 geöffnet ist. Der Kompressor
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kann ein bestimmtes Volumen des Ärbeitsgases vom Niederdruckvorratsbehälter
9OB entnehmen, und das entzogene Gas in unter Druck gesetztem Zustand dem Hochdruckvorratsbehälter 9OA
zuleiten.
Die Motorleistung kann dadurch gesteuert werden, daß entweder das Speiseventil 92 oder das Entnahmeventil 94
geöffnet wird, wie im Zusammenhang mit Figur 8 beschrieben. Ist das Arbeitsgas Luft, dann kann die Abgabeöffnung 93
so ausgebildet werden, daß sie mit der Umgebungsluft in
Verbindung bringbar ist, wobei der Niederdruckvorratsbehälter 9OB weggelassen wird.
Das Druck-Volumen oder Kenndiagramm (p-v-Diagramm) in Figur 10 ist zur Erläuterung eines Wechsels in der Motorleistung
mittels der in Figur 8 oder Figur 9 dargestellten Steuervorrichtung dargestellt. Das Diagramm ABCEFAJA zeigt
einen Betriebszyklus des Motors mit einer bestimmten Arbeit an, und ist dadurch idealisiert, daß die Druckabfälle CD
und HJ in Figur 4 weggelassen wurden. Die vom Motor geleistete Arbeit wird durch die Fläche ABEF angezeigt. Wenn
die Arbeitsgasmenge im Motor erhöht wird, indem das Speiseventil 92 geöffnet wird, um den Gasdruck P1 im
Erhitzer 70 und den Gasdruck P2 im Kühler 50 auf P1' bzw.
P2' zu erhöhen, während gleichzeitig kein Wechsel im
Temperaturprofil des Arbeitsgases im Motor vorgenommen
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wird, dann wird derselbe Betriebszykluä vom Diagramm A1B1C"
E'F'A'J'A1 angezeigt. Als Ergebnis hiervon ist die Fläche
ABEF bis zur Fläche A1B''E1F1' vergrößert- Das Flächenverhältnis
(A'B1E1-F1)/(ABEF) ist gleich dem Druckverhältnis
P1'/P1 oder P2'/ P2. Dieses Druckverhältnis ist gleich
dem Verhältnis der Masse des Arbeitsgases im Motor nach der Einspeisung aus der Steuervorrichtung zur Masse vor
der Einspeisung.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine weist die folgenden Vorteile auf:
a) da der Motor mit äußerer Wärme betrieben wird, kann nahezu jeder Brennstoff verwendet werden, wenn der Motor die
Form eines Verbrennungsmotors erhält. Im übrigen kann Wärme in vielfältig verschiedenen Formen ebenfalls verwendet
werden, wie sie beispielsweise durch abfallende Wärme aus einem Ofen und durch Wärme, die in einem Regenerator
zurückbehalten wird, dargestellt werden kann ;
b) - im Fall eines Verbrennungsmotors, mit äußerer Verbrennung
kann der Brenner einen einfachen Aufbau aufweisen, da die Verbrennung kontinuierlich unter niedrigem Druck nahe
dem Atmosphärendruck durchgeführt werden kann. Nebenbei kann die Zufuhr von Luft und Brennstoff zum Brenner und
das Luft/Brennstoffverhältnis ganz leicht gesteuert werden ;
c) im F^Il eines Verbrennungsmotors ist es sehr einfach, zu
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verhindern, daß das Abgas zur Luftverschmutung beiträgt
d) der Motor läuft selbst im Fall eines Verbrennungsmotors sehr leise, da die Verbrennung kontinuierlich
verläuft und keine laute Explosion hervorruft.
