EP1017933B1 - Vorrichtung und verfahren zum transfer von entropie mit thermodynamischem kreisprozess - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum transfer von entropie mit thermodynamischem kreisprozess Download PDF

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EP1017933B1
EP1017933B1 EP98955343A EP98955343A EP1017933B1 EP 1017933 B1 EP1017933 B1 EP 1017933B1 EP 98955343 A EP98955343 A EP 98955343A EP 98955343 A EP98955343 A EP 98955343A EP 1017933 B1 EP1017933 B1 EP 1017933B1
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EP
European Patent Office
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volume
working
gas
working fluid
working volume
Prior art date
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EP98955343A
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English (en)
French (fr)
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EP1017933A1 (de
Inventor
Thomas Ertle
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SOLISOLAR ENERGY GMBH
Original Assignee
SoliSolar Energy GmbH
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Publication date
Priority claimed from DE1997142660 external-priority patent/DE19742660A1/de
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    • 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
    • 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
    • F02G1/02—Hot gas positive-displacement engine plants of open-cycle type
    • 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
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/70—Liquid pistons

Definitions

  • thermodynamic cycle processes previously used are each coupled to two heating baths with a constant temperature.
  • energy can only be transported optically (with parabolic mirrors or light guides) or via a material flow with a phase transition (heat pipe). Due to the desired isothermal exchange of thermal energy, the thermal energy can only be stored in chemical stores or in latent heat stores. As a result, the effort for concentrating the energy by the collector, transport and storage that is desirable for many applications is too often too great. If, for example, a direct supply of cold or compressed air is desired with the least possible equipment outlay, in many known systems the route via the interface of electrical current must be chosen.
  • the entire cyclic process in a working volume can be assigned several circular processes running in parallel between two heat reservoirs with constant temperatures, if justifiable idealization is considered.
  • Each heat reservoir of these cycle processes can be assigned to a partial volume of the working volume which is filled with working fluid and as defined above.
  • At least one substance of a continuous or periodically increasing and decreasing mass flow is heated or cooled either by the absorption or release of thermal energy at a lower temperature difference relative to the overall temperature change when it comes into contact with the hotter or colder heat reservoirs of these cycles, whereby the phase or can transform chemical composition.
  • At least one substance is used continuously to use solar energy or periodically rising and falling mass flow thermal energy with sliding Temperature or multiple temperature levels supplied.
  • the cited patent does not list a physical (phase) and / or chemical change due to thermal energy transformation over a wide temperature range, although these problems can be attributed to the same core problem:
  • thermal energy In order to liquefy part of a gas mixture, thermal energy usually has to be extracted over a temperature interval due to the changeable ratio of the partial pressures. Accordingly, when a gas mixture is vaporized, thermal energy must be supplied over a temperature interval or at several temperatures.
  • the mechanical work supplied (consumed) or given (won) during a period of the entire cycle to balance the energy balance is largely directly from a storage space during the transfer of at least a certain amount of at least one fluid substance moved to another storage space with different pressure.
  • Direct use of the pressure change e.g. by replacing a mechanically driven compressor or Decoupling the movements in the working volume from the driving shaft of a turbine or a compressor or the like. which is driven by or generates the pressure difference of the substance flowing (in the closed circuit).
  • a generator can be driven at the usual angular velocity and a flow velocity of the working fluid in the order of 1 m / s against the heat transfer surfaces and a correspondingly small temperature difference during heat transfer can be achieved, which has a positive effect on the efficiency and the accelerations occurring on the control system as well as the flow losses are reduced.
  • This enables a large-volume construction in which the pressure in the working volume is in the range of the atmospheric pressure and air is used as the working fluid, which alleviates many problems with regard to tightness and makes interesting applications possible. (see application examples)
  • the cited patent is limited to a cooling or heating of a heating or cooling medium through the thermal contact with heat exchangers of a regenerative work or heat engine compared to the more abstract formulation of the task chosen above.
  • This eliminates a reduction in the structural or technological outlay for heat exchangers or regenerators, which is achieved according to the invention if the heat is added to the working volume by the heating medium being taken up, for example, as hot gas in the working volume by valves and at a lower temperature again by valve ( e) is emitted, whereby the dead volume of the working volume can also be reduced, which experience has shown that it is just as favorable for achieving good efficiency as a functional replacement of the relatively small heat transfer surface of the heat exchanger by the much larger one of the regenerator.
  • Fresh air can flow into the working volume through one of the valves at atmospheric pressure, which can achieve decisive synergy effects in some applications.
  • hot air can be taken up in a working volume and blown out as cooler air into a room with higher pressure, with some of the heat energy released when the air is cooled being taken up by the cooler. If the hot fresh air has been heated at atmospheric pressure by exhaust gases from an internal combustion engine and the cooler air with higher pressure is used to charge the internal combustion engine, great synergy effects are used.
  • the device shown in Figure 1 can be used, among other things, as a thermal device Gas compressors (with the integrated effect as an engine) work and form due to the simple structure and the relatively easy theoretical Description of the cycle a good starting point for understanding the more complex machines also based on the principle of the invention, Devices or processes.
  • a working volume filled with gas as the working fluid is largely enclosed by a working cylinder as the pressure housing 1, a slidingly sealed piston 2, inlet and outlet valves 3 and 4, respectively.
  • a frame 6 is slidably sealed against the cylinder wall 5, on which a heat exchanger 7 and a regenerator 8 which is unchangeable in structure or size are mounted such that the gas must flow through them.
  • a resilient spacer 9 is between this regenerator 8 and a structure 11 surrounded by a bellows 10 with a reversible, acting and acting as a regenerator structure 11, which consists of a fine (40 - 80 ppi) foam or comes close to this in terms of homogeneity or gaps , (e.g.
  • a flow channel 12 is formed over the entire cylinder surface, through which the gas passes the structure 11 through the opened outlet valve 4 of the volume and part 13 of the piping system to the fan 14 can reach.
  • This gas can flow from the fan through part 15 of the piping system and a regenerator 16 to be flowed through into a reserve space 17 which is enclosed by a bellows. From the fan 14 or from this reserve space 17, the gas can reach the working volume after being heated in a (countercurrent) heat exchanger 18 through part of the piping system 19 through the inlet valves 3.
  • a pressure tank 20 is connected to the pipe system at 13 in front of the fan (turbine) 14.
  • the piston 2 and the frame 6 are moved periodically by hydraulic pistons 21, 22, 23 as is characterized in FIG. 4, FIG. 5, FIG. 6 or the subsequent description of the cycle.
  • the piston 2 is stabilized in the orientation with regard to the stroke direction.
  • the drive tube 24 of the frame 6 is guided by the piston 2 in the stroke direction through seals from the working volume. Two tubes for the cooling water run in this drive tube and are sealed against the inner wall of the drive tube in such a way that no gas exchange which interferes with the cycle can take place between the working volume and the environment.
  • Movable hoses 25, 26 connect these pipes to fixed connections 27, 28 of a cooled water reservoir, so that the cooling water can circulate in a closed circuit.
  • the liquid in the heat exchanger 7 should always have a lower pressure than the working volume, so that no liquid is pressed into the working volume, which could lead to dangerous sudden steam development, but the liquid in the heat exchanger is displaced by the inflowing working fluid. If the hot gas to be cooled is introduced directly into the pipeline system of the entropy transfer device (see FIG. 1) at 19 and is removed again at 15, the losses and the structural outlay of the heat exchanger 18 can be eliminated.
  • the hydraulic pistons 21, 22 and 23 exchange mechanical power via a controlled valve system 29 of the control system via a hydraulic pump 30 with a flywheel 31 and a component 32 acting as an electric motor and / or generator.
  • Working fluid can be exchanged from the part of the pipeline system 19 to the flow channel 12 by a valve 33, optionally driven by a fan 34 or not by a further valve 35.
  • the valve 33 remains closed for the time being.
  • the justifiable, simplifying assumption is made that the working fluid as the ideal gas in the coolest partial volume always has the temperature T k , ie only isothermal processes take place there.
  • the sequence of movements is determined by the control system and is rough and sufficient for the following analysis in Fig.4, Fig.5, Fig.6 I.
  • the mean temperature T mg of which is significantly higher than the cooler temperature T k this gives directly the temporal profile of the mean temperature in the working volume T m (t) and is shown qualitatively in Fig.4, Fig.5, Fig.6 II.
  • the pressure P 0 in the part of the piping system 19 in front of the inlet valves corresponds to atmospheric pressure.
  • the fan 14 is to work in such a way that the pressure P 1 in the space 13 of the pipeline system adjacent to the outlet valve 4 is changed only slightly relative to the pressure difference P 1 - P 2 .
  • the valves 3 and 4 are opened or closed by the (flow) pressure of the gas.
  • the pressure is increased since the inlet valves 3 and outlet valves 4 due to the higher pressure P relative to P 0 but lower relative to P 1 (t) are closed in the work volume.
  • the cool gas in the working volume at the temperature T k the thermal energy delivered to the cooler.
  • the work W abc -Q abc must be performed on the piston by the control system in this period.
  • T 2 is independent of m
  • a W nutz C p * m A * (T 1 - T 2 ) * ⁇ ges
  • Each volume V can be divided into partial volumes V i by a corresponding, possibly very small, division be divided so that V i can be applied without an effective falsification of the thermodynamic description:
  • P * V i N i * k B * T i ;
  • N i P * 1 k B * 1 T i * V i ;
  • k B Boltzmann constant;
  • T i temperature in V i ; N i ⁇ number of gas molecules in V i
  • the working volume is increased by the piston movement.
  • the gas should not flow relative to the heat transfer surfaces which are necessary for the thermodynamic cycle. Since the gas in the entire working volume is in direct contact with heat transfer areas during this period of time to large thermal capacities, which are necessary for the thermodynamic cycle and due to their special movement, the gas is not moved relative to it, this period of the cycle can be described by an isothermal expansion the same formulas apply to the exchanged thermal energy or work as for the time period abc. This makes it possible to store this energy in a vibrating system and to release it again for compression (e.g. by a vibrating water column in a U-shaped tube, possibly with a cavity acting as an air spring as a limitation.
  • the largely homogeneous regenerator structure 11 fills the entire working volume with the heat capacity that is very large in relation to the gas, hereinafter assumed to be infinite, and largely the entire working volume expanded by the displacement of the piston. Due to the special movement, only isothermal processes take place in the arity volume.
  • the working volume be divided into sub-volumes of equal size by E - 1 planes arranged perpendicular to the stroke. Due to the symmetry, the temperature is ideally constant at these levels.
  • the regenerator structure 11 is effectively supplied with energy by the cooling of the hot gas quantity of the mass m A flowing through the inlet valves 3 at each period, since as a result a larger quantity of gas flows from the hot part into the colder part of the regenerator structure 11 than in the reverse flow direction.
  • the exchanged and cooled gas quantity m A is thereby increased by m B and the regenerator system 11 is supplied with a larger quantity of thermal energy during a period.
  • This greater thermal energy is partially withdrawn from the regenerator system 11 in the time period efg during the effectively isothermal expansion of the gas from P 1 to P 0 , a larger pressure ratio P 1 / P 0 being able to be achieved and thus more energy being converted per period overall, whereby the total heat energy exchanged at the regenerator 8 or at the regenerator system 11 as well as the associated thermal losses are increased in a much lower ratio.
  • the mass flow through the adjustable fan can be set in 3 stages (off, medium, large) and the large stage is always switched on by a thermostat when the temperature falls below a certain temperature, the temperature T 2 can thus be sufficient at a relatively low cost Value to be stabilized.
  • the device shown in FIG. 1 can also be operated as a refrigerator, which cools a quantity of gas over a large temperature interval.
  • the then driven fan (turbine) 14 must press the gas from the part of the piping system 19 with the pressure P 0 into the part 13 with P 1 .
  • the direction of flow of the gas is reversed (everywhere in the working volume), the structure of the device and the speed of movement remain as in Fig. 1 and Fig. 4. Fig.5, Fig.6 obtained.
  • the outlet valve 4 becomes an inlet valve in that it is kept open against the flow pressure with an unchanged stop direction in the time period cde, for example by an attacking spring connected to the control system.
  • the gas then flowing in with the pressure P 1 releases thermal energy to the regenerator system 11 during cooling.
  • the regenerator is efg during the time period in which effective isothermal expansion of the gas (such as front, home gas compressor; engine) from P 1 to P 0 withdrawn heat energy.
  • a temperature field T (r) which is linear in the stroke direction is also formed in the regenerator structure 11 in the refrigeration machine by the interaction of the sub-processes in the time periods cde and efg, the mean temperature T m of which in the refrigeration machine is below the Radiator temperature T k is.
  • the average temperature in the working volume when the regenerator system 11 is pushed together is increased in the time period gha.
  • the inlet valves of the engine 3 can act as outlet valves in the refrigerator if they are kept open against the flow pressure in this time period gha, for example by an attacking spring connected to the control system, and gas due to the increase in the mean temperature in the constant working volume at a constant pressure Pressure P 0 flows out into the part of the piping system 19. Before this gas is compressed again by the fan (turbine), it absorbs the heat energy from the cooling of the other gas stream in the heat exchanger 18. If the gas to be cooled is introduced directly into the pipeline system of the refrigeration machine at 15 (cf. FIG.
