EP0817907A1 - Nach dem stirling-prinzip arbeitende wärmekraftmaschine - Google Patents

Nach dem stirling-prinzip arbeitende wärmekraftmaschine

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EP0817907A1
EP0817907A1 EP96909137A EP96909137A EP0817907A1 EP 0817907 A1 EP0817907 A1 EP 0817907A1 EP 96909137 A EP96909137 A EP 96909137A EP 96909137 A EP96909137 A EP 96909137A EP 0817907 A1 EP0817907 A1 EP 0817907A1
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EP
European Patent Office
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heat
working gas
zeolite
engine
accumulator
Prior art date
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EP96909137A
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English (en)
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EP0817907B1 (de
Inventor
Günter Pöschl
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PPV Verwaltungs AG
Original Assignee
PPV Verwaltungs AG
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Publication date
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Publication of EP0817907B1 publication Critical patent/EP0817907B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/055—Heaters or coolers

Definitions

  • the invention relates to a heat engine of the type specified in the preamble of claim 1.
  • Stirlihg engines are e.g. known from Meyers Lexicon of technology and the exact natural sciences, bibliographisches Institut Mannheim / Vienna / Zurich, 1970, page 589, as well as from a company prospectus with the title "Development work on the Stirling engine” from the company SOLO Kleinmotoren GmbH, Sindelfingen. The latter was distributed at the innovation fair from March 9-11, 1995 in Fellbach in the Schwabenlandhalle.
  • the object of the invention is to design a heat engine of the type specified in the preamble of claim 1 in such a way that it has a substantially improved heat balance and moreover manages with substantially lower temperatures and pressures of the working gas.
  • both the high-temperature heater and the only heat dissipating cooler have each been replaced by a zeolite heat accumulator.
  • Zeolite offers the advantage that it absorbs the working gas supplied to it, which is released as heated exhaust gas in the heat engine according to the invention by the working gas expansion machine.
  • the zeolite incorporates the working gas into its molecular lattice, triggering a strongly exothermic reaction of the zeolite, in which the working gas supplied to it is heated. In other words, the working gas comes to a state of being supercooled even though it is heated. For this reason, the pressure in the zeolite heat store also drops very sharply.
  • This storage process is carried out alternately between the two zeolite heat stores.
  • the second zeolite heat accumulator has also been filled with working gas by adsorption in the zeolite
  • the other zeolite heat accumulator which has been filled beforehand, is removed in a heated state by desorption of the zeolite, in order to drive the heat engine as drive tel to be fed. The supply of heat is necessary for this.
  • the waste heat from the working gas expansion machine is fully utilized again in order to release stored working gas.
  • the heat engine according to the invention therefore works with a much better thermal energy balance than the known Stirling engines, in which heat is dissipated via the cooler.
  • the two zeolite heat stores work alternately, during which one delivers heated working gas as a driving means for the working gas expansion machine, the other stores working gas, cooling it down, and vice versa.
  • the waste heat from the working gas expansion machine is used via the heat transfer medium to expel the working gas from the heat accumulator, which had previously received heat when it was stored in the heat accumulator.
  • a perfect cycle is achieved in terms of thermal balance, which no prior art thermal engine operates according to the Stirling principle.
  • a low-boiling gas is preferably used as the working gas. This has the advantage that the drive means is low in the state in which it is supposed to do work
  • the zeolite By integrating the working gas into its molecular lattice, the zeolite reduces the Braun's molecular movement of the working gas (as in a compression or supercooling process), which enables the heat accumulator to absorb a much larger amount of working gas than it does with normal gas Pressure and temperature conditions could otherwise take up without zeolite.
  • the heat engine is additionally supplied with heat by means of a burner, for example a heating burner, and / or a solar system, it can advantageously be used for cogeneration in a combined heat and power plant.
  • a burner for example a heating burner, and / or a solar system
  • the additional heat will be supplied to the heat transfer medium in the heat transfer circuit. This will then not only work with the waste heat from the heat engine, but also with the waste heat from a burner or the heat generated by a solar system.
  • FIG. 1 is a diagram of a heat engine according to the invention.
  • Fig. 2 is a diagram of a combined heat and power plant, which is equipped with a heat engine according to the invention.
  • a thermal engine 10 operating according to the Stirling principle has a working gas circuit 12 and a heat transfer circuit 14, both of which are connected to a working gas expansion machine 11.
  • the working gas circuit 12 contains two heat exchangers, each consisting of a zeolite heat accumulator 16 or 18.