Diese Vorzüge sind nicht charakteristisch für eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine, sondern sind Wärmekraftmaschinen
mit außenliegender Wärmequelle gemeinsam. Allerdings führt das wesenliche Merkmal der Erfindung,
d.h. das Vorsehen zweier unabhängiger Kanäle 40 und jeweils zum Kühlen des expandierten Arbeitsgases und Erhitzen
des komprimierten Arbeitsgases, zusätzlich zu den folgenden großen Vorzügen:
e) ein Teil für hohe Temperatur und ein Teil für niedere Temperatur des Motors können getrennt voneinander
gebaut und gegeneinander isoliert werden, sodaß der Motor kaum unter Wärmeverlust aufgrund der Wärmeleitung
zwischen den beiden Teilen leidet ;
f) da das Arbeitsgas eine Bewegung im Motor nur in einer
Richtung durchführt, hat das Arbeitsgas keine Gelegenheit, auf eine Gegenströmung oder einen Stau aufzutreffen. Dementsprechend
läuft der Betriebszyklus unter einem verbesserten Wärmewirkungsgrad ab.
g) es ist möglich, Einlaß- und Abgabeventile am Kanal vorzusehen, der den Kompressor mit dem Erhitzer verbindet,
und hierbei sicherzustellen, daß der beabsichtigte Betriebszyklus durchgeführt wird.
h) die Motorleistung kann gesteuert werden, indem
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die Masse des im Motor eingeschlossenen Arbeitsgases gesteuert wird, das heißt ein mittlerer Gasdruck im Motor,
während die Temperatur an den verschiedenen Teilen des Motors, insbesondere die Maximal- und Minimaltemperaturen
im Betriebszyklus, nahezu konstant gehalten werden.
Dementsprechend kann der Wärmewirkungsgrad des Motors mit nur einer geringen Verschiebung bei einem höheren
Niveau selbst dann gehalten werden, wenn der Motor unter unterschiedlicher Last betrieben wird,
e) aufgrund der Möglichkeit, die Motorleistung in derartiger Weise zu steuern, kann der Motor verhältnismäßig
klein gebaut werden, was Abmessung und Gewicht anbelangt, um eine vorgegebene Leistung zu erzielen.
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Claims (13)
1.) Wärmekraftmaschine mit äußerer Wärmequelle, gekennzeichnet durch
folgende Merkmale:
a) eine Gaskompressionsvorrichtung (20;120) mit einem
beweglichen Bestandteil (22;23;123), eingerichtet zum Festlegen
eines Kompressionsraums (24;124) mit veränderlichem Volumen,
b) eine Gasexpansionsvorrichtung (30;130) mit einem beweglichen Bestandteil (32;23;133), eingerichtet zum
Festlegen eines Expansionsraums (34;134) mit veränderlichem Volumen,
c) ein Triebmechanismus (26,36,80;27,28;180) , der
dazu eingerichtet ist, von der Bewegung des beweglichen Bestandteils der Expansionsvorrichtung getrieben zu werden
und das bewegliche Bestandteil der Kompressionsvorrichtung
anzutreiben,
d) ein erster Strömumgskanal (60), der den Kompressionsraum mit dem Expansionsraum verbindet;
e) ein erster Wärmetauscher (70), der zum übertragen
von Wärme von einer äußeren Wärmequelle auf ein Arbeitsgas eingerichtet ist, das in der Maschine an einem Abschnitt
des ersten Kanals eingeschlossen ist,
f) ein zweiter Strömumgskanal (40), der den Expansionsraum
mit dem Kompressionsraum unabhängig vom ersten Kanal verbindet, und
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609885/0388
g) ein zweiter Wärmetauscher (50), der zum Abziehen von Wärme vom Arbeitsgas an einem Abschnitt des zweiten
Kanals angeordnet ist,
wobei der erste und der zweite Kanal derart angeordnet sind, daß das Arbeitsgas vom Kompressionsraum zum Expansionsraum
nur durch den ersten Kanal geleitet wird, und vom Expansionsraum
zum Kompressionsraum nur durch den zweiten Kanal rückgeführt wird.
2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
-ein erstes Einlaßventil (42), das die Verbindung des Kompressionsraums (24) mit dem zweiten Kanal (40) steuert,
- ein erstes Abgabeventil (42), das die Verbindung des Kompressionsraums mit dem ersten Kanal (60) steuert,
- ein zweites Einlaßventil (64) , das die Verbindung des Expansionsraums (34) mit dem ersten Kanal steuert, und
- ein zweites Abgabeventil (44), das die Verbindung des Expansionsraums mit dem zweiten Kanal steuert.