  • the device shown in FIG. 1 and already described as an engine can, as already largely shown at the front, also be operated as a refrigerator.
  • a greater temperature difference in the amount of gas of the mass m A taken up and given off by the working volume can be achieved if in the period gha a gas amount of the mass m H by in this case at the same stop as Exhaust valve acting valve 35 flows into space 15, which is kept open during this period gha by the control system against the flow pressure.
  • the motor machine shown in FIG. 1 can also be operated as a refrigeration machine, as already shown above. If, as with the engine, a larger pressure difference P 1 -P 0 is also to be used for the cooling machine for a certain cooling, this can be achieved if, in the period gha, the gas quantity of the mass m B is passed through a further (controlled) inlet valve 35 is blown into the flow channel 12 from the room 15 with a fan 34.
  • thermal energy is supplied to the regenerator system 11 during the isothermal compression (with closed valves) of the gas from P 0 to P 1 .
  • the valve T is taken up by the turbine gas at the temperature T H of the working volume at the pressure P 1 , since the mean temperature is lowered.
  • this construction can do the same operated that lukewarm gas at a higher pressure through a turbine in the Working volume pressed and thereby the flow direction but not the periodic movement sequence (see Fig.4, Fig.5, Fig.6) is changed and from the Flush out working volume of hot and cold gas at lower pressure.
  • gas can be cooled below the cooling water temperature T k by an entropy transformer with 2 working volumes.
  • the driven fan 14 is replaced by one of the devices described above with the effect of a gas compressor; the hot gas is taken up by the working volume, which can be assigned to the gas compressor, and is discharged at higher pressure through the outlet valve 4 of this working volume into a space of the piping system, to which a buffering pressure vessel can be connected and from where the gas may be after a previous cooling to about T k flows through the valve 4 acting as an inlet valve into the working volume, which can be assigned to the refrigerator.
  • the gas cooled under T k flows out through the valves 3 and possibly 35.
  • the periodic flow through the valves 35 of the two unit volumes can be set accordingly (as shown above). If the movements shown in FIG. 4, FIG. 5, FIG. 6 I run simultaneously in a work volume, the buffering pressure vessel can be dimensioned smaller or can be omitted. It is also interesting to use this combination as a heat pump for liquids. Other interesting combinations serve to increase the heating number to a value above 1.
  • a hot and cold gas quantity is absorbed by a first working volume as described above and released again as a cool gas quantity at higher pressure, and absorbed by a second working volume which it releases as a warm gas quantity at the outlet pressure. The liquid of a heat exchanger or an additional amount of gas was cooled in the second working volume.
  • FIG. 8 part of a gas compressor (engine)
  • the working volume of an entropy transformer shown in FIG. 8, FIG. 9 or FIG. 10 shows, for example, as part of an engine in comparison with the two that are decisive for thermodynamics in comparison with FIG. 1 or FIG. 4, FIG Differences in:
  • First the work volume is not changed in size.
  • the regenerators are made of a lower V2A perforated plate with as little metal surface as possible, with U-profiles made of V2A welded on for reinforcement and open parallel to the perforated plate, in which metal fibers are sheathed with V2A fabric (wire diameter approx. 0.1 mm) (center of gravity of the diameter at 40 micrometers ) are inserted, which are clamped and enclosed by another perforated plate.
  • the two perforated sheets are held together by a wire winding where the perforated sheets have been deformed in such a way that the outer surfaces of these regenerators have no local elevation despite the wire winding.
  • the perforated plate turns into a plate without holes, whereby the seals are held and sealed to the metal fibers so that they flow through.
  • a working volume filled with gas as working fluid is largely enclosed by a pressure housing 47, inlet 48 and outlet valves 49.
  • the gas can flow through the inlet valves from a space of the piping system corresponding to FIG. 1 in FIG. 1 into the partial volume between the cylinder cover and the regenerator 36 and from a space between the regenerators 39 and 40 through
  • the heat exchanger is in a closed circuit with Liquid from the elements with the reference number 45, 46, 102-106.
  • grating planes 108 to be flowed through by the gas and arranged perpendicular to the direction of rotation are characterized by the control system as in FIG. 9 I, so that they move to this regenerator 41 or the neighboring one , either move the grating plane that is already moving, maintain a certain distance (e.g. 20% of the total stroke) or remain as close as possible to the boundary surface of the pressure vessel.
  • the control system as in FIG. 9 I
  • valves 49 and 48 are opened and / or closed by the (flow) pressure of the gas.
  • the gas has its lowest mean temperature T m (t) in the working volume cf. Fig.9 I reached at time a.
  • the inlet valve is closed by the flow pressure of gas flowing from the working volume due to the increase in the average gas temperature T m in the working volume.
  • the pressure in the time period abc increases from P 0 to P 1 :
  • the compressed gas emits thermal energy to the cooler.
  • the gas in the working volume has reached the highest average temperature T m (t).
  • the outlet valve is closed again by the pressure in the working volume which is lower than that of P 1 .
  • the pressure in the working volume is still too great for the inlet valves to open, so that the reduction in T m (t) leads to a reduction in the pressure P (t) in the working volume.
  • 37 - 40 heat energy is taken from the regenerators; (cf. Q efg ) because the gas flowing through it is expanded again between two regenerators.
  • the maximum average temperature of the gas in the aridity volume is reached.
  • the mass of the gas in the working volume is smaller than in the time period abc.
  • the pressure difference from P 1 - P 0 is already reached after a smaller decrease in T m (t).
  • the amount of gas that flows in is cooled by the release of thermal energy to the regenerators 36-40 and by mixing with cooler gas.
  • a partial volume divided by the components characterized in claim 1 from the working volume is withdrawn from thermal energy during a full period if it is (significantly) smaller during the time period of the pressure increase than during that of the pressure decrease. If all valves on this machine are suddenly closed while the equilibrium is in operation, a process takes place that comes very close to that of a Vuilleumier heat pump. In this case, thermal energy is taken from the partial volumes of the working volume between the regenerators 36-40 and partially released to the cooler.
  • This partial cycle process drives a second partial cycle process which pumps from the partial volume of the working volume, which is only delimited by regenerator 41, into the partial volume which is only delimited from the working volume by regenerator 36.
  • a valve that is controlled by the temperature of the endangered sub-volume can prevent that this process is not started unintentionally by a sticking valve and that it is destroyed by overheating, which valve causes a constant pressure in the working volume in an emergency.
  • the outlet valve is opened by a correspondingly lower selection of the pressure P 1 a small fraction of the time period abc after the point in time a at which the lowest average gas temperature prevails in the working volume, the pressure in the working volume is increased in this cycle process in particular , if the partial volume delimited only by regenerator 41 and the partial volume adjacent to the cooler largely have the maximum size and the partial volume only delimited by regenerator 36 and the partial volumes between two regenerators largely have their minimum size. The other extreme size ratio prevails while the pressure in the working volume is reduced. As a result, the thermal energy with respect to these partial volumes is converted in the opposite direction through this entire cycle process than with closed valves (see above)
  • the pressure P 1 can be selected such that on average no heat energy is removed or supplied to the partial volume of the working volume which is only delimited by the regenerator 36 by the cyclic process.
  • the thermal energy which is supplied to the partial volume of the working volume, which is only delimited by the regenerator 41, due to irreversibilities such as the shuttle effect, heat conduction and the unfavorable efficiency of the regenerator, is at this pressure P 1 by the special one shown in FIG Movement sequence of the regenerator 41 withdrawn and fed to the cooler.
  • the movement sequence characterized in FIG. 10 has the advantage that the flow channels for gas exchange are covered to a lesser extent by the moving regenerators or are better designed.
  • the lower lifting frame 90 must be connected to the lowest regenerator 41.
  • the pressure P1 can be set so that an analog one for the corresponding partial volumes Thermal energy balance results.
  • the partial volume of the working volume between two of the regenerators 36-40 is reduced by the fact that the gas flowing through is further expanded in the time period efg between two regenerators.
  • These partial volumes are supplied with thermal energy during a period by virtue of the fact that, due to the gas quantity of the mass m A, which is hotly taken up into the working volume by the inlet valve 48 and coolly discharged through the outlet valves 49, the regenerators 36-39 flow through the hottest side with one around them Gas quantity of mass m A larger gas volume is flowed through than from the cooler side.
  • a temperature profile with a larger gradient in the flow direction is formed on the cooler side of one of these homogeneously assumed regenerators.
  • one of the partial volumes defined above is supplied with more thermal energy than is extracted by the periodic flow.
  • the heat energy given off during the cooling of the gas quantity m A flowing into the working volume, which flows periodically hot and cooler again, is absorbed in part by the circular processes running parallel between the partial volumes with largely isothermal heat energy absorption and delivery.
  • a linear temperature profile is formed in the working volume, as generally shown in the front of Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6.
  • the average temperatures of adjacent partial volumes of the working volume range between two? the regenerators 36-40 with the same size and temporal order of magnitude the same difference as shown in the front to Fig.4, Fig.5, Fig.6 generally.
  • the losses at regenerators 36-39 are partially reduced by W_. Due to the irreversibility, such as heat conduction or the losses of the regenerators, only a smaller pressure ratio P 1 / P 2 is achieved and the gas quantity m A must enter the working volume with a temperature greater than T, especially in a device constructed as in FIG 1 is.
  • One of the valves 49 in FIG. 8 can be used like the valve 35 in FIG. 1 in order to achieve the described changes in the temperature differences when cooling or heating a portion of the exchanged gas at the same ratio of the pressures P 1 / P 0 .
  • the system described above which acts as an engine and has the working volume shown in FIG. 8, can, after a few changes, also be operated as a refrigeration machine which cools a gas quantity over a large temperature interval.
  • the then driven fan (turbine) 14 must press the gas from the part of the piping system 15 with the pressure P 0 into the part 13 with P 1 .
  • the movement sequence shown qualitatively in FIG. 9 I or FIG. 10 I is carried out in the reverse chronological order.
  • the outlet valve 49 becomes an inlet valve in that it is kept open by the control system against the flow pressure in the time period ahg with the stop direction unchanged. In this time period ahg, the partial volumes between these regenerators are increased and the average temperature of the gas in the working volume is lowered from the maximum value.
  • the gas then flowing in with the pressure P 1 releases thermal energy to the regenerators 36 to 39 during cooling.
  • Thermal energy is withdrawn from these regenerators during the subsequent period of time by the expansion of the gas between two regenerators (cf. front: engines). With closed valves, the pressure in the working volume is reduced due to the lowering of the average temperature of the gas to the minimum value by a shift at constant relative distances of the regenerators 36 to 41.
  • a linearly stepped temperature field T (r) is formed in the regenerators 36 to 39, whose average temperature T m at the Chiller is below the cooler temperature T k .
  • the temporal development of T m (t) corresponds to the reversal of the chronological sequence and the replacement of max.
  • the average temperature of the gas in the working volume is increased when the regenerators 36 to 39 are pushed together in the subsequent time period edc.
  • the inlet valve 48 of the engine in FIG. 8 acts as an outlet valve in the refrigerator if it is kept open by the control system against the flow pressure during this period of time edc with the stop direction unchanged and gas and, inter alia, due to the increase in the mean temperature in the constant working volume at constant pressure P. 0 flows out into the part of the piping system 15. Before this gas is compressed again by the fan (turbine), it absorbs the heat energy from the cooling of the other gas stream in the heat exchanger 18.
  • the gas to be cooled is introduced directly into the piping system of the refrigeration machine at 15 (cf. FIG. 1) and is removed again at 15, the losses and the structural outlay of the heat exchanger 18 can be eliminated.
  • the average temperature of the gas in the working volume is increased to the maximum value by the displacement of the regenerators 36 to 39, which leads to a pressure increase and the closing of the cycle due to the closed valves.
  • thermal energy is removed by opening the valve 48 or a valve acting in parallel with it with a smaller cross-sectional area before the pressure difference is completely equalized.
  • the partial volume of the working volume, which is only delimited by regenerator 41 is supplied with thermal energy in that a valve acting in parallel with one of the valves 49 is already opened before the pressure difference is completely equalized.
  • a greater temperature difference in the amount of gas of mass m A taken up and given off by the working volume can be achieved in the device shown in FIG. 1 if, in the time period edc, a gas amount of mass m H is in this case relative to Fig. 8 modified stop as an outlet valve as valve 35 in Fig. 1 acting valve 49 flows into space 15, which is kept open in this time period edc by the control system against the flow pressure.
  • regenerator 208 which is temporarily applied to the regenerator 207 with the regenerator 38 which is occasionally applied to the regenerator 39
  • the regenerator 209 which is occasionally applied to the regenerator 208 with the regenerator 37 which is occasionally applied to the regenerator 38
  • the regenerator 210 which is occasionally applied to the regenerator 209 with the temporarily Regenerator 37 adjacent regenerator 36 firmly connected.
  • the air exchange through the air guide tubes 205 and 211 takes place predominantly simultaneously, as does the air exchange through the air guide tubes 50 and 212.
  • One of the valves 49 or one of the valves 213, through which the air flows out of or into the air guide tube 212, is used with a changed stop direction like the valve 35 in FIG. 1.
  • This construction can also be operated in such a way that lukewarm gas at higher pressure is periodically pressed into the working volume by a turbine and hot and cold gas periodically flow out of the working volume at a lower pressure. Both the cycle shown at the front of the heat pump and the one at the chiller can be used.