  • the heat transfer circuit 14 has two parallel line branches 20, 22 which lead through the heat accumulators 16 and 18 and are connected before and after to a common line 24 and 26, respectively.
  • the common line 24 leads from a heat carrier outlet 28 of the working gas expansion machine 11 to the heat accumulators 16, 18, and the common line 26 leads to a heat carrier inlet 30 of the working gas expansion machine 11.
  • a line 26 in the common line third heat exchanger 32 is arranged, together with a pump 34 for circulating the heat carrier in the heat carrier circuit 14.
  • the heat carrier in the exemplary embodiment described here is water.
  • a magnetic valve 36 and 38 is arranged in front of the respective heat accumulator, with which the flow of the heat transfer medium in the relevant line can be shut off .
  • the part 20a of the line 20 which enters the heat accumulator 16 at the bottom in FIG. 1 leads into a tube heat exchanger arranged in the heat accumulator 16, the outlet of which, as shown, is in turn connected to the further part 20b of the line 20.
  • the working gas circuit 12 leads from an output 42 of the working gas expansion machine 11 to two input lines 44 and 46 of the heat accumulators 16 and 18 and, as shown, from these input lines 44, 46 to a common output line 48, which via a buffer space 50 and a further line 52 leads to an input 54 of the working gas expansion machine 11.
  • a pump 56 is additionally arranged in line 48.
  • line 12 which leads to lines 44, 46, a solenoid valve 58 and 60 is arranged in each case.
  • a magnetic valve 62 or 64 is arranged in each case.
  • a solenoid valve 66 is arranged in the line 52 leading away from the buffer space 50.
  • the latter solenoid valves 58 to 66 also serve as shut-off valves, which alternately establish or interrupt the connection of line 12 to line 44 or 46, and vice versa.
  • the outlet of the buffer space 50 can be shut off with the solenoid valve 66 until a sufficiently high pressure has been built up in the buffer space.
  • the working gas expansion machine 11 used in the heat engine 10 described above can be a conventional Stirling engine, as is known from the prior art mentioned at the outset, with the difference essential to the invention that, in order to improve the thermal energy balance of such a Stirling engine, Motors, the two heat exchangers customary in the prior art in the form of a heater and a cooler are designed as zeolite heat accumulators 16, 18, which, in conjunction with the heat transfer circuit, minimize any heat losses and in particular do not result in any heat dissipation.
  • the heat engine 10 operates as follows:
  • the working gas expansion machine 11 is, as usual, a periodically working piston engine which, as the drive means, a working gas which is alternately strongly heated and cooled and pushed back and forth by two pistons (not shown)
  • a working gas which is alternately strongly heated and cooled and pushed back and forth by two pistons (not shown)
  • C0 2 preferably C0 2 is used and the supplied thermal energy is converted into mechanical energy in order to drive an electrical generator 68, as indicated in FIG. 1.
  • the heat required which is generated in the prior art by combustion of any fuel in a combustion chamber outside the cylinder (not shown) of the working gas expansion machine 11 and is transferred to the working gas in the cylinder by a special heater is described in the here
  • Heat engine 10 is only supplied as latent heat, which is required to start the heat engine.
  • the generator 68 is operated as a motor, which drives the working gas expansion machine 11, which now works as a heat pump, and emits CO 2 to one or the other heat accumulator 16, 18.
  • the CO 2 is stored in an exothermic reaction by adsorption in the zeolite, as described above. If both heat stores are filled, the Stirling process can start. Heat losses of the heat engine, which cannot be avoided, are compensated for by latent heat from the environment. Additional heat energy that is required, for example because energy is drawn via the generator 68, can be supplied to the heat engine via the heat exchanger 32, for example from the surrounding air, by additional solar radiation, by heating the heat exchanger 32 by means of a Brenners, etc.
  • the heat engine described here manages with a working gas temperature of approximately 60 ° C, with a delta P (pressure difference) between the input 30 of the working gas expansion machine and the inputs of the heat accumulators (lines 44 and 46), in which a pressure of 10 bar is reached in the buffer space 50. This will be explained in more detail below.
  • the solenoid valve 60 is closed and the solenoid valve 64 is opened.
  • the solenoid valve 36 is opened after a certain time in addition to the solenoid valve 38 so that the heat transfer medium, which was previously heated in the heat accumulator 16 in the adsorption phase, is now passed through the heat accumulator 18 to deliver the heat required for the desorption process.