3. Wärmekraftmaschine, nach Anspruch 2 dadurch
gekennzeichnet daß die Kompressionsvorrichtung (20) und die Expansionsvorrichtung (30) derart angeordnet sind,
daß das Volumen des Kompressionsraums und das Volumen des Expansionsraums gleichzeitig erhöht und gleichzeitig
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verringert werden, wobei das erste (42) und das zweite (64) Einlaßventil und das erste (62) und das zweite (44) Abgabeventil
derart eingerichtet sind, daß sie einzeln nur unter einer festgelegten Bedingung öffnen, sodaß Kompression und
Expansion des Arbeitsgases unter den folgenden Bedingungen durchgeführt werden:
a) während das Volumen des Kompressionsraums (24) fortfährt, abzunehmen, steht der erste Kanal (60) mit dem
Kompressionsraum nur in einer letzten Phase in Verbindung, ohne mit dem Expansionsraum (34) in Verbindung zu stehen,
während der zweite Kanal (40) kontinuierlich nur mit dem Expansionsraum in Verbindung steht,
b) während das Volumen des Expansionsraums fortfährt, zuzunehmen, steht der erste Kanal mit dem Expansionsraum
lediglich in einer Anfangsphase in Verbindung, ohne mit dem Kompressionsraum in Verbindung zu stehen, während der
zweite Kanal kontinuierlich nur mit dem Kompressionsraum in Verbindung steht.
4. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet daß das bewegliche Teil der Kompressionsvorrichtung
ein hin- und hergehender Kolben (22) ist, der in einem Zylinder (20) aufgenommen ist,
daß das bewegliche Teil der Expansionsvorrichtung ein hin- und hergehender Kolben (32) ist, der in einem Zylinder
(30) aufgenommen ist, und
daß der Triebmechanismus eine Kurbelwelle (80) und Pleuel-
daß der Triebmechanismus eine Kurbelwelle (80) und Pleuel-
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609885/0388
stangen (26,36;27) aufweist, die entsprechend den Kolben
der Kompressionsvorrichtung und den Kolben der Expansionsvorrichtung mit der Kurbelwelle verbinden.
5. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis
dadurch gekennzeichnet daß sie zumindest zwei in Wirkverbindung stehende Sätze aus Kompressionsvorrichtung (20) und
Expansionsvorrichtung (30) aufweist, wobei der erste Kanal
(60) dazu eingerichtet ist, den Kompressionsraum (24) einer jeden Kompressionsvorrichtung nur mit dem Expansionsraum (34)
einer festgelegten Expansionsvorrichtung zu verbinden, die mit der Kompressionsvorrichtung über den ersten Wärmetauscher
(70) in Wirkverbindung steht, und wobei der zweite Kanal (40) dazu eingerichtet ist, den Expansionsraum einer jeden
Expansionsvorrichtung nur mit dem Kompressionsraum einer festgelegten Kompressionsvorrichtung zu verbinden, die mit
der Expansionsvorrichtung über den zweiten Wärmetauscher
(50) in Wirkverbindung steht.
6. Wärmekraftmaschnine nach einem der Ansprüche
1 bis 5 ferner gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Leistungssteuerung der Maschine,
mit einem Gasvorratsbehälter (90), der in seinem Inneren das Arbeitsgas unter einem Druck enthält, der höher ist
als der Druck des Arbeitsgases im zweiten Kanal (40), aber
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niedriger als der Maximaldruck des Arbeitsgases im ersten Kanal (60),
mit einer Gaseingabeleitung (91), die den Gasvorratsbehälter mit dem zweiten Kanal an einem Abschnitt zwischen dem
Kompressionsraum (24) und dem zweiten Wärmetauscher (50) verbindet,
mit einer Gasentnahmeleitung, die den Vorratsbehälter mit dem ersten Kanal an einem Abschnitt zwischen.dem Kompressionsraum
und dem ersten Wärmetauscher (70) verbindet, mit einem Einlaßventil (92) , das dazu eingerichtet ist,
wahlweise eine Strömungsverbindung durch die Gaseingabeleitung herzustellen und zu unterbrechen, und
mit einem Entnahmeventil (94) , das dazu eingerichtet ist,
wahlweise eine Strömungsverbindung durch die Gasentnahmeleitung herzustellen und zu unterbrechen.
7. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Leitungssteuerung der Maschine,
mit einem Hochdruck- Gasvorratsbehälter (90A), der in seinem
Inneren Arbeitsgas unter einem Druck enthält, der höher ist als der Maximaldruck des Arbeitsgases im ersten Kanal (60) ,
mit einer Gaseingabeleitung (91), die den Hochdruck- Gasvorratsbehälter sowohl mit dem ersten Kanal an einem Abschnitt
zwischen dem Kompressionsraum (24) und dem ersten Wärmetauscher (70) und mit dem zweiten Kanal (40) an einem
Abschnitt zwischen dem Kompressionsraum und dem zweiten
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609885/0388
Wärmetauscher (50) verbindet,
mit einem Eingabeventil (92), das dazu eingerichtet ist, wahlweise eine Strömungsverbindung durch die Eingabeleitung
herzustellen und zu unterbrechen, mit einem Niederdruck-Gasvorratsbehälter: (90B) , der
in seinem Inneren das Arbeitsgas unter einem Druck enthält, der niedriger ist als der des Minimaldrucks des
Arbeitsgases im ersten Kanal,
mit einer Gasentnahmeleitung (93), die den Niederdruck-Gasvorratsbehälter
mit dem ersten Kanal an einem Abschnitt zwischen dem Kompressionsraum und dem ersten Wärmetauscher
verbindet, und mit einem Entnahmeventil (94), das dazu eingerichtet ist, wahlweise eine Strömungsverbindung durdh
die Entnahmeleitung herzustellen und zu unterbrechen.
8 . Wärmekraftmaschine nach Anspruch 7 dadurch
gekennzeichnet daß der Niederdruck-Gasvorratsbehälter (90B) die Umgebungsluft ist.
9. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 7 odör 8, dadurch gekannzeichnet daß die Vorrichtung zur Leistungssteuerung
der Maschine ferner einen Kompressor (95) aufweist, der dazu eingerichtet ist, einen Teil des Arbeitsgases
aus dem Niederdruck-Gasvorratsbehälter (90B) abzuziehen und das abgezogene Arbeitsgas in komprimierte^
Zustand zum Hochdruck-Gasvorratsbehälter (90A) hinzu-
- 32 -
&09885/038Ö
leiten.
1O. Wärmekraftmaschine insbesondere nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- ein doppelt wirkender Zylinder (25) , der in seinem Inneren einen doppelt wirkenden Kolben (23) aufnimmt, um einen
ersten Raum (24) mit veränderlichem Volumen auf der einen Seite des Kolbens und einen zweiten Raum (34) mit veränderlichem
Volumen auf der anderen Seite des Kolbens zu begrenzen,
- ein erster Kanal (60), der außerhalb des Zylinders zum Verbinden
des ersten Raums mit dem zweiten Raum eingerichtet ist,
- ein erster Wärmetauscher, der zum Übertragen von Wärme von
einer außenliegenden Wärmequelle auf ein Arbeitsgas eingerichtet ist, das im Motor an einem Abschnitt des ersten
Kanals eingeschlossen ist,
- ein zweiter Kanal, der außerhalb des Zylinders zum Verbinden des zweiten Raumes mit dem ersten Räum unabhängig vom ersten
Kanal eingerichtet ist,
- ein zweiter Wärmetauscher (50), derfzum Entnehmen von Wärme
vom Arbeitsgas an einem Abschnitt des zweiten Kanales eingerichtet ist,
- ein erstes Einlaßventil (42) und ein erstes Abgabeventil (62), die die Verbindung des ersten Raums mit dem zweiten Kanal bzw.