  • the respective temperature differences can additionally with a valve that like that Valve 35 acts to be adjusted.
  • gas can be cooled below the cooling water temperature T k by an entropy transformer with 2 working volumes.
  • the driven fan 14 is replaced by an engine described above, the hot gas being taken up by the working volume which can be assigned to the engine and, at higher pressure, through the outlet valve 49 or 4 into a space of the piping system is delivered, to which a buffering pressure vessel can be connected and from where the gas, possibly after a previous cooling to approx. T k, flows through the valve 49 acting as an inlet valve into the working volume which can be assigned to the refrigerator. From this working volume, the gas cooled under T k flows out through valves 48 and possibly valve 49, which acts like valve 35.
  • the periodic flow through these valves of the two working volumes can be set accordingly. If the movements shown in Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6 I occur simultaneously in a working volume, the buffering pressure vessel can be dimensioned smaller or can be omitted.
  • This combination can also be used as a heat pump to heat a liquid be used.
  • a hot and cold gas quantity is absorbed by a first working volume as described above and released again as a cool gas quantity at higher pressure, and absorbed by a second working volume which it releases as a warm gas quantity at the outlet pressure.
  • the liquid of a heat exchanger or an additional amount of gas was cooled in the second working volume.
  • the gas temperature is changed only relatively slightly, since the gas volume flowing through in one period is significantly larger compared to the size of the partial volume of the working volume between two regenerators. This reduces the irreversibility of gas and heat transfer surfaces of the regenerators.
  • the working volume largely enclosed by a cylinder as the pressure housing 110, the valves 111, 112 and the slidingly sealed piston 113 is divided into partial volumes by cylindrical displacers 114:
  • the working fluid can flow around these displacers 114, the gap between the displacer and the cylinder wall acting as a regenerator, in the direction of the cylinder axis they are 3 to 10 times larger than their maximum length of movement against the pressure housing.
  • cooling lines 115 cool outside the pressure housing.
  • a single displacer 114 acts like one of the corresponding regenerators 36-40 in FIG. 8.
  • the argumentation to Fig. 9 can be adopted directly with a transferable movement sequence.
  • Valves 111 and 112 correspond to valves 49 and 48, respectively.
  • the displacers 114 are driven by a bundle of concentric tubes 109, the tube with the largest diameter slidingly sealing against the piston 113 and any other tube to the two tubes with the next smaller or next larger diameter becomes.
  • the drive can then take place with only a relatively small change in the working volume (up to 10%) by means of the piston 113 by means of a lever construction 117 as in FIG.
  • the corresponding connecting rods of the chain drive described in FIG. 8 can act directly on the corresponding tubes of the tube bundle 109.
  • This machine can also be used for operation with a liquid as a working fluid Working volume can be designed.
  • the working volumes of the entropy transformers in Fig. 22 can be described thermodynamically by the same models that can be connected to Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6 or Fig. 9.
  • the working volume is largely delimited by a pressure housing 128, inlet and outlet valves 130 and 129a, b.
  • the regenerators 131-136 which are stationary relative to the pressure housing, the partition walls 137-141 connected to the regenerators 131-135, walls of the pressure housing and displacers 142-146 slidingly sealed on these walls, delimit partial volumes.
  • the periodic change in size of these partial volumes corresponds to the periodically changed stroke difference of the corresponding regenerators in FIG.
  • the displacers 142-145 can be periodically moved simultaneously.
  • the racks 146-149 attached to these displacers are driven by gears on a shaft 150a.
  • This shaft is sealed by the pressure housing out of the working volume and on it the ends of a chain 150 are wound up or unwound, which is stretched over two sprockets 151 and on which the connecting rod 152 engages such a chain transmission control, which in FIG Regenerator 36 drives.
  • this chain transmission through the shaft 154 driven by an electric motor, another similar chain transmission 155, which moves the displacer 146 in the same way, is connected in such a way that there is a phase shift of approximately a quarter period with the movement of the other displacers.
  • each of the displacers 142-145 in FIG. 22 adjoins one of the partial volumes between two of the regenerators 131-135 and the partial volume adjacent to the cooler 156.
  • the displacers 142-145 may practically no longer be flowed around, otherwise the desired balance will not be formed.
  • the displacers have slots in the region which is inserted between two regenerators, from one regenerator to the other and in the stroke direction , The resulting dead volume can have a very unfavorable effect in some applications.
  • Another valve 129 can be used like valve 35 in FIG.
  • FIG. 22 As shown in FIG. 8, the construction of FIG. 22 as an engine, Chiller, heat pump, ... are trained or used.
  • the construction shown in Fig. 22 is modified as shown in Fig. 23.
  • the displacement pistons are designed as a vibrating liquid column with a float in a U-shaped container.
  • the movement of the liquid displacement piston is controlled and driven by a belt 159 which is tensioned on a shaft 158 and which is attached to the float 157. Since the liquid displacement pistons perform largely the same periodic movements, as explained for FIG. 22 with FIG. 9, several of the liquid displacement pistons corresponding to the displacement pistons 142-145 can also be driven from a shaft 158 corresponding to 150 a in the operating state with this construction.
  • the periodic movement of this shaft 158 can be controlled and / or driven as described in FIG. 22.
  • each of the regenerators 131-134 in FIG. 22 must be provided with a heat exchanger on the same side with regard to the flow as in regenerator 135. The liquid can then flow through these heat exchangers in sequence and thereby exchange thermal energy at several temperature levels (see Fig. 3).
  • the thermal energy given off by the exhaust gas of a gasoline or diesel engine during cooling can be used to generate additional mechanical or electrical energy or to charge the engine with filtered fresh air at a higher pressure, thereby avoiding the need to use mechanical energy for a turbocharger or compressor. whereby, compared to an engine without this supercharging, a better output volume and in any case a better efficiency can be achieved. Compared to an engine without charging, a cheaper engine power volume with an improved efficiency is possible, since when the engine is charged by a compressor or turbocharger, the compression of the air takes place with a less efficient efficiency. Further synergy effects are achieved in that no turbine and no additional generator are required to convert the energy of the compressed air into electrical energy.
  • the thermal energy emitted by the exhaust gas of a gas turbine during cooling can be used to supply the cool gas with filtered, cool fresh air at higher pressure.
  • the compressor of the gas turbine used can be designed so that it requires less drive energy with unchanged pressure in the combustion chamber and with unchanged gas flow, which leads directly to a greater useful output with the same fuel consumption and better efficiency.
  • the efficiency in this case is greater due to a synergy effect than the sum of the efficiency of the original gas turbine and the efficiency of the thermal compressor (gas compressor), since the power applied by the thermal compressor for gas partial compression from the original compressor of the gas turbine only with less favorable Efficiency can be achieved, driven by the branching of mechanical shaft power. Possibly. it is also possible to use a conventional gas turbine.
  • a relative pressure increase in the gas turbine can then be expected, which decreases continuously from the fresh air inlet to the exhaust gas outlet, as a result of which the power density and efficiency are increased.
  • the area of the regenerators 274 - 277 through which flow is required must be increased accordingly.
  • the stationary regenerators 274-277 are folded several times at a substantially constant distance along parallels 278 and enclose at least one disk-shaped displacer element 279, which is periodically moved parallel to it, up to the area of the central axis of the displacer element parallel to the folded edges on both sides.
  • the other half of the displacement element is surrounded by the adjacent regenerator.
  • the folded edges of the regenerator are accordingly on concentric circles.
  • At least one of the regenerators is optionally available with one in the stroke direction movable hydraulic or pneumatic pistons or diaphragm bellows connected by Liquid or gas from the room around the corresponding work area removed liquid surface of the coupled vibrating liquid column is filled or filled via control valves.
  • two-part displacement structure is necessary to be able to realize the movement either by means of a rod or a tensioned tension element (such as a rope or chain) a flexible connection from an endless traction element like a closed chain or toothed belt, tapped, which non-positively over several, with relative even angular speed rotating wheels is so tense that the angle between the two elements in time periods of the operating state in which the driven element in the working space (regenerator, displacer) only slightly should be moved about 90 ° and the smaller the faster the movement of the driven element in the work space.
  • a tensioned tension element such as a rope or chain
  • a pipeline system with negative pressure like the boiler via a heater is coupled to the inlet valve of a heat engine according to the invention. This system is used as a vacuum cleaner.
  • each regenerator is connected to a sheet metal cylinder jacket 285 or a comparable jacket of a pointed truncated cone, which is continuously immersed in a liquid 286 at the lower end and thus prevents flow around the regenerator during stroke movements parallel to the cylinder axis of the sheet metal jacket.
  • Truncated cones which become narrower at the top, are favorable and unproblematic as a shape for the sealing element 285 immersed in the liquid and the side housing 280, since the upper region is expanded due to the temperature increase.
  • the cone-obtuse angle must be relatively acute so that the gap between two sealing elements 285 does not widen too much when they are moved apart, since irreversible processes take place in this gap due to the heat transfer.
  • Concentric tubes 286 are used to drive and guide the regenerators and sealing cylinders, which are guided on an unmoved tube 287 on the common axis of the cylinders and are connected to the regenerators 281-285 in the region of the cone tips.
  • the tubes 286 are provided with at least one slot in the axial direction, through which the internal tubes are connected to the corresponding regenerators 281-284.
  • the tubes 287 protrude decisively upwards over the uppermost regenerator 281 into a special bulge 288 of the work space enclosed by the housing and are slidably guided there on an unmoved tube 287.
  • Below the liquid surface 288, the cylinders 285 are also each connected to one of the tubes 286, which are also slidably guided in this area.
  • the space between the liquid surface 288 and the lowermost regenerator 284 at its lowest position in the operating state is largely filled by an at least two-part displacer structure 289, which is moved apart during an upward movement and releases flow channels for the working gas at the separating surfaces which run at an angle to the direction of movement.
  • This displacer structure 289 is also guided in the region of the cylinder axis and either moved via a separate drive or by springs between the regenerator 284 and individual displacement elements and a spring-loaded stop for the stop at the liquid interface 288. If, alternatively, this displacer 289 is permanently connected in one piece form to the lowest regenerator 284, then two parts have to be moved less.
  • the heat exchanger 290 is either attached directly below the lowermost regenerator 284 and flows through a heat exchange medium, or it is attached to the cylinder 285 and / or the corresponding pipe 286 with the lowest regenerator 284 and immersed in the lowest position in the liquid 286, whereby the heat energy is exchanged, which is compensated for in continuous operation by a stationary heat exchanger, which is connected, for example, to the hot water supply of the building.
  • Working gas is exchanged periodically by at least one valve 291 in the housing above the uppermost regenerator 281.
  • This exchange is compensated for by the exchange of working gas, which takes place from the partial space above the lowermost regenerator 284 through at least one piercing tube attached directly to one end in the stroke direction, which is always immersed in the liquid 286.
  • a tube 293, which projects beyond the liquid level 288 and from which the gas exchange takes place through at least one valve 294, is arranged in a concentric manner in a sealed manner with the housing.
  • Intermediate levers are movably attached to a plurality of regenerators 281 - 284 or elements rigidly connected to them, which are each movably connected at the other end to different locations of at least one further main lever, which is movably connected either directly or via a lever to the housing.
  • the top regenerator 281 directly or indirectly movably engages the main lever at a location that is closest to the location where the direct or indirect movable connection to the housing occurs.
  • the mirror symmetry of this lifting arrangement to a plane in which the stroke direction lies also means that no lateral forces are transmitted to the regenerator structure, in particular if the lever arrangement takes place below the centroids.
  • One of the lowest regenerators is movably connected via connecting rods 298 to two driven crankshafts 299, which are arranged and moved mirror-symmetrically to a plane in which the stationary guide element 287 lies in the stroke direction.
  • Lower regenerative forces relative to the stroke direction which would have to be absorbed by the guides 300 and lead to additional wear, are transmitted to the regenerator arrangement 281-285, in particular if the connecting rods 298 run below the center of gravity of the regenerators 281-284 Masses are attached to the crankshaft 299 opposite the connecting rod bearing, which at least partially compensate for the weight of the regenerator arrangement due to their weight.
  • regenerators are at least each movably connected to one of the connecting rods, which are supported at the other ends on axles of at least one crankshaft, all of which can be cut by a line through the axis of rotation of the crankshaft parallel to it, whereby the bearing for a connecting rod of the lowest regenerator is furthest from the axis of rotation of the crankshaft and the bearing of the highest regenerator is closest.
  • At least one regenerator is driven with a phase shift of a quarter (25%) of a period in relation to the change in volume.
  • work area work volume
  • the periodic intake takes place and when operating as a heat pump or refrigeration machine, the working fluid is periodically released through a valve 291, which is activated in the work area adjoins a partial space 301 with constant volume, which is completely enclosed by two regenerators 302-303, one of these regenerators 302 being relatively directly adjacent to the housing.
  • At least one guide element in the stroke direction 287 is at least partially designed as a threaded rod or recirculating ball screw, and by means of an element engaging therein, at least one regenerator connected to it is moved in the lifting direction by rotating the threaded rod or Kubelumlspindel.
  • the threaded rod or ball screw has areas with different pitches, in which the connecting elements of the regenerators moving at different speeds engage, so that when the threaded rod or ball screw rotates at different speeds they are moved in the stroke direction, so the number of movable Parts can be significantly reduced.