  • the pump 56 can be switched on if necessary.
  • the working gas which is expelled from the heat accumulator 18 is heated sufficiently strongly to be able to do work as a driving means in the working gas expansion machine 11.
  • heat transfer medium flows through the heat accumulator 18, from which the working gas is to be removed by the desorption of the zeolite, after a certain period of time the other heat accumulator 16 is also at least temporarily flowed through by heat transfer medium, because in the heat accumulator 18 additional heat for the Desorption is required.
  • the desorption process takes place initially without additional heat from the heat accumulator 16 in the heat accumulator 18, because the zeolite has stored sufficient heat in the heat accumulator 18.
  • the solenoid valve 36 is opened so that now heated heat transfer medium from the heat accumulator 16 can be passed through the heat accumulator 18. If, on the other hand, the thermal energy stored in the heat stores 16 and 18 in the zeolite is sufficient to allow the desorption process to take place, there is no need to remove heat transfer media from the other heat store. In this case, the heat accumulators 16, 18 are actually brought into the heat transfer relationship with the heat transfer circuit only alternately by the switchover control.
  • the solenoid valves specified above are controlled by a changeover control 67. This could also be configured manually, i.e. to be replaced by an operator. However, the switchover control 67 is preferably a freely programmable computer control which controls the heat engine 10 via measured data. These measured data include, in particular, the various temperatures and pressures which are detected by temperature or pressure sensors, not shown. The solenoid valves are actuated by the changeover control 67 via lines shown in dashed lines.
  • the heat engine 10 is supplied with additional heat by means of a heating burner 74 operated with a fuel 73 such as oil or gas and / or a solar system 76.
  • the generator 68 can be connected to the public network N via a network coupling 70 if excess electrical energy is to be delivered to the network.
  • the heating burner 74 can be an oil or gas burner.
  • the heating burner 74 also supplies a hot water circuit 75 with heat, for example for heating the building by the block-type thermal power station. 15 with a heating circuit is designated, which receives its heat from the heat transfer circuit 14.
  • the working gas used in the working circuit 12 is C0 2 .

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Description

NACH DEM STIRLING-PRINZIP ARBEITENDE WÄRMEKRAFTMASCHINE
Beschreibung
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
STAND DER TECHNIK
Stirlihg-Motoren sind z.B. aus Meyers Lexikon der Technik und der Exakten Naturwissenschaften, Bibliographisches Institut Mannheim/Wien/Zürich, 1970, Seite 589, sowie aus einem Firmen¬ prospekt mit dem Titel "Entwicklungsarbeit am Stirlingmotor" der Firma SOLO Kleinmotoren GmbH, Sindelfingen, bekannt. Letz¬ terer ist auf der Innovationsmesse vom 9. - 11. März 1995 in Fellbach in der Schwabenlandhalle verteilt worden.
Bei solchen bekannten Stirlingmotoren muß konstruktionsbedingt mit hohen Antriebsmitteltemperaturen und -drücken gearbeitet werden, die üblicherweise bis 1000 °C bzw. bis 300 bar reichen. Außerdem wird üblicherweise als Arbeitsgas Helium eingesetzt. Die hohen Temperaturen und Drücke machen eine aufwendige, mas¬ sive Konstruktion erforderlich, die hochtemperaturfest und hochdruckfest ist . Die Verwendung von Helium bringt große Ab- dichtungsprobleme mit sich, weil die Diffusionsrate von Helium sehϊ" hoch is . Die erforderliche hohe Temperatur macht einen als Erhitzer ausgebildeten ersten Wärmetauscher erforderlich, der Abgase entsprechend hoher Temperatur liefert, mit denen das Antriebsmittel ausreichend stark erhitzt werden kann. Außerdem verlangen solche bekannten Stirlingmotoren einen als Kühler ausgebildeten zweiten Wärmetauscher, um das Antriebsmittel wie¬ der herunterkühlen zu können. Die Abwärme eines solchen Kühlers ist für den Wärmekreislauf des Stirling otors verloren. Alles das ergibt eine schlechte Wärmebilanz der bekannten Stirlingmo¬ toren. Die hohen Drücke, die bei den bekannten Stirlingmotoren erforderlich sind, machen nicht nur eine aufwendige, massive Konstruktion des Motors erforderlich, sondern führen auch zu einer entsprechend geringen Lebensdauer desselben.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmekraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubil¬ den, daß diese eine wesentlich verbesserte Wärmebilanz hat und überdies mit wesenlich geringeren Temperaturen und Drücken des Arbeitsgases auskommt .