dem ersten Kanal steuern,
- ein zweites Einlaßventil (64) und ein zweites Abgabeventil (44),
die die Verbindung des zweiten Raumes mit dem ersten Kanal bzw. dem zweiten Kanal steuern,
eine Kurbelwelle, und
eine Kurbelwelle, und
609885/0388 " 33 "
eine Pleuelstange (27), die den Kolben mit der Kurbelwelle über einen Kreuzkopf (28) derart verbindet, daß die
Kurbelwelle angetrieben wird, wenn das Volumen des zweiten Raumes aufgrund der Expansion des Arbeitsgases zunimmt,
wobei das erste und das zweite Einlaßventil und das erste und das zweite Abgabeventil dazu eingerichtet sind,
einzeln nur unter einer bestimmten Bedingung zu öffnen, sodaß das Arbeitsgas im erstemRaum komprimiert wird und
dann vom ersten Raum zum zweiten Räum nur über den ecsten
Kanal hinübergeleitet wird, dann im zweiten Raum expandiert und anschließend zum ersten Raum nur über den zweiten Kanal ·
zurückgeführt wird.
11. Wärmekraftmaschine insbesondere nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- eine Gleitleisten-Rotationsgaskompressionsvorrichtung
(120),
- eine Gleitleisten-Rotationsgasexpansionsvorrichtung (130),
wobei der Läufer (123) der■Kompressionsvorrichtung und
der Läufer (133) der Expansionsvorrichtung fest auf der selben drehbaren Welle (80) angebracht sind,
- ein erster Kanal (60), der die Abgabeöffnung (127) der
Kompressionsvorrichtung mit der Einlaßöffnung (137) der Expansionsvorrichtung verbindet,
- ein erster Wärmetauscher (70), der dazu eingerichtet ist,
- 34 -
B09885/0388
Wärme von einer außenliegenden Wärmequelle auf ein Arbeitsgas zu übertragen, das an einem Abschnitt des: ersten
Kanals in der Maschine eingeschlossen ist,
- ein zweiter Kanal, der die Abgabeöffnung (135) der Ex-.
pansxonsvorrichtung mit der Einlaßöffnung (125) der Kompressionsvorrichtung verbindet, und
- ein zweiter Wärmetauscher (50) der dazu eingerichtet ist,
an
dem Arbeitsgas/einem Abschnitt des zweiten Kanales Wärme
dem Arbeitsgas/einem Abschnitt des zweiten Kanales Wärme
zu entziehen.
12. Verfahren zum Steuern der Abgabeleistung einer Wärmekraftmaschine mit außenliegender Wärmequelle gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch
folgende Verfahrensschritte:
- Zuführen des Arbeitsgases von einer außenliegenden Quelle (90;90A) für Arbeitsgas zur Maschine über mindestens den
zweiten Kanal (40) an einem Abschnitt dieses Kanals, wo das Arbeitsgas unter einer verhältnismäßig niedrigen
Temperatur vorliegt, wenn eine Steigerung der Maschinenleistung beabsichtigt ist, um hierbei die Masse des in
der Maschine eingeschlossenen Arbeitsgases zu erhöhen, und
- entziehen eines Teils des in der Maschine eingeschlossenen Arbeitsgases durch den ersten Kanal (60) an einem Abschnitt
dieses Kanals, wo das Arbeitsgas unter verhälnismäßig hoher
Temperatur vorliegt, wenn eine Verringerung der Maschinenleistung beabsichtigt ist.
— 3 5 —
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13. Verfahren nach Anspruch 12 ferner gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt:
- Steigern der Wärmemenge, die von der außenliegenden Wärmequelle dem in der Maschine eingeschlossenen Arbeitsgas
zugeführt wird, wenn Arbeitsgas von außen her der Maschine zugeführt wird, und Verringern der Wärmemenge, wenn ein Teil
des Arbeitsgases der Maschine entzogen wird, um hierbei Wechsel in den Maschinentemperaturen aufgrund einer Veränderung
der Masse des in der Maschine eingeschlossenen Arbeitsgases zu verhindern.
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