  • a heat engine according to the invention can thus be constructed with only five moving parts and the necessary valves.
  • the regenerators are periodically moved up and down in the direction of stroke when the ball screw rotates at a constant speed, or at least one threaded rod or ball screw is rotated periodically in different directions by using a cube screw and interlocking connecting elements, each with a closed, intersecting threaded path either by a mechanical control system or directly by an appropriately controlled motor
  • the bottom regenerator engages in a ball screw with a closed path and at least a part of the other regenerators in rather ordinary thread paths whose paths are not closed. This prevents the bottom regenerator from hitting the liquid surface.
  • the guide tube is flowed through periodically or continuously in the middle of working gas from the coolest part.
  • a radial fan is connected to the pipe with thread or ball screw and the pipe in this area is opened laterally as well as in the coolest part on the other side of the pipe center.
  • a separate pipeline for working gas leads from the space adjacent to one opening of the guide tube to the space adjacent to the other opening in the area of the liquid surface.
  • a tube 306 is stirred in the stroke direction with an opening above the liquid surface 288 from the housing 280.
  • the other end of the coupled pipe 304 of the periodically resonating liquid column 305 is connected to a pressure vessel 306.
  • a valve 312 is attached to the connection from the working space to the tube with the vibrating liquid column, which has a stop in the flow direction to the working space, against which the valve plate 313 is pressed in a sealed manner as soon as the liquid column has moved too far in the direction of the working space.
  • this valve is closed, the excess pressure which builds up in front of it can pass through a pressure relief valve leading from this space 308 to the pipe system of the vibrating water column and a special pipe (into the pressure vessel) to the other end 309 of the vibrating liquid column 305.
  • Another pressure relief valve 315 coupled to the same space 308, leads to an external container 316 instead of the pressure vessel 309.
  • the liquid level in this container is kept constant at the highest possible level. It is connected to a further check valve with one end of the pipe system around the vibrating water column, through which a small amount of the liquid can flow back again in certain time periods.
  • a tube 295a extending in the stroke direction is fastened to the lowest periodically moving regenerator, into which gas can flow in and out unhindered from the part space above it and the bottom end of which is always immersed in the liquid.
  • a pipe 295b is arranged concentrically in this pipe 295a, sealingly connected to the housing, the upper edge of which corresponds to the height of the maximum liquid surface 288 applied to the sealing cylinder 285 of the regenerator and that in an area in the working space above the safety valve 313 at the access to the vibrating water column 305 leads from which the possibly overflowing liquid reaches the liquid of the vibrating liquid column 305.
  • a tube 299, the upper edge of which ends in the lowermost subspace at the level of the desired liquid surface 288 in the working space, is connected as far as possible to the previously described tube 295, which leads to the vibrating liquid column 305.
  • a porous structure 297 is integrated from the confluence into the previously described pipe system, which cannot be flowed around.
  • a valve supplies the machine with a certain amount (eg 3l) of liquid each time the machine is rigid. The rest of the management of the different amounts of liquid in the machine is done automatically with the construction described above and the functional relationships.
  • the pressure vessel can optionally be replaced by another work space, in which the thermodynamic cycle with an identical period by half Period is staggered
  • a bulk material storage works well thermodynamically and becomes bearable Effort built up by flowing through the heat transfer medium (e.g. air) Bulk material 348 through at least one insulating, non-flowable intermediate layer 349 in concentric shells with cylindrical mantle with vertical axis and after outside vaulted floor and top surfaces is divided and the flowable Transitions 350 from an inner, filled with Schürgut to the adjacent outer shell through openings in the insulating cylinder jacket 349, which are arranged on both sides in the area of a plane through the cylinder axis and the flow through non-flow bores running in the area of this plane Connections are made so that the shells only in one direction of rotation can flow through the vertical cylinder axis.
  • the heat transfer medium e.g. air
  • a transition between two half-shells filled with bulk material is only possible when flowing through a vertical shaft 351, via which the heat transfer medium can also be exchanged.
  • the flow can be controlled by reducing the inflow channel in places so that only heat transfer medium flows in a narrow temperature range in the shaft.
  • One of the outermost insulation layers 352 becomes a bed layer flowed through others. This creates a decisive curvature of the Temperature profile out, which due to the smaller slope on the cooler Side only a lower loss of heat energy flow than without the flow through the temperature gradient occurs.
  • the bulk material storage becomes hot when it cools down Incoming and coolly flowing air heated to well over 100 ° C and the Bulk storage is removed a few weeks later by air, which flows into the outer storage area at approx. 50 ° C and through one of the Air channels at 120 ° C - 150 ° C is removed and then cooled by a heat exchanger, which heats water from approx. 40 ° C to 100 ° C isolated water storage in the lower area and in the upper area is fed.
  • the waste heat from the heat engine operated as a hot gas engine is used in houses to supply energy for heating and hot water.
  • a memory is interposed to decouple the operation of the machine from the heat requirement.
  • a high synergy effect is achieved if the storage is not filled with pure water, but with organic waste and faeces. Especially when seasonal heat storage is sought, the faeces in the summer are too hot for decomposition reactions or the generation of biogas to take place to a significant extent. This effect is used in a similar way when preserving fruit. If this storage facility is cooled in late autumn or winter, biogas production can begin. This not only saves heat energy seasonally, it also indirectly stores biogas

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Description

Problem:
Beim Transfer von Entropie wie z.B. bei der Nutzung von Sonnenenergie oder Wärmequellen, wie z.B. die Verbrennung von Biomasse, Abwärme oder Geothermie, für eine bedarfsgerechte lokale Versorgung für Pumpleistung, mechanischen Antrieb, elektrische Energie, Wärmebereitstellung, Kälteerzeugung, Reinigung oder Trennung, chemische oder physikalische Veränderung zumindest einer Substanz durch die Kopplung mit einem periodisch ablaufenden thermodynamischen Kreisprozeß
zu erreichen, daß der notwendige Aufwand an Energieträgern oder mechanischer Energie sowie der konstruktive, technologische, ökonomische oder ökologische Aufwand für
  • den Aufbau der gesamten Vorrichtung oder den Betriebsablauf des gesamten Verfahrens,
  • den dabei notwendigen thermischen oder mechanischen Energietransport(en),
  • die dabei verwendbare(n) Verfahren oder Vorrichtungen zur mechanischen Energieumwandlung oder
  • eine integrierbare Energiespeicherung
möglichst gering werden kann.
Die bisher verwendeten thermodynamischen Kreisprozesse (Stirlingmotor, Dampfturbine) sind jeweils an zwei Wärmebäder mit konstanter Temperatur angekoppelt.
Dadurch kann ein Energietransport nur optisch (bei Parabolspiegel oder Lichtleiter) oder über einen Materiefluß mit einem Phasenübergang (Heatpipe) erfolgen.
Gespeichert werden kann die thermischen Energie aufgrund des angestrebten isothermen Austausches von Wärmeenergie nur in chemischen Speichern oder in Latentwärmespeichern.
Dadurch wird der Aufwand für die Konzentration der Energie durch den Kollektor, den Transport und eine für viele Anwendungen wünschenswerte Speicherung zu oft zu groß.
Wenn mit möglichst geringem apparativem Aufwand z.B. eine direkte Versorgung mit Kälte oder Druckluft angestrebt wird, so muß bei vielen bekannten Systemen der Weg über die Schnittstelle elektrischer Strom gewählt werden.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die zentrale Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und/oder bei einer Vorrichtung zum Transfer von Entropie wie bei der Nutzung von Sonnenenergie oder Wärmequellen, wie z.B. die Verbrennung von Biomasse, Abwärme oder Geothermie, zur bedarfsgerechten lokalen Versorgung für Pumpleistung, mechanischen Antrieb, elektrische Energie, Wärmebereitstellung, Kälteerzeugung, Reinigung oder Trennung, chemische oder physikalische Veränderung zumindest einer Substanz
durch die Kopplung mit einem periodisch ablaufenden thermodynamischen Kreisprozeß, dessen Wirkungsgrad möglichst hoch ist,
zu erreichen, daß der notwendige Aufwand an Energieträgern oder mechanischer Energie sowie der konstruktive, technologische, ökonomische oder ökologische Aufwand für
  • den Aufbau der gesamten Vorrichtung oder den Betriebsablauf des gesamten Verfahrens,
  • den dabei notwendigen thermischen oder mechanischen Energietransport(en),
  • die dabei verwendbaren Verfahren oder Vorrichtungen zur mechanischen Energieumwandlung oder
  • eine integrierbare Energiespeicherung
möglichst gering werden kann. Wesen der Erfindung
Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Transfer von Entropie bei dem gegen andere Räume oder die Umgebung durch zumindest ein Ventil und zumindest ein Druckgehäuse wahlweise ohne oder mit mechanischer Kompressionseinrichtung, wie z.B. einen oder mehrere Kolben, Flüssigkeitskolben oder Membrane, und wahlweise zumindest eine Flüssigkeitsgrenzfläche oder keine zumindest ein mit Arbeitsfluid gefülltes Arbeitsvolumen weitgehend eingegrenzt wird, in dem
  • jeweils zumindest zwei gegeneinander abgrenzbare, vom Arbeitsfluid in einer Periode mit maximaler Menge zu durchströmende Strukturen oder Bauteile mit für den thermodynamischen Prozeß notwendig wirksamen Wärmeübergangsflächen, in welchen im Betriebszustand jeweils vom Arbeitsfluid zu durchströmende isotherme Flächen unterschiedlicher Temperatur ausgebildet werden,
  • wahlweise zumindest ein oder kein dazwischen verbindend angeordnetes und weitgehend abdichtendes oder mit der Wirkung eines Regenerators ausgestattetes Element oder Bauteil wie z.B. eine (faltbare) Membrane, gefaltete, teleskopartige oder federnde Bleche, eine formveränderbare Regeneratorstruktur oder eine Flüssigkeitsgrenzfläche
  • oder wenigstens ein oder kein in diesem Arbeitsvolumen bewegbarer Verdrängerkolben
  • und die Begrenzung des Arbeitsfluids
zumindest ein Teilvolumen mit minimaler Größe weitgehend überschneidungsfrei zu Vergleichbarem abgrenzen und zum Teil durch daran angreifende Elemente des Steuersystems zu Bewegungen veranlaßt werden, durch die das Verhältnis von diesem Teilvolumen zu diesem Arbeitsvolumen überwiegend in den Zeitperioden des periodisch ablaufenden thermodynamischen Kreisprozesses entweder vergrößert oder verkleinert wird, während denen dieses Arbeitsvolumen nur geringer in der Größe verändert wird und je nach Druck des Arbeitsfluids in diesem Arbeitsvolumen jeweils zumindest ein bestimmtes Ventil , dessen Öffnungs- und Schließzeitpunkt den thermodynamischen Kreisprozeß entscheidend beeinflußt und welches dieses Arbeitsvolumen gegen zumindest einen äußeren Raum abgrenzen kann, welcher angefüllt ist mit zumindest einem Arbeitsmittel bei teilweise unterschiedlichen, relativ zur periodischen Druckänderung in diesem Arbeitsvolumen während diesen Zeitperioden nur geringen Schwankungen unterworfenen Drücken, vom Steuersystem oder dem Strömungsdruck überwiegend (in den oben charakterisierten Zeitperioden) offen gehalten und durchströmt wird, welches (Ventile) während zwischen diesen Zeitperioden ablaufenden anderen Zeitperjoden geschlossen gehalten wird, in denen der Druck des Arbeitsfluids in diesem Arbeitsvolumen durch die Verschiebung der oben genannten oder weiteren Komponenten oder Bauteile durch das Steuersystem und der dadurch verursachten Veränderung der mittleren Temperatur des Arbeitsfluids in diesem Arbeitsvolumen und/oder durch eine Veränderung der Größe dieses Arbeitsvolumens durch die mechanische Kompressionseinrichtung entweder steigt oder fällt und das Verhältnis jedes wie oben definierten Teilvolumens zu diesem Arbeitsvolumen nur in entscheidend geringerem Umfang verändert wird, wobei während einem relativ zur Periodendauer viel längeren Zeitintervall entweder eine Wärmeenergieaufnahme oder -abgabe zumindest einer Substanz eines kontinuierlichen oder periodisch an- und abschwellenden Massenstroms bei gleitender Temperatur oder bei mehreren Temperaturniveaus erfolgt und in diesem Arbeitsvolumen zumindest ein Arbeitsmittel zumindest teilweise als Arbeitsfluid wirkt, das den periodischen thermodynamischen Kreisprozeß durchläuft.
Dem gesamten Kreisprozeß in einem Arbeitsvolumen können mehrere parallel ablaufende Kreisprozesse zwischen je zwei Wärmereservoirs mit, bei vertretbarer Idealisierung betrachtet, konstanten Temperaturen zugeordnet werden.
Jedes Wärmereservoir dieser Kreisprozesse kann einem mit Arbeitsfluid gefüllten, wie oben definierten Teilvolumen des Arbeitsvolumens zugeordnet werden.
Zumindest eine Substanz eines kontinuierlichen oder periodisch an- und abschwellenden Massenstroms wird so entweder durch die Aufnahme oder die Abgabe von Wärmeenergie bei einer relativ zur gesamten Temperaturänderung geringeren Temperaturdifferenz beim Kontakt mit den heißeren oder kälteren Wärmereservoirs dieser Kreisprozesse erwärmt oder abgekühlt, wobei sich die Phase oder chemische Zusammensetzung umformen können.