Diese Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Bei der Wärmekraftmaschine nach der Erfindung ist sowohl der eine hohe Temperatur erzeugende Erhitzer als auch der ledig¬ lich Verlustwärme erzeugende Kühler jeweils durch einen Zeo¬ lith-Wärmespeicher ersetzt worden. Zeolith bietet den Vorteil, daß er das ihm zugeführte Arbeitsgas, welches bei der Wärmekraftmaschine nach der Erfindung durch die Arbeite- gasexpansionsmaschine als erhitztes Abgas abgegeben wird, ab¬ sorbiert . Der Zeolith baut das Arbeitsgas in sein Mo¬ lekülgitter ein, wobei eine stark exotherme Reaktion des Zeo- liths ausgelöst wird, bei der das ihm zugeführte Arbeitsgas erhitzt wird. Mit anderen Worten, dabei gelangt das Arbeitsgas in einen Zustand, als würde es unterkühlt werden, obwohl es erhitzt wird. Deshalb sinkt auch der Druck in dem Zeolith-Wär¬ mespeicher sehr stark ab. Nach bisherigem Verständnis der sich dabei abspielenden Vorgänge entsteht dadurch ein Massenstrom in dem Zeolith, der den Wärmespeicher in die Lage versetzt, eine sehr große Menge an Arbeitsgas zu adsorbieren, die etwa das Zehnfache seines Volumens ist. Dieser Speichervorgang wird zwischen den beiden Zeolith-Wärmespeichern wechselweise ausge¬ führt. Nachdem auch der zweite Zeolith-Wärmespeicher mit Ar¬ beitsgas durch Adsorption im Zeolith gefüllt worden ist, wird dem anderen Zeolith-Wärmespeicher, der zuvor gefüllt worden ist, das Arbeitsgas in erhitztem Zustand durch Desorption des Zeoliths entnommen, um der Wärmekraftmaschine als Antriebsmit- tel zugeführt zu werden. Dafür ist die Zufuhr von Wärme erfor¬ derlich. Zu diesem Zweck wir nun mittels der Umschaltsteuerung der Wärmeträger in dem Wärmeträgerkreis durch denjenigen Wär¬ mespeicher hindurchgeleitet, aus dem gespeichertes Arbeitsgas entnommen werden soll. Durch das Hindurchleiten des Wärmeträ¬ gers, der in der Arbeitsgasexpansionsmaschine und/oder in dem anderen Wärmespeicher, in dem Arbeitsgas adsorbiert wird, Wärme aufgenommen hat, durch den einen Zeolith-Wärmespeicher wird in diesem eine endotherme Reaktion in Gang gesetzt, durch die das Arbeitsgas wieder aus dem Zeolith ausgetrieben wird. Das Arbeitsgas wird dabei ausreichend stark erhitzt, um als Antriebsmittel in der Arbeitsgasexpansionsmaschine Arbeit ver¬ richten zu können. Das Ingangsetzen der endothermen Reaktion erfolgt durch die Wärme aus dem Wärmeträger. Die Abwärme der Arbeitsgasexpansionsmaschine wird also erfindungsgemäß wieder voll ausgenutzt, um gespeichertes Arbeitsgas freizusetzen. Die Wärmekraftmaschine nach der Erfindung arbeitet deshalb mit ei¬ ner wesentlich besseren Wärmeenergiebilanz als die bekannten Stirlingmotoren, bei denen eine Wärmeabfuhr über den Kühler erfolgt. Bei der Wärmekraftmaschine nach der Erfindung arbei¬ ten die beiden Zeolith-Wärmespeicher im Wechsel, während der eine erhitztes Arbeitsgas als Antriebsmittel für die Arbeits- gasexpansionsmaschine liefert, speichert der andere Arbeits- gas, wobei er es herunterkühlt, und umgekehrt. Die Abwärme aus der Arbeitsgasexpansionsmaschine wird über den Wärmeträger dazu eingesetzt, das Arbeitsgas wieder aus dem Wärmespeicher auszutreiben, das zuvor bei seiner Einspeicherung in den Wär¬ mespeicher Wärme empfangen hatte. Insofern wird also wärmebi¬ lanzmäßig ein perfekter Kreislauf erreicht, den keine nach dem Stirling-Prinzip arbeitende Wärmekraftmaschine im Stand der Technik aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegen¬ stände der Unteransprüche.