Zur Nutzung der Sonnenenergie wird zumindest einer Substanz eines kontinuierlichen oder periodisch an- und abschwellenden Massenstroms Wärmeenergie bei gleitender Temperatur oder mehreren Temperaturniveaus zugeführt.
Beim Aufbau des integrierbaren Kollektors können aufgrund der Temperaturänderung über ein großes Temperaturintervall die Prinzipien
  • optische Konzentration
  • transluzente Isolation und
  • Durchströmung der transluzenten Isolation
sehr effektiv kombiniert werden.
Die Wärmeenergie kann sehr effektiv und kostengünstig mit einem sensitivem Speicher, der eine große Oberfläche aufweist wie z.B. eine Kiesschüttung, bei einer Durchströmung mit Arbeitsmittel ausgetauscht werden.
Der Wärmeenergietransport kann durch eine Bewegung eines kapazitiven Arbeitsmittels, wie z.B. Luft, erfolgen.
Durch die Druckänderung zumindest eines Arbeitsmittels steht auch die Möglichkeit offen, eine sehr unproblematische Infrastruktur zum Transport der mechanischen Energie oder als Schnittstelle zum einfachen weiteren Transfer bzw. Transformation für konkretere Problemlösungen zu nützen.
Zum Teil werden diese Probleme-bereits in dem Patent DE 3607432 A1 aufgegriffen. In diesem Patent befindet sich eine Darstellung über die theoretischen Grundlagen eines Kreisprozesses. Zitat: Spalte 3, Zeile 45: "Vorliegende Erfindung liefert die Erkenntnisse und praktischen Verfahren, um auch mit einer Wärmezufuhr bei gleitender Temperatur den Carnot-Wirkungsgrad erreichen zu können."
Das Konzept für eine entsprechende Wärmekraftmaschine wurde vom Anmelder des zitierten Patents im Tagungsband der 6th International Stirling Engine Conference 1993 26 - 27 - 28. May in Eindhoven (Netherlands) vorgestellt.
Beim zitierten Patent ist eine physikalische (Phasen-) und/oder chemische Veränderung durch Wärmeenergietransformation über ein breites Temperaturintervall nicht aufgeführt, obwohl diese Probleme auf das selbe Kernproblem zurückgeführt werden können:
Zur Verflüssigung eines Teils eines Gasgemisches muß aufgrund des veränderbaren Verhältnisses der Partialdrücke meistens über ein Temperaturintervall hinweg Wärmeenergie entnommen werden.
Bei der Verdampfung eines Gasgemisches muß dementsprechend über ein Temperaturintervall hinweg bzw. bei mehreren Temperaturen Wärmeenergie zugeführt werden.
Ähnliches gilt auch für einen chemischen Prozeß, bei dem Wärmeenergie bei mehreren Temperaturen oder in einem Temperaturintervall aufgenommen oder abgegeben wird.
Vorteile
Bei den nicht zitierten Vorrichtungen und/oder Verfahren wird die während einer Periode des gesamten Kreisprozesses zum Ausgleich der Energiebilanz zugeführte (verbrauchte) oder abgegebene (gewonnene) mechanische Arbeit zum größten Teil direkt bei der Überführung zumindest einer bestimmten Menge wenigstens einer strömungsfähigen Substanz von einem Speicherraum in einen anderen Speicherraum mit anderem Druck umgesetzt.
Dadurch können andere Systeme oder Verfahren einfach integriert werden.
Direkte Nutzung der Druckänderung z.B. durch Ersetzung eines mechanisch angetriebenen Kompressors oder
Entkopplung der Bewegungen im Arbeitsvolumen von der antreibenden Welle einer Turbine oder eines Kompressors o.ä. , die/der durch den Druckunterschied der (im geschlossenen Kreislauf) strömenden Substanz angetrieben wird oder diesen erzeugt. Dadurch kann z.B. ein Generator mit der üblichen Winkelgeschwindigkeit angetrieben werden und eine Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsfluids in der Größenordnung 1 m/s gegen die Wärmeübergangsflächen und eine entsprechend kleine Temperaturdifferenz bei der Wärmeübertragung erreicht werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt und die am Steuersystem auftretenden Beschleunigungen sowie die Strömungsverluste reduziert.
Dies ermöglicht einen großvolumigen Aufbau bei dem der Druck im Arbeitsvolumen im Bereich des atmosphärischen Drucks liegt und als Arbeitsfluid Luft verwendet wird, wodurch viele Probleme bzgl. Dichtheit entschärft werden und interessante Anwendungen möglich werden. (vgl. Anwendungsbeispiele)
Das zitierte Patent ist, verglichen mit der vorne gewählten abstrakteren Formulierung der Aufgabe, begrenzt auf eine Abkühlung oder Erwärmung eines Heiz- oder Kühlmediums durch den thermischen Kontakt mit Wärmetauschern einer regenerativen Arbeits- oder Wärmekraftmaschine.
Dadurch ist eine Reduktion des konstruktiven oder technologischen Aufwandes für Wärmetauscher oder Regenerator ausgeschlossen, die erfindungsgemäß erreicht wird, wenn die Wärmezufuhr in das Arbeitsvolumen dadurch erfolgt, daß das Heizmedium z.B. als heißes Gas in das Arbeitsvolumen durch Ventile aufgenommen und bei tieferer Temperatur wieder durch Ventil(e) abgegeben wird, wodurch darüberhinaus das tote Volumen des Arbeitsvolumens reduziert werden kann, was erfahrungsgemäß ebenso günstig für das Erreichen eines guten Wirkungsgrades ist, wie eine funktionelle Ersetzung der relativ kleinen Wärmeübergangsfläche des Wärmetauschers durch die sehr viel größere des Regenerators.
Frischluft kann bei atmosphärischem Druck durch eines der Ventile in das Arbeitsvolumen einströmen, wodurch bei einigen Anwendungen entscheidende Synergieeffekte erzielt werden können.
So kann z.B. in ein Arbeirsvolumen heiße Luft aufgenommen und als kühlere Luft in einen Raum mit höherem Druck ausgeblasen werden wobei ein Teil der bei der Abkühlung der Luft freigewordenen Wärmeenergie durch den Kühler aufgenommen wurde.
Wenn die heiße Frischluft bei atmosphärischem Druck durch Abgase einer Verbrennungskraftmaschine erwärmt wurde und die kühlere Luft mit höherem Druck dazu verwendet wird, um die Verbrennungskraftmaschine aufzuladen, so sind dabei große Synergieeffekte genutzt. (vgl. Anwendungsbeispiele)
Bei Nutzung der Sonnenenergie können kostengünstige Parabolrinnenspiegel verwendet werden, da durch die solare Einstrahlung das Arbeitsmittel Luft erhitzt werden kann und so keine Umwelt- und Entsorgungsprobeme durch austretendes Thermoöl auftreten und auch kein weit verzweigtes Absorber- Rohrleitungssystem zur Hochdruck - Dampferzeugung aufgebaut werden muß, wodurch der thermische Energietransport wesentlich unproblematischer wird.
Darüber hinaus können die Erwärmung des Arbeitsmittels über ein großes Temperaturintervall (z.B. 200°C bis 500°C) dazu genützt werden, mit relativ geringem Aufwand eine höhere Endtemperatur des Arheirsmitrels heim Erhitzen im Absorber des Kollektors zu erreichen.
Dazu können die Prinzipien optische Konzentration, transluzente Isolation und Durchströmung der transluzenten Isolation sehr effektiv kombiniert werden.
Die Einbindung eines unproblematischen Speichers aus kostengünstigen Materialien ermöglicht bei entsprechender Dimensionierung sogar die saisonale Speicherung der Sonnenstrahlung über mehrere Monate.
Dadurch wird eine kostengünstige Insellösung möglich wie z.B. die Versorgung eines abgelegenen Dorfes oder einer Krankenstation.
Prinzip des verwendeten Kreisprozesses
Die Ausbildung des Temperaturfeldes im Arbeitsvolumen z.B. bei der Verwendung nur eines Wärmetauschers und der Ablauf eines gesamten Kreisprozesses kann zusammen mit der Aufgabe zugrundeliegenden Problematik durch die folgenden, spezielle Anwendungen betreffenden Ausführungen leichter verstanden werden.
Anwendung des Erfindungsprinzips
Die in Fig.1 dargestellte Vorrichtung kann unter anderem als thermischer Gasverdichter (mit der integrierten Wirkung als Kraftmaschine) arbeiten und bildet aufgrund des einfachen Aufbaus und der relativ einfach möglichen theoretischen Beschreibung des Kreisprozesses eine gute Ausgangsbasis zum Verständnis der komplexeren ebenfalls auf dem Erfindungsprinzip basierenden Maschinen, Vorrichtungen oder Verfahren.
Aufbau
Durch einen Arbeitszylinder als Druckgehäuse 1, einen gleitend gedichteten Kolben 2, Einlaß- und Auslaßventile 3 bzw. 4, wird ein mit Gas als Arbeitsfluid gefülltes Arbeitsvolumen weitgehend eingeschlossen.
In diesem Arbeitsvolumen wird gegen die Zylinderwand 5 gleitend gedichtet ein Rahmen 6 bewegt, auf dem ein Wärmetauscher 7 und ein in der Struktur oder Größe unveränderbarer Regenerator 8 so angebracht sind, daß sie vom Gas durchströmt werden müssen.
Durch federnde Abstandshalter 9 wird zwischen diesem Regenerator 8 und einer von einem Faltenbalg 10 mit umschlossenen, als Regenerator wirkenden reversibel zusammen- und auseinandergehenden Struktur 11, welche aus einem feinen ( 40 - 80 ppi) Schaumstoff besteht oder diesem bzgl. Homogenität oder Zwischenräume nahe kommt, (z.B. mehrere nebeneinander senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnete Lagen aus geprägtem oder gebogenem Metallgewebe) über die gesamte Zylinderfläche ein Strömungskanal 12 gebildet, durch den das Gas vorbei an der Struktur 11 durch das geöffnete Ausgangsventil 4 des Arheitsvolumens und ein Teil 13 des Rohrleitunsssystems zum Ventilator 14 gelangen kann.
Vom Ventilator kann dieses Gas durch einen Teil 15 des Rohrleitungssystems und einen zu durchströmenden Regenerator 16 in einen Reserveraum 17 einströmen, der von einem Faltenbalg umschlossen wird.
Vom Ventilator 14 oder aus diesem Reserveraum 17 kann das Gas nach der Erhitzung in einem (Gegenstrom-) Wärmetauscher 18 durch ein Teil des Rohrleitungssystems 19 durch die Einlaßventile 3 in das Arbeitsvolumen gelangen.
Zur Pufferung der Druckschwankungen wird, vor den Ventilator (Turbine) 14 ein Drucktank 20 an das Rohrleitungssystem bei 13 angeschlossen.
Der Kolben 2 und der Rahmen 6 werden durch Hydraulikkolben 21, 22, 23 so periodisch bewegt, wie es in Fig.4 Fig.5, Fig.6 oder der anschließenden Beschreibung des Kreisprozesses charakterisiert ist.
Durch die Hydraulikzylinder 21 und 22 wird der Kolben 2 bzgl, der Hubrichtung in der Orientierung stabilisiert.
Das Antriebsrohr 24 des Rahmens 6 wird durch den Kolben 2 in Hubrichtung durch Dichtungen aus dem Arbeitsvolumen geführt. In diesem Antriebsrohr verlaufen zwei Rohre für das Kühlwasser und sind so gegen die Innenwand des Antriebsrohres abgedichtet, daß zwischen Arbeitsvolumen und Umgebung kein den Kreisprozeß störend beeinflussender Gasaustausch stattfinden kann.
Bewegliche Schläuche 25, 26 verbinden diese Rohre mit festen Anschlüssen 27, 28 eines gekühlten Wasserreservoires, so daß das Kühlwasser in geschlossenem Kreislauf zirkulieren kann.
Die Flüssigkeit im Wärmetauscher 7 sollte gegenüber dem Arbeitsvolumen immer einen niedrigeren Druck aufweisen, so daß keine Flüssigkeit in das Arbeitsvolumen gedrückt wird, was zu gefährlichen plötzlichen Dampfentwicklungen führen könnte, sondern die Flüssigkeit im Wärmetauscher durch einströmendes Arbeitsfluid verdrängt wird.
Wenn das heiße abzukühlende Gas direkt bei 19 in das Rohrleitungssystem der Vorrichtung zum Transfer von Entropie (vgl. Fig1) eingebracht und bei 15 wieder entnommen wird, so können die Verluste und der konstruktive Aufwand des Wärmetauscher 18 entfallen.
Die Hydraulikkolben 21, 22 und 23 tauschen über ein gesteuertes Ventilsystem 29 des Steuersystems über eine Hydraulikpumpe 30 mit einem Schwungrad 31 und einer als Elektromotor und/oder Generator wirkenden Komponente 32 mechanische Leistung aus.
Vom Teil des Rohrleitungssystem 19 zum Strömungskanal 12 kann durch ein Ventil 33 wahlweise angetrieben durch einen Ventilator 34 oder nicht durch ein weiteres Ventil 35 Arbeitsfluid ausgetauscht werden.
Das Ventil 33 bleibt vorerst geschlossen.
Im Folgenden wird von der vertretbaren, vereinfachenden Annahme ausgesangen, daß das Arbeitsfluid als ideales Gas im kühlsten Teilvolumen immer die Temperatur Tk hat, d.h. es laufen dort nur isotherme Prozesse ab.
Ermittlung der maximal möglichen Abgabe von Arbeit durch ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei der durch Kopplung mit einem Kreisprozeß eine Gasmenge der Masse mA über ein Temperaturintervall von T1 nach T2 abgekühlt wird.
Bei der Abkühlung des Gases von T + dT auf T wird die Wärmeenergie dQ = mA * Cp * dT [a1] abgegeben. Wird von einem bei Tk gekühlten Kreisprozeß diese Wärmeenergie isotherm bei der Temperatur T aufgenommen, so kann damit maximal die Arbeit dW = η -dQ η = 1 - Tk/T : Carnot - Wirkungsgrad verrichtet werden.
Bei einer Abkühlung des Gases von T1 auf T2 kann dementsprechend die Arbeit
Figure 00100001
verrichtet werden.
W kann [nach Stephan, Karl: Thermodynamik Grundlagen und technische Anwendungen; Band 1 Einstoffsysteme; 14. Aufl.; 1992 Springer-Verlag S. 177 ff] als die Exergie der Wärmeenergie bezeichnet werden, welche dem Gas beim Abkühlen von T1 auf T2 entnommen wurde, wenn die Kühlertemperatur Tk gleichgesetzt wird mit der Umgebungstemperatur Tu.
Figure 00100002
Die schraffierte Fläche unter der Kurve von ηc[Tk] (T) in Fig.2 ist proportional zu dieser Arbeit W.
Dabei wird dem Kreisprozeß die Wärmeenergie Q = mA - cp - (T1-T2) zugeführt
Für den Gesamtwirkungsgrad dieses Kreisprozesses ergibt sich daraus:
Figure 00100003
Wird dem Gas die Wärmeenergie durch den thermischen Kontakt mit vier idealen Wärmetauschern bei den Temperaturen T1.25, T1.5, T1.75, T2 (vgl. Fig.3) isotherm entnommen, so wird die oben aufgezeigte Exergie um W_auf die maximal nutzbare Energie W reduziert.
Dies ist in Fig.3 dargestellt. Die formale Beschreibung und die Interpretation ergibt sich aus dem Vergleich mit denen zu Fig.2
Kreisprozeß, den das Gas in der Vorrichtung zu Fig.1 durchläuft
Der Bewegungsablauf ist bestimmt durch das Steuersystem und grob und für die folgende Analyse ausreichend in Fig.4, Fig.5, Fig.6 I dargestellt.
Mit der später detaillierter bestätigten Annahme, daß das Regeneratorsystem 11 im Gleichgewichts- Betriebszustand ein Temperaturprofil aufweist, dessen mittlere Temperatur Tmg bedeutend über der Kühlertemperatur Tk liegt, ergibt sich daraus direkt der zeitliche Verlauf der mittleren Temperatur im Arbeitsvolumen Tm(t) und ist in Fig.4, Fig.5, Fig.6 II qualitativ dargestellt. Aufgrund des Reserveraums 17 entspricht der Druck P0 in dem Teil des Rohrleitungssystems 19 vor den Einlaßventilen atmosphärischem Druck.
Der Ventilator 14 soll so arbeiten, daß im Raum 13 des Rohrleitungssystems angrenzend an das Auslaßventil 4 der Druck P1 nur gering relativ zur Druckdifferenz P1 - P2 verändert wird.
Die Ventile 3 und 4 werden durch den (Strömungs-) Druck des Gases geöffnet oder geschlossen.
Bei der entsprechenden Verringerung des Arbeitsvolumens von Va zu Vb durch die Bewegung des Kolbens 2 in der Zeitperiode a-b-c wird der Druck erhöht, da die Ein-3 und Auslaßventile 4 aufgrund des relativ zu P0 größeren aber relativ zu P1 geringeren Drucks P(t) im Arbeitsvolumen geschlossen sind.
Bei der angenommenen isothermen Kompression in der Zeitperiode a-b-c wird vom kühlen Gas im Arbeitsvolumen bei der Temperatur Tk
die Wärmeenergie
Figure 00110001
an den Kühler abgegeben.
An dem Kolben muß durch das Steuersystem in dieser Zeitperiode die Arbeit Wabc = -Qabc geleistet werden.
Dieser Arbeit Wabc entspricht eine in Fig. 7 schraffiert eingezeichnete Fläche.
In der Zeitperiode c-d-e wird bei konstantem Arheitsvolumen durch eine Verschiebung des Rahmens 6 mit Kühler 7 und Regenerator 8 das kühlste Teilvolumen kleiner, was zu einem Anstieg der mittleren Temperatur des Gases im Arbeitsvolumen führt. Sobald der Druck P(t) im Arbeitsvolumen am Anfang dieser Zeitperiode etwas über den Druck P1 auf der anderen Seite des Auslaßventils 4 steigt, wird dieses Ventil geöffnet und die mit dem Anstieg der mittleren Temperatur verbundene Ausdehnung des Gases bewirkt, daß eine Gasmenge der Masse mA aus dem Arbeitsvolumen durch das Auslaßventil ausströmt, im Ventilator 14 adiabatisch expandiert wird und dabei die Arbeit Wnutz verrichtet, welche in Fig.7 einer Fläche entspricht.
Es gilt:
Figure 00110002
Bemerkung: Bei gegebenem Druckverhältnis P1/P0 ergibt sich T2 unabhängig von mA mit Wnutz = Cp * mA * (T1 - T2) * ηges Jedes Volumen V kann durch eine entsprechende evtl. sehr kleine Aufteilung so in Teilvolumina Vi mit
Figure 00120001
aufgeteilt werden, daß für Vi ohne eine effektive Verfälschung der thermodynamischen Beschreibung angesetzt werden kann: P*V i = N i * kB * Ti ; N i = P * 1 kB * 1 Ti * Vi ; kB: Boltzmannkonstante; Ti : Temperatur in Vi ; Ni· Anzahl von Gas-Molekülen in Vi
Mathematische Begründung:
Aufgrund der Wärmeleitung kann von einem stetig differenzierbaren Temperaturfeld ausgegangen werden. vgl. Riemann - Integrale
Es gilt dann allgemein:
Figure 00120002
Anzahl der pro Periode mit dem Arheitsvolumen ausgetauschten Gas-Moleküle:
Figure 00120003
Bemerkung: die Buchstaben im Index z.B. c in Nc kennzeichnen einen in Fig.4, Fig.5, Fig.6 definierten Zeitpunkt des Kreisprozesses.
Bestimmung der Masse der ausgetauschten Gasmenge
Figure 00120004
mc : Masse des Gases im Arbeitsvolumen zum Zeitpunkt c
für die Zeitperiode c-d-e gilt:
Figure 00120005
In der Zeitperiode e-f-g wird das Arbeitsvolumen durch die Kolbenbewegung vergrößert.
Dabei soll das Gas relativ zu den Wärmeübergangsflächen, welche für den thermodynamischen Kreisprozeß notwendig wirksam sind, nicht strömen.
Da in dieser Zeitperiode das Gas im gesamten Arbeitsvolumen in direktem Kontakt mit Wärmeübergantsflächen zu großen Wärmekapazitäten steht, welche für den thermodynamischen Kreisprozeß notwendig wirksam sind und aufgrund deren speziellen Bewegung das Gas relativ dazu nicht bewegt wird, kann diese Zeitperiode des Kreisprozesses durch eine isotherme Expansion beschrieben werden, wobei für die ausgetauschte Wärmeenergie oder Arbeit die selben Formeln gelten, wie für die Zeitperiode a-b-c.
So ist es möglich, diese Energie in einem schwingenden System zu speichern und zur Kompression wieder abzugeben (z.B. durch eine schwingende Wassersäule in einem U-färmiaen Rohr evtl. mit einem als Luftfeder wirkenden Hohlraum als Begrenzung. Für die in der Zeitperiode g-h-a aufgenommene Gasmenge gilt: (vgl. c-d-e)
Figure 00130001
mAgha = mAcde
ma : Masse des Gases im Arbeitsvolumen zum Zeitpunkt a
Der Temperaturverlauf, das Temperaturfeld T(r) in der Vorrichtung zu Fig. 1 In der Zeitperiode e-f-g füllt die weitgehend homogene Regeneratorstruktur 11 mit relativ zum Gas im Arbeitsvolumen sehr großer, im Folgenden als unendlich angenommener Wärmekapazität weitgehend das ganze Arbeitsvolumen aus und das Arbeitsvolumen wird durch die Verschiebung des Kolbens expandiert.
Aufgrund der speziellen Bewegung finden im Arheitsvolumen nur isotherme Prozesse statt.
Ansatz:
Das Arbeitsvolumen sei durch E - 1 senkrecht zum Hub angeordnete Ebenen in E gleich große Teilvolumina aufgeteilt. Aufgrund der Symmetrie ist auf diesen Ebenen die Temperatur im Idealfall konstant.
Der Regenerator-Struktur 11 in jedem dieser Teilvolumina wird durch die isotherme Expansion des Gases die Wärmeenergie Qi = 1/E + Qefg entnommen. i ∈[1;E] Während der Zeitperiode g-h-a wird der Regenerator-Struktur 11 durch die Abkühlung der durch die Einlaßventile 3 einströmenden heißen Gasmenge der Masse mA bei jeder Periode effektiv Energie zugeführt, da dadurch insgesamt eine größere Gasmenge vom heißen in den kälteren Teil der Regeneratorstruktur 11 strömt, als bei der umgekehrten Strömungsrichtung.
Das j-te dieser Teilvolumina werde (vgl. oben ) durch die isothermen Ebenen der Temperatur Tj und Tj+1 begrenzt. Die Gasströmung während einer Periode führt diesem Teilvolumen
die Wärmeenergie Qj = mA * Cp * (Tj - Tj+1) zu.
Für die Ausbildung eines Betriebszustandes im Gleichgewicht muß gelten: Qj=mA*cp*(Tj-Tj+1)=Qi=1/E*Qefg Aus (Tj - Tj+1) = (mA * cp *E)-1 * Qefg folgt für T(r) ein linearer Temperaturverlauf in Hubrichtung.
Sollen in der Anlage bei der Abkühlung des ausgetauschten Gases um eine bestimmte Temperaturdifferenz ein größeres Druckverhältnis P1/P0 erreicht werden, so muß in der Zeitperiode g-h-a die Gasmenge der Masse mB durch ein weiteres (angesteuertes) Auslaßventil 35 aus dem Strömungskanal 12 mit einem Ventilator 34 gesaugt werden, der. im Idealfall durch verstellbare Elemente nur in dieser Zeitperiode die dazu notwendige relativ zu P1 - P0 kleine Druckdifferenz aufbringt. Diese Gasmenge wird dem Raum 15 des Rohrleitungssystems zugeführt.
D.h. offenes Ventil 33.
Wenn vier solche Arbeitsvolumina um 90° phasenverschoben arbeiten, so kann ein handelsüblicher Ventilator gleichmäßig durchlaufen, d.h. nur die Auslaßventile 35 müssen mit etwas Kraft- und Energieaufwand gesteuert werden.
Bei unverändertem T1, T2,P0 wird dadurch die ausgetauschte und abgekühlte Gasmenge mA um mB vergrößert und dem Regeneratorsystem 11 wird während einer Periode eine größere Menge an Wärmeenergie zugeführt.
Diese größere Wärmeenergie wird dem Regeneratorsystem 11 in der Zeitperiode e-f-g während der effektiv isothermen Expansion des Gases von P1 auf P0 wieder teilweise entzogen, wobei ein größeres Druckverhältnis P1/P0 erreicht werden kann und so insgesamt pro Periode mehr Energie umgesetzt wird, wobei die am Regenerator 8 oder am Regeneratorsystem 11 insgesamt ausgetauschte Wärmeenergie wie auch die damit zusammenhängenden thermischen Verluste in einem weit geringerem Verhältnis erhöht werden.
Insgesamt wird dadurch ein besserer Wirkungsgrad erreicht.
Wenn der Massenstrom durch den verstellbaren Ventilator in 3 Stufen (aus, mittel, groß) eingestellt werden kann und die Stufe groß immer beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur durch einen Thermostaten eingeschaltet wird, so kann die Temperatur T2 dadurch mit relativ geringem Aufwand ausreichend bei einem Wert stabilisiert werden.
Einsatz der in Fig.1 charakterisierten Vorrichtung als Kältemaschine
Die in Fig.1 dargestellte Vorrichtung kann auch als Kältemaschine betrieben werden, welche eine Gasmenge über ein großes Temperaturintervall abkühlt.
Dazu muß der dann angetriebene Ventilator ( Turbine) 14 das Gas aus dem Teil des Rohrleitungssystems 19 mit dem Druck P0 in den Teil 13 mit P1 drücken.
Die Strömungsrichtung des Gases wird (im Arbeitsvolumen überall) umgekehrt, der Aufbau der Vorrichtung und der Bewegungsahlauf bleiben wie in Fig. 1 bzw. Fig.4. Fig.5, Fig.6 dargestellt erhalten.