Vorzugsweise wird als Arbeitsgas ein niedrig siedendes Gas eingesetzt. Das hat den Vorteil, daß das Antriebsmittel in dem Zustand, es welchem es Arbeit verrichten soll, eine niedrige
ERSATZBLÄΓT(REGEL26) Temperatur haben kann. Von den bislang bekannten Arbeitsgasen, die als niedrig siedende Gase zum Einsatz bei der Wärmekraft¬ maschine nach der Erfindung geeignet sind, hat sich C02 als besonders geeignet herausgestellt. C02 führt in dem das Ar¬ beitsgas adsorbierenden Zeolith-Wärmespeicher zu einer beson¬ ders heftigen exothermen Reaktion, die zur Folge hat, daß das Arbeitsgas besonders gut heruntergekühlt wird. Ganz allgemein ist eine große Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite der Wärmekraftmaschine von Vorteil. Dieser Vorteil läßt sich mit C02 als Arbeitsgas besonders nutzen. Ermöglicht wird das durch ein sogenanntes "thermisches Loch" im Speichervermö¬ gen von Zeolith. Diese Eigenschaft versetzt Zeolith in die Lage, eine wesentlich größere Gasmenge zu adsorbieren, als seinem Eigenvolumen entspricht. Durch die Einbindung des Ar¬ beitsgases in sein Molekülgitter reduziert der Zeolith die Braun'sehe Molekularbewegung des Arbeitsgases (wie bei einem Kompressions- oder UnterkühlVorgang) , was den Wärmespeicher in die Lage versetzt, eine wesentlich größere Menge an Arbeitsgas aufzunehmen, als er bei normalen Druck- und Temperaturbedin¬ gungen sonst ohne Zeolith aufnehmen könnte.
Wenn in zusätzlicher Ausgestaltung der Erfindung die Wärme¬ kraftmaschine zusätzlich mit Wärme mittels eines Brenners, z.B. eines Heizbrenners, und/oder einer Solaranlage versorgt wird, kann sie auf vorteilhafte Weise zur Kraft-Wärme-Kopplung in einem Blockheizkraf werk herangezogen werden. Vorteilhaf- terweis.e wird man in diesem Fall die zusätzliche Wärme dem Wärmeträger in dem Wärmeträgerkreis zuführen. Dieser wird dann nicht nur mit der Abwärme aus der Wärmekraftmaschine arbeiten, sondern zusätzlich mit der Abwärme eines Brenners oder der mittels Solaranlage erzeugten Wärme.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 ein Schema einer Wärmekraftmaschine nach der Erfindung, und
Fig. 2 ein Schema eines Blockheizkraftwerkes, das mit einer Wärmekraftmaschine nach der Erfindung ausgerüstet ist.
BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 hat eine nach dem Stirling- Prinzip arbeitende Wärmekraftmaschine 10 einen Arbeitsgaskreis¬ lauf 12 und einen Wärmeträgerkreis 14, die beide mit einer Ar¬ beitsgasexpansionsmaschine 11 verbunden sind. Der Arbeitsgas¬ kreislauf 12 enthält zwei Wärmetauscher, die jeweils aus einem Zeolith-Wärmespeicher 16 bzw. 18 bestehen. Der Wärmeträgerkreis 14 weist zwei parallele Leitungszweige 20, 22 auf, die durch die Wärmespeicher 16 bzw. 18 hindurchführen und davor und da¬ nach an eine gemeinsame Leitung 24 bzw. 26 angeschlossen sind. Die gemeinsame Leitung 24 führt von einem Wärmeträger-Ausgang 28 der Arbeitsgasexpansionsmaschine 11 zu den Wärmespeichern 16, 18, und die gemeinsame Leitung 26 führt zu einem Wärmeträ- ger-Eiήgang 30 der Arbeitsgasexpansionsmaschine 11. In der ge¬ meinsamen Leitung 26 ist darüber hinaus ein dritter Wärmetau¬ scher 32 angeordnet, zusammen mit einer Pumpe 34 zum Umwälzen des Wärmeträgers in dem Wärmeträgerkreis 14. Bei dem Wärmeträ¬ ger handelt es sich in dem hier beschriebenen Ausführungsbei- spiel um Wasser. In den Leitungen 20, 22, die durch die Wärme¬ speicher 16 bzw. 18 hindurchführen, ist jeweils vor dem betref¬ fenden Wärmespeicher ein Magnetventil 36 bzw. 38 angeordnet, mit welchem sich der Durchfluß des Wärmeträgers in der betref¬ fenden Leitung absperren läßt. Der in Fig. 1 unten in den Wär¬ mespeicher 16 eintretende Teil 20a der Leitung 