Das Auslaßventil 4 wird zu einem Einlaßventil indem es bei unveränderter Anschlagsrichtung in der Zeitperiode c-d-e z.B. durch eine angreifende mit dem Steuersystem verbundene Feder gegen den Strömungsdruck offengehalten wird.
Das dann mit dem Druck P1 einströmende Gas gibt bei der Abkühlung Wärmeenergie an das Regeneratorsystem 11 ab.
Dem Regeneratorsystem wird während der Zeitperiode e-f-g bei der effektiv isothermen Expansion des Gases (wie vorne heim Gasverdichter; Kraftmaschinen) von P1 auf P0 Wärmeenergie entzogen. Wie vorne bei der Beschreibung der Kraftmaschine gezeigt, wird auch bei der Kältemaschine durch das Zusammenwirken der Teilprozesse in den Zeitperioden c-d-e und e-f-g ein in Hubrichtung lineares Temperaturfeld T (r) in der Regeneratorstruktur 11 ausgebildet, dessen mittlere Temperatur Tm bei der Kältemaschine unter der Kühlertemperatur Tk liegt. (zeitliche Entwicklung von Tm(t) in Fig.4, Fig.5, Fig.6: Ersetze max. Tm(t) durch min. T(t).
Dadurch wird die mittlere Temperatur im Arbeitsvolumen beim Zusammenschieben des Regeneratorsystems 11 in der Zeitperiode g-h-a vergrößert.
Die Einlaßventile der Kraftmaschine 3 können bei der Kältemaschine als Auslaßventile wirken, wenn sie bei unveränderter Anschlagsrichtung in dieser Zeitperiode g-h-a z.B. durch eine angreifende, mit dem Steuersystem verbundene Feder gegen den Strömungsdruck offengehalten werden und Gas aufgrund der Erhöhung der mittleren Temperatur im konstanten Arbeitsvolumen bei konstantem Druck P0 in den Teil des Rohrleitungssystem 19 ausströmt.
Bevor dieses Gas erneut durch den Ventilator (Turbine) verdichtet wird, nimmt es im Wärmetauscher 18 die von der Abkühlung des anderen Gasstromes stammende Wärmeenergie auf.
Wenn das abzukühlende Gas direkt bei 15 in das Rohrleitungssystem der Kältemaschine (vgl. Fig1) eingebracht und bei 19 wieder entnommen wird, so können die Verluste und der konstruktive Aufwand des Wärmetauscher 18 entfallen.
In der Zeitperiode c-d-e wird bei konstantem Arbeitsvolumen die mittlere Temperatur des Gases im Arbeitsvolumen durch die Ausdehnung des Regeneratorsystems 11 erniedrigt, was aufgrund des offengehaltenen Ventils 4 bei konstantem Druck P1 zu einem Einströmen von wärmerem Gas, einer zusätzlichen Wärmeenergiezufuhr an die Regeneratorstruktur 11 und der Schließung des Kreisprozesses führt.
Erreichen einer größeren Temperaturdifferenz T1 - T2 beim Einsatz der in Fig.1 charakterisierten Vorrichtung als Kältemaschine
Die in Fig. 1 dargestellt und bereits als Kraftmaschine beschriebene Vorrichtung kann, wie bereits weitgehend vorne dargestellt, auch als Kältemaschine betrieben werden. Wie bei der Kraftmaschine kann bei offenem Ventil 33 und stehendem Ventilator 34 ein größerer Temperaturunterschied der vom Arbeitsvolumen aufgenommenen und abgegebenen Gasmenge der Masse mA erreicht werden, wenn in der Zeitperiode g-h-a eine Gasmenge der Masse mH durch das in diesem Fall bei gleichem Anschlag als Auslaßventil wirkende Ventil 35 in den Raum 15 ausströmt, welches in dieser Zeitperiode g-h-a durch das Steuersystem gegen den Strömungsdruck offengehalten wird.
Erreichen einer kleineren Temperaturdifferenz T1 - T2 beim Einsatz der in Fig.1 charakterisierten Vorrichtung als Kältemaschine
Die in Figur 1 dargestellte Kraftmaschine kann, wie bereits vorne dargestellt auch als Kältemaschine betrieben werden. Soll wie bei der Kraftmaschine auch bei der Kältemaschine für eine bestimmte Abkühlung mit einer größeren Druckdifferenz P1-P0 gearbeitet werden, so kann dies erreicht werden, wenn in der Zeitperiode g-h-a die Gasmenge der Masse mB durch ein weiteres (angesteuertes) Einlaßventil 35 in den Strömungskanal 12 mit einem Ventilator 34 aus dem Raum 15 eingeblasen wird.
Wirkung als Wärmepumpe
Wenn bei den vorne beschriebenen Kältemaschinen das Steuersystem durch Umkehr aller Bewegungsrichtungen so läuft, daß die bewegten Teile ihre Position gemäß Fig.4, Fig.5, Fig.6 in der umgekehrten Reihenfolge h-g-f-e-d-c-b-a h ändern und Ventilator-Arbeitsrichtungen relativ zu Fig.1 unverändert bleiben, so wirken diese Vorrichtungen als Wärmepumpen, welche das eingeblasene Gas über vergleichbare Temperaturintervalle bei vergleichbaren Druckverhältnissen erwärmen, anstatt abzukühlen.
Der Kreisprozeß beim Einsatz einer Vorrichtung nach Fig.1 als Wärmepumpe
In der Zeitperiode g-f-e wird bei der isothermen Kompression (bei geschlossenen Ventilen) des Gases von P0 auf P1 dem Regeneratorsystem 11 Wärmeenergie zugeführt.
Beim Zusammenschieben des Regeneratorsystems 11 in der Zeitperiode e-d-c wird durch das offengehaltene Ventil 4 von der Turbine Gas der Temperatur TH vom Arbeitsvolumen bei dem Druck P1 aufgenommen, da die mittlere Temperatur abgesenkt wird.
heißes Gas + kühles Gas ergibt warmes Gas mit höherem Druck
Um in ein Arbeitsvolumen zwei Gasmengen der Massen m1, m2 mit den Temperaturen T1, bzw. T2 aufzunehmen und hei einer zwischen T1 und T2 liegenden Temperatur T3 bei höherem Druck wieder abgeben zu können, muß im Vergleich zu den in Fig. 1 dargestellten Entropietransformatoren folgendes abgeändert werden:
  • a.) am Kolben 2 sind Ventile der Art 3 angebracht, durch welche das kalte Gas aus einem relativ zur Änderung des Arbeitsvolumen großen mit dem Zylinder 1 gebildeten Pufferraum in das Arbeitsvolumen einströmen kann. Zwischen diesen Ventilen und dem angetriebenen flachen Rahmen 6 des Regenerators 8 ist ein zu 11 analoges Regeneratorsystem angeordnet. Der Wärmetauscher 7 kann entfallen. Der Bewegungsablauf, sowie die Änderung der mittleren Temperatur Tm(t) oder der Druck im Arbeitsvolumen P(t) entsprechen dennoch weitgehend den qualitativen
    • Darstellungen in Fig.4, Fig.5, Fig.6. In der Zeitperiode g-h-a wird durch die jeweiligen Ventile Gas mit der Temperatur T1, bzw. T2 eingesaugt. Bei einer entsprechenden Einstellung des Verhältnisses der Massen der eingesaugten Gasmengen m1 (T1) und m2, ergibt sich in Hubrichtung ein linearer Temperaturverlauf. Dies müßte sich für den Wirkungsgrad als ideal erweisen.
    Durch Ventile müssen die in das Arbeitsvolumen einströmenden Gasmengen entsprechend reguliert werden.
    Soll das kühlere Gas nur eine geringere Temperaturänderung erfahren, so wird wie vorne beschrieben während dessen Einströmvorgang durch ein weiteres Ventil (vgl. 35) mit einem Ventilator Gas aus dem Arbeitsvolumen gesaugt.
    Zum Strömungskanl 12 kommt ein weiterer spiegelbildlich zum Regenertor 8 angeordneter Strömungskanal für das aus dem Arbeitsvolumen strömende Gas.
    An jeden dieser Strömungskanäle grenzen jeweils die Ventile 4 und 35 bzw. entsprechende Venile an, durch die die Temperaturintervalle für die ausgetauschten Gasmengen über weite Bereiche (vgl. zu Fig.1b, 1c) variiert werden können.
    Insgesamt ist dieser Entropietransformator evtl. einfacher aufzubauen; da kein Wärmetauscher (z.B. Autokühler) notwendig ist.
    Außerdem kann keine plötzliche Dampfentwicklung durch entwichenes Kühlwasser auftreten
    Wie vorne bereits heim Gasverdichter gezeigt, kann auch diese Konstruktion so betrieben werden, daß lauwarmes Gas mit höherem Druck durch eine Turbine in das Arbeitsvolumen gepreßt und dadurch die Strömungsrichtung aber nicht der periodische Bewegungsablauf (vgl. Fig.4, Fig.5, Fig.6) geändert wird und aus dem Arbeitsvolumen heißes und kaltes Gas bei niedrigerem Druck ausströmen.
    Kombination von Kältemaschine und Kraftmaschine
    Steht heißes Gas und kühles Gas oder Kühlwasser der Temperatur Tk zur Verfügung, so kann Gas durch einen Entropietransformator mit 2 Arbeitsvolumina unter die Kühlwassertemperatur Tk abgekühlt werden.
    Im Prinzip wird dazu bei einer der vorne beschriebenen Kältemaschinen der angetriebene Ventilator 14 durch eine der vorne beschriebenen Vorrichtungen mit der Wirkung eines Gasverdichters ersetzt; wobei das heiße Gas vom Arbeitsvolumen, welches dem Gasverdichter zugeordnet werden kann, aufgenommen und bei höherem Druck durch das Auslaßventil 4 dieses Arbeitsvolumens in einen Raum des Rohrleitungssystems abgegeben wird, an den ein pufferndes Druckgefäß angeschlossen sein kann und von wo aus das Gas evtl. nach einer vorherigen Abkühlung auf ca. Tk durch das als Einlaßventil wirkende Ventil 4 in das Arbeitsvolumen einströmt, welches der Kältemaschine zugeordnet werden kann.
    Aus diesem Arbeitsvolumen strömt das unter Tk abgekühlte Gas durch die Ventile 3 und evtl. 35 aus.
    Für die Abstimmung von Druck- und Temperaturdifferenzen können (wie vorne dargestellt), die periodische Durchströmung der Ventile 35 der beiden Arheitsvolumina entsprechend eingestellt werden.
    Laufen in einem Arbeitsvolumen die in Fig.4, Fig.5, Fig.6 I dargestellten Bewegungen simultan ah, so kann das puffernde Druckgefäß kleiner dimensioniert werden, oder entfallen.
    Es ist auch interessant, diese Kombination als Wärmepumpe für Flüssigkeit zu verwenden.
    Weitere interessante Kombinationen dienen der Erhöhung der Heizzahl auf einen Wert über 1.
    So wird von einem ersten Arbeitsvolumen wie vorne beschrieben je eine heiße und kalte Gasmenge aufgenommen und als kühle Gasmenge bei höherem Druck wieder abgegeben und aufgenommen von einem zweiten Arbeitsvolumen, das es als warme Gasmenge beim Ausgangsdruck wieder abgibt. Dabei wurde im zweiten Arbeitsvolumen die Flüssigkeit eines Wärmetauschers oder eine zusätzliche Gasmenge abgekühlt.
    Konstantes Arbeitsvolumen
    Beschriebene Funktion: Teil eines Gasverdichters (Kraftmaschine)
    Das in Fig.8, Fig.9 oder Fig.10 dargestellte Arbeitsvolumen eines Entropietransformators, weist z.B. als Teil einer Kraftmaschine im Vergleich zu dem in Fig.1 oder Fig.4, Fig.5, Fig.6 gezeigten zwei für die Thermodynamik entscheidende Unterschiede auf:
    Erstens wird das Arbeitsvolumen in der Größe nicht verändert.
    Zweitens wirken anstatt des in Fig.1 dargestellten relativ homogenen Regeneratorsystems 11 in dem Arbeitsvolumen zu Fig.8, Fig.9 oder Fig.10 vier diskrete, starr aufgebaute Regeneratoren 36, 37, 38, 39, an welchen wie an den zwei weiteren Regeneratoren 40 und 41 je vier Rohre befestigt sind die jeweils Teil einer der vier konzentrischen Anordnungen von Rohren 42 des Steuersystems sind.
    Diese Komponenten 36 - 41 sowie der Rahmen mit dem als Kühler wirkenden Wärmetauscher 43 sind mit V2A-Abdichtbürsten auf Bronze-Zylinderwandbleche 44 wie auch die Rohre für die Wärmetauscherflüssigkeit 45, 46 so abgedichtet, daß sie im Betriebszustand vom Arbeitsmittel bei minimaler (unter 10%) Verlustströmung zwischen Dichtung und Zylinderwand durchströmt werden.
    Der periodische Bewegungsablauf dieser Komponenten ist qualitativ in Fig.9 I oder Fig. 10 I dargesteilt mit den Bezeichnungen H: für Hub und t: für Zeit.