20 führt in einen in dem Wärmespeicher 16 angeordneten Röhrenwärmetauscher, dessen Ausgang wiederum, wie dargestellt, mit dem weiterführen¬ den Teil 20b der Leitung 20 verbunden ist. Entsprechendes gilt für den Aufbau des Wärmespeichers 18. Ein Innenraum 17, 19 in den Wärmespeichern 16 bzw. 18, der nicht von dem Röhrenwärme¬ tauscher des Wärmeträgerkreises 14 eingenommen wird, ist mit Zeolith ausgefüllt. Der Arbeitsgaskreislauf 12 führt von einem Ausgang 42 der Ar¬ beitsgasexpansionsmaschine 11 zu zwei Eingangsleitungen 44 und 46 der Wärmespeicher 16 bzw. 18 und, wie dargestellt, von die¬ sen Eingangsleitungen 44, 46 aus weiter zu einer gemeinsamen Ausgangsleitung 48, die über einen Pufferraum 50 und eine wei¬ tere Leitung 52 zu einem Eingang 54 der Arbeitsgasexpansionsma¬ schine 11 führt. In der Leitung 48 ist zusätzlich eine Pumpe 56 angeordnet. In der Leitung 12, die zu den Leitungen 44, 46 führt, ist jeweils ein Magnetventil 58 bzw. 60 angeordnet. In den Leitungen, die von den Eingangsleitungen 44, 46 wegführen und in die gemeinsame Leitung 48 münden, ist jeweils ein Ma¬ gnetventil 62 bzw. 64 angeordnet. Schließlich ist in der von dem Pufferraum 50 wegführenden Leitung 52 ein Magnetventil 66 angeordnet. Die letztgenannten Magnetventile 58 bis 66 dienen ebenfalls als Absperrventile, welche wechselweise die Verbin¬ dung der Leitung 12 mit der Leitung 44 oder 46 herstellen bzw. unterbrechen, und umgekehrt. Mit dem Magnetventil 66 läßt sich der Ausgang des Pufferraums 50 absperren, bis in dem Pufferraum ein ausreichend großer Druck aufgebaut worden ist.
Die in der vorstehend beschriebenen Wärmekraftmaschine 10 ver¬ wendete Arbeitsgasexpansionsmaschine 11 kann ein herkömmlicher Stirling-Motor sein, wie er aus dem eingangs erwähnten Stand der Technik bekannt ist, mit dem erfindungswesentlichen Unter¬ schied, daß zur Verbesserung der Wärmeenergiebilanz eines sol¬ chen Stirling-Motors die im Stand der Technik üblichen beiden Wärmetauscher in Form eines Erhitzers und eines Kühlers als Zeolith-Wärmespeicher 16, 18 ausgebildet sind, die in Verbin¬ dung mit dem Wärmeträgerkreis jegliche Wärmeverluste minimieren und insbesondere keinerlei Verlustwärmeabfuhr mit sich bringen.
Die Wärmekraftmaschine 10 arbeitet folgendermaßen:
Die Arbeitsgasexpansionsmaschine 11 ist wie üblich eine peri¬ odisch arbeitende Kolbenkraftmaschine, die als Antriebsmittel ein abwechselnd stark erhitztes und abgekühltes, von zwei Kol¬ ben (nicht dargestellt) hin- und hergeschobenes Arbeitsgas, in vorliegendem Fall vorzugsweise C02, benutzt und die zugeführte Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt, um, wie in Fig. 1 angedeutet, einen elektrischen Generator 68 anzutreiben. Die benötigte Wärme, die im Stand der Technik durch Verbrennung eines belie¬ bigen Brennstoffes in einer Brennkammer außerhalb des Zylinders (nicht dargestellt) der Arbeitsgasexpansionsmaschine 11 erzeugt und durch einen besonderen Erhitzer auf das Arbeitsgas im Zy¬ linder übertragen wird, wird bei der hier beschriebenen Wärme¬ kraftmaschine 10 lediglich als latente Wärme zugeführt, die zum Starten der Wärmekraftmaschine benötigt wird. Für den Startvor¬ gang wird der Generator 68 als Motor betrieben, der die Ar¬ beitsgasexpansionsmaschine 11 antreibt, die nun als Wärmepumpe arbeitet, und C02 an den einen oder anderen Wärmespeicher 16, 18 abgibt. In diesem Wärmespeicher wird das C02 in einer exo¬ thermen Reaktion durch Adsorption im Zeolith gespeichert, wie oben beschrieben. Wenn beide Wärmespeicher gefüllt sind, kann der Stirling-Prozeß anlaufen. Wärmeverluste der Wärmekraftma¬ schine, die sich nicht vermeiden lassen, werden dabei durch la¬ tente Wärme aus der Umgebung ausgeglichen. Zusätzliche Wärme¬ energie, die benötigt wird, weil z.B. über den Generator 68 En¬ ergie entnommen wird, läßt sich der Wärmekraftmaschine über den Wärmetauscher 32 zuführen, z.B. aus der umgebenden Luft, durch zusätzliche Sonneneinstrahlung, durch Erhitzen des Wärmetau¬ schers 32 mittels eines Brenners, usw. Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo der Wärmeträger auf Temperaturen bis zu 1000 °C erhitzt werden muß, kommt die hier beschriebene Wärmekraftma¬ schine, mit einer Arbeitsgastemperatur von etwa 60 °C aus, bei eirxem Delta P (Druckdifferenz) zwischen dem Eingang 30 der Ar¬ beitsgasexpansionsmaschine und den Eingängen der Wärmespeicher (Leitungen 44 bzw. 46) , bei dem in dem Pufferraum 50 ein Druck von 10 bar erreicht wird. Das wird weiter unten noch näher er¬ läutert .
Nach dem Anfahren der Arbeitsgasexpansionsmaschine 11 und nach dem Speichern von Arbeitsgas in beiden Wärmespeichern 16, 18 kann der Stirlingprozeß ablaufen. Bei der Speicherung des Ar- beitsgases in dem einen Wärmespeicher tritt, wie eingangs er¬ läutert, aufgrund des Adsorptionsvolumens ein Druckgefälle auf. Gleichzeitig wird infolge der exothermen Reaktion die Druck¬ energie als Wärme an den Wärmeträger übergeben, der dabei stark erhitzt wird. Unter der Annahme, daß in den Wärmespeicher 16 Arbeitsgas eingespeichert wird, ist das Magnetventil 36 ge¬ schlossen, das Magnetventil 58 ist geöffnet, das Magnetventil 62 ist geschlossen, und das Magnetventil 38 ist geöffnet. Wenn nun gleichzeitig Arbeitsgas durch Desorption aus dem Zeolith des Wärmespeichers 18 entnommen wird, wird das Magnetventil 60 geschlossen, und das Magnetventil 64 wird geöffnet. Für das An¬ fahren des Desorptionsvorganges in dem Wärmespeicher 18 wird nach einer gewissen Zeit das Magnetventil 36 zusätzlich zu dem Magnetventil 38 geöffnet, damit der Wärmeträger, der zuvor in der Adsorptionsphase in dem Wärmespeicher 16 erhitzt worden ist, nunmehr durch den Wärmespeicher 18 hindurchgeleitet wird, um dort die für den Desorptionsvorgang erforderliche Wärme zu liefern. Zur Zufuhr des Arbeitsgases zu der Arbeitsgasexpansi¬ onsmaschine 11 kann die Pumpe 56 bei Bedarf eingeschaltet wer¬ den. Bei dem Desorptionsvorgang wird das Arbeitsgas, das aus dem Wärmespeicher 18 ausgetrieben wird, ausreichend stark er¬ hitzt, um als Antriebsmittel in der Arbeitsgasexpansionsma¬ schine 11 Arbeit verrichten zu können. Während der Wärmespei¬ cher 18, dem Arbeitsgas durch die Desorption des Zeoliths ent¬ nommen werden soll, von Wärmeträger durchströmt ist, wird nach einer gewissen Zeitspanne der andere Wärmespeicher 16 zumindest vorübergehend ebenfalls von Wärmeträger durchströmt, weil in dem Wärmespeicher 18 zusätzlich Wärme für die Desorption benö¬ tigt wird. Der Desorptionsvorgang läuft nämlich zunächst ohne zusätzliche Wärmezufuhr aus dem Wärmespeicher 16 in dem Wärme¬ speicher 18 ab, weil der Zeolith in dem Wärmespeicher 18 noch ausreichend Wärme gespeichert hat. Wenn diese nach einer gewis¬ sen Zeit soweit abgenommen hat, daß der Desorptionsvorgang nicht mehr vonstatten gehen könnte, wird das Magnetventil 36 geöffnet, so daß nun erhitzter Wärmeträger aus dem Wärmespei¬ cher 16 durch den Wärmespeicher 18 hindurchgeleitet werden kann. Wenn hingegen die in den Wärmespeichern 16 und 18 im Zeolith gespeicherte Wärmeenergie ausreicht, um jeweils auch den Desorptionsvorgang ablaufen zu lassen, besteht kein Bedarf, aus dem anderen Wärmespeicher Wärmeträger zu entnehmen. In diesem Fall werden die Wärmespeicher 16, 18 durch die Umschaltsteue¬ rung tatsächlich nur wechselweise in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Wärmeträgerkreis gebracht.
Die Steuerung der vorstehend angegebenen Magnetventile erfolgt durch eine Umschaltsteuerung 67. Diese könnte auch manuell aus¬ gebildet sein, d.h. durch eine Bedienungsperson ersetzt werden. Vorzugsweise ist die Umschaltsteuerung 67 aber eine freipro¬ grammierbare Computersteuerung, die die Wärmekraftmaschine 10 über gemessene Daten steuert. Zu diesen gemessenen Daten gehö¬ ren insbesondere die verschiedenen Temperaturen und Drücke, die durch nicht dargestellte Temperatur- bzw. Drucksensoren erfaßt werden. Über gestrichelt dargestellte Leitungen werden die Ma¬ gnetventile durch die Umschaltsteuerung 67 betätigt.
Fig. 2 zeigt den Einsatz der vorstehend beschriebenen Wärme¬ kraftmaschine 10 in einem Blockheizkraftwerk. In Fig. 2 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit denselben Bezugszahlen bezeich¬ net und brauchen deshalb hier nicht nochmals beschrieben zu werden. Lediglich die zusätzlichen Komponenten werden beschrie¬ ben. Der Wärmekraftmaschine 10 wird gemäß Fig. 2 zusätzliche Wärme mittels eines mit einem Brennstoff 73 wie Öl oder Gas be¬ triebenen Heizbrenners 74 und/oder einer Solaranlage 76 zuge¬ führt. Der Generator 68 ist über eine Netzkupplung 70 an das öffentliche Netz N anschließbar, wenn überschüssige elektrische Energie an das Netz abgegeben werden soll. Der Heizbrenner 74 kann ein Öl- oder Gasbrenner sein. Sein Abgas 71 sollte eine Temperatur von 200°C nicht überschreiten, weil in der hier be¬ schriebenen Wärmekraftmaschine sonst zu hohe Drücke entstehen würden, die den Zeolith in den Wärmespeichern 16, 18 gefährden könnten. Der Heizbrenner 74 versorgt im übrigen einen Warmwasserkreis¬ lauf 75 mit Wärme, z.B. zur Gebäudebeheizung durch das Block¬ heizkraftwerk. Mit 15 ist ein Heizkreislauf bezeichnet, der seine Wärme aus dem Wärmeträgerkreis 14 empfängt. Das im Ar¬ beitskreislauf 12 eingesetzte Arbeitsgas ist C02.

Claims

Patentansprüche
1. Nach dem Stirling-Prinzip arbeitende Wärmekraftmaschine (10) , mit einem Arbeitsgaskreislauf (12) , in welchem das Ar¬ beitsgas als Antriebsmittel in einem ersten Wärmetauscher stark erhitzt wird, um Arbeit verrichten zu können, und mit einem Wärmeträgerkreis (14) mit einem zweiten Wärmetauscher, in wel¬ chem das Arbeitsgas nach Arbeitsverrichtung abgekühlt wird, da¬ durch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Wärmetauscher jeweils als Zeolith-Wärmespeicher (16, 18) ausgebildet sind, denen das Arbeitsgas einer Arbeitsgasexpansionsmaschine (11) mittels einer Umschaltsteuerung (67) wechselweise zugeführt bzw. entnommen wird, und daß die Zeolith-Wärmespeicher (16, 18) durch die Umschaltsteuerung (67) mit dem Wärmeträgerkreis (14) in Wärmeübertragungsbeziehung bringbar sind.
2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß das Arbeitsgas ein niedrig siedendes Gas ist.
3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich¬ net, daß das Arbeitsgas C02 ist.
4. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da¬ durch gekennzeichnet, daß ihr zusätzliche Wärme mittels eines Brenners (74) und/oder mittels einer Solaranlage (76) zugeführt wird.
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