    Die Regeneratoren sind aus einem unteren V2A-Lochblech mit möglichst geringen Metallflächenanteil mit zur Verstärkung aufgeschweißten, parallel zum Lochblech offenen U-Profilen aus V2A in welche mit V2A-Gewebe (Drahtdurchmeser ca 0,1 mm) umhüllte Metallfasern (Schwerpunkt des Durchmessers bei 40 Mykrometern) eingeschoben sind, die durch ein weiteres Lochblech eingespannt und eingeschlossen sind.
    Die beiden Lochbleche sind durch eine Drahtwicklung dort zusammengehalten, wo die Lochbleche so verformt worden sind, daß die äußeren Flächen dieser Regenerators trotz der Drahtwicklung keine lokale Erhebung aufwiesen.
    Am Rand geht das Lochblech in ein Blech ohne Löcher über, wodurch die Dichtungen gehalten und zu den Metallfasern so abgedichtet werden, daß diese durchströmt werden.
    Ansonsten wird ähnlich wie bei der Kraftmaschine wie zu Fig.1, Fig.4, Fig.5, Fig.6 durch ein Druckgehäuse 47, Einlaß- 48 und Auslaßventile 49 ein mit Gas als Arbeitsfluid gefülltes Arbeitsvolumen weitgehend eingeschlossen. Das Gas kann durch die Einlaßventile aus einem Raum des Rohrleitungssystem der 15 in Fig. 1 entspricht in das Teilvolumen zwischen Zylinderdeckel und dem Regenerator 36 einströmen und aus einem Raum zwischen den Regeneratoren 39 und 40 durch ein
    Rohr 50 ausströmen, in dem konzentrisch und in fester Verbindung ein Rohr 45 mit der Leitung 46 für die Wärmetauscherflüssigkeit verläuft und das periodisch in eines der das Arbeitsvolumen begrenzenden, nicht periodisch bewegten Rohre 5 mit Bürsten 52 gedichtet einfährt. Aus diesem Rohr 51 kann das Gas durch die Auslaßventile 49 in einen Raum des Gas-Rohrleitungssystems gelangen, der in Fig.1 13 entspricht.
    Die Führungs-, Antriebs- und Steuereinheit für die Realisation des in Fig. 9 bzw. 10 charakterisierten Bewegungsablaufes der Elemente mit den Bezugszeichen 36 - 41 und 43 sind mit den Bezugszeichen 42, 53 - 60, 63 - 98 in den Figuren 8, 11 bis 14 und 17 bis 19 bezeichnet.
    Der Wärmetauscher wird im geschlossenen Kreislauf mit Flüssigkeit aus den Elementen mit den Bezugszeichen 45, 46, 102 - 106 versorgt.
    In dem Teilvolumen, welches vom Arbeitsvolumen nur durch den Regenerator 41 abgegrenzt wird, werden vom Gas zu durchströmende, senkrecht zur Huhrichtung angeordnete Gitterebenen 108 durch das Steuersystem wie in Fig.9 I charakterisiert, so bewegt, daß sie zu diesem Regenerator 41 oder der benachbarten, bereits bewegten Gitterebene entweder einen bestimmten Abstand (z.B. 20 % des Gesamthubs) einhalten oder möglichst nah an der Begrenzungsfläche des Druckgefäßes verbleiben Für den Antrieb der Gitterebenen 109 in dem Teilvolumen des Arbeitsvolumens, welches nur durch den Regenerator 36 abgegrenzt wird gilt weitgehend das selbe. Bei diesem periodischem Bewegungsablauf werden diese Gitterebenen im Betriebszustand weitgehend nur von Gas mit konstanter Temperatur durchströmt und es wird die Ausbildung von Wirbelströmungen stark behindert, durch welche es zu einer Vermischung von Gasmengen mit den maximalen Temperaturunterschieden in diesen Teilvolumen kommen kann.
    Antrieb: Vgl. Patentanspruch 99, 100.
    Das in Fig.8 dargestellte Arbeitsvolumen wird wie das Arbeitsvolumen in Fig.1 an ein Rohrleitungssystem angeschlossen und in das umgebende System integriert.
    Kreisprozeß des Gases im in Fig.8 dargestellten konstanten Arbeitsvolumen
    Die grundsätzlichen Überlegungen, welche zur in Fig. 1 oder 3 charakterisierten u.a. als Gasverdichter eingesetzte Anlage angestellt wurden, gelten auch für diese in Fig.8 oder Fig.9 charakterisierte mit der Wirkung als Gasverdichter eingesetzte Anlage.
    So kann auch hierzu davon ausgegangen werden, daß die Regeneratoren 36 - 40 im Gleichgewichts-Betriebszustand ein Temperaturprofil aufweisen, dessen mittlere Temperatur Tmg bedeutend über der Temperatur Tk des Kühlers liegt.
    Der qualitative zeitliche Verlauf der mittleren Temperatur im Arbeitsvolumen Tm(t) ergibt sich daraus direkt und ist in Fig.9 II qualitativ dargestellt.
    Die Ein- und Auslaßventile sollen wie in Fig. 1 gezeigt mit den umgebenden Systemen verbunden sein, d.h. aufgrund des Reserveraums 17 entspricht der Druck P0 in dem
    Teil des Rohrleitungssystems vor den Einlaßventilen 48 atmosphärischem Druck.
    Die Turbine 14 in Fig. 1 soll so arbeiten, daß durch das Zusammenwirken mit einem vorgeschalteten Ausgleichsdruckgefäß im Raum des Rohrleitungssystems angrenzend an das Auslaßventil 13 der Druck P1 nur gering relativ zur Druckdifferenz P1 - P0 verändert wird.
    Die Ventile 49 und 48 werden durch den (Strömungs-) Druck des Gases geöffnet und/oder geschlossen.
    Im Gleichgewichts- Betriebszustand hat das Gas im Arbeitsvolumen seine niedrigste mittlere Temperatur Tm(t) vgl. Fig.9 I zum Zeitpunkt a erreicht.
    Direkt danach wird das Einlaßventil geschlossen durch den Strömungsdruck von aus dem Arbeitsvolumen infolge der Anhebung der mittleren Gastemperatur Tm im Arbeitsvolumen strömendem Gas.
    Solange der Druck im Arbeitsvolumen kleiner als der Druck P1 auf der anderen Seite der (des) Auslaßventils 49 bleibt, ist auch dieses geschlossen.
    Mit der Erhöhung der mittleren Gastemperatur Tm(t) im Arbeitsvolumen steigt infolge dessen der Druck in der Zeitperiode a-b-c von P0 auf P1 :
    Figure 00230001
    Dabei wird vom verdichteten Gas Wärmeenergie an den Kühler abgegeben. Zum Zeitpunkt e hat das Gas im Arbeitsvolumen die höchste mittlere Temperatur Tm(t) erreicht.
    Bei der anschließenden Absenkung von Tm(t) in der Zeitperiode e-f-g wird das Auslaßventil durch den gegenüber P1 abgesenkten Druck im Arbeitsvolurnen wieder geschlossen. Der Druck im Arbeitsvolumen ist für eine Öffnung der Einlaßventile noch zu groß, so daß die Absenkung von Tm(t) zu einer Verringerung des Drucks P(t) im Arbeitsvolumen führt. Dabei wird von den Regeneratoren 37 - 40 Wärmeenergie abgenommen; (vgl. Qefg) da das durchströmende Gas zwischen zwei Regeneratoren wieder expandiert wird.
    Bei einer weiteren Erhöhung von Tm(t) in der Zeitperiode c-d-e wird das Auslaßventil durch den etwas höheren Druck im Arbeitsvolumen geöffnet und es strömt eine Gasmenge der Masse mA aus.
    Zum Zeitpunkt e ist die maximale mittlere Temperatur des Gases im Arheitsvolumen erreicht.
    In der anschließenden Zeitperiode e-f-g ist die Masse des Gases im Arbeitsvolumen kleiner als in der Zeitperiode a-b-c.
    Die Druckdifferenz von P1 - P0 wird bereits nach einer geringeren Absenkung von Tm(t) erreicht.
    Bei der weiteren Absenkung von Tm(t) wird bei konstantem Druck P0 die Gasmenge der Masse mA vom Arbeitsvolumen durch das Einlaßventil aufgenommen, bis zum Zeitpunkt
    j = a wieder der kleinste Wert für Tm(t) erreicht ist.
    Die eingeströmte Gasmenge wird durch die Abgabe von Wärmeenergie an die Regeneratoren 36 - 40, sowie bei der Durchmischung mit kühlerem Gas abgekühlt. Allgemein gilt: Einem durch die in Anspruch 1 charakterisierten Komponenten vom Arbeitsvolumen abgeteilten Teilvolumen wird bei einer vollen Periode Wärmeenergie entzogen, wenn es während der Zeitperiode des Druckanstiegs im Schnitt (deutlich) kleiner ist, als während dem der Druckabsenkung.
    Werden bei dieser Maschine im Betriebszustand des Gleichgewichts plötzlich alle Ventile geschlossen, so läuft ein Prozeß ab, der dem einer Vuilleumier - Wärmepumpe sehr nahekommt. In diesem Fall wird Wärmeenergie aus den Teilvolumina des Arbeitsvolumens zwischen den Regeneratoren 36-40 entnommen und teilweise an den Kühler abgegeben.
    Durch diesen Teil-Kreisprozeß wird ein zweiter Teil-Kreisprozeß angetrieben, der aus dem Teilvolumen des Arbeitsvolumens, das nur durch Regenerator 41 abgegrenzt wird in das Teilvolumen gepumpt, welches nur durch den Regenerator 36 vom Arbeitsvolumen abgegrenzt wird.
    Daß dieser Prozeß nicht ungewollt durch ein klemmendes Ventil in Gang gebracht wird und es zu Zerstörungen durch Überhitzung kommt, kann durch ein von der Temperatur des gefährdeten Teilvolumens gesteuertes Ventil verhindert werden, welches im Notfall einen konstanten Druck im Arbeitsvolumen bewirkt.
    Wenn das Auslaßventil durch eine entsprechend niedere Wahl des Druckes P1 bereits einen kleinen Bruchteil der Zeitperiode a-b-c nach dem Zeitpunkt a, an dem im Arbeitsvolumen die niedrigste mittlere Gastemperatur herrscht, geöffnet wird, so wird bei diesem Kreisprozeß vor allem dann der Druck im Arbeitsvolumen erhöht, wenn das nur durch Regenerator 41 abgegrenzte und das an den Kühler angrenzende Teilvolumen weitgehend die maximale und das nur durch Regenerator 36 abgegrenzte Teilvolumen und die Teilvolumina zwischen zwei Regeneratoren weitgehend ihre minimale Größe aufweisen.
    Während der Absenkung des Druckes im Arbeitsvolumen herrscht das andere extreme Größenverhältnis.
    Dadurch wird die Wärmeenergie bzgl dieser Teilvolumina durch diesen gesamten Kreisprozeß in der anderen Richtung umgesetzt, als bei geschlossenen Ventilen (vgl oben)
    Zwischen diesen beiden Extremen kann der Druck P1 so gewählt werden, daß dem nur durch den Regenerator 36 abgegrenzten Teilvolumen des Arbeitsvolumens durch den Kreisprozeß im Schnitt pro Periode keine Wärmeenergie entnommen oder zugeführt wird.
    Die Wärmeenergie, welche dem Teilvolumen des Arbeitsvolumens, das nur durch den Regenerator 41 abgegrenzt wird, durch Irreversibilitäten wie Shuttle - Effekt, Wärmeleitung und den ungünstigen Wirkungsgrad des Regenerators zugeführt wird, wird bei diesem Druck P1 durch den in Fig.9 I dargestellten speziellen Bewegungsablauf des Regenerators 41 wieder entzogen und dem Kühler zugeführt.
    Der in Fig. 10 charakterisierte Bewegungsablauf hat den Vorteil, daß die Strömungskanäle für den Gasaustausch nur in geringerem Maße durch die bewegten Regeneratoren abgedeckt oder besser ausgebildet sind.
    Im Gegensatz zu den Darstellungen in Fig.8 muß dazu der untere Hubrahmen 90 mit dem untersten Regenerator 41 verbunden sein.
    Auch für diesen Bewegungsahlauf im Arbeitsvolumen kann der Druck P1 so eingestellt werden, daß für die entsprechenden Teilvolumen eine analoge
    Wärmeenergiebilanz ergibt.
    Den Teilvolumina des Arbeitsvolumens zwischen je zwei der Regeneratoren 36-40 wird dadurch Wärmeenergie abgenommen, daß das durchströmende Gas in der Zeitperiode e-f-g zwischen zwei Regeneratoren weiter expandiert wird.
    Diesen Teilvolumina wird während einer Periode dadurch Wärmeenergie zugeführt, daß aufgrund der heiß durch das Einlaßventil 48 in das Arbeitsvolumen aufgenommene und kühler durch die Auslaßventile 49 abgegebene Gasmenge der Masse mA die Regeneratoren 36-39 bei einer Durchströmung von der heißesten Seite mit einer um diese Gasmenge der Masse mA größeren Gasmenge durchströmt werden, als von der kühleren Seite.
    Dabei bildet sich auf der kühleren Seite eines dieser homogen angenommenen Regeneratoren ein Temperaturprofil mit größerem Gradienten in Durchflußrichtung aus.
    Bei der angenommenen gleichmäßigen Güte der Regeneratoren wird einem der oben definierten Teilvolumina durch die periodische Durchströmung mehr Wärmeenergie zugeführt als entnommen.
    Die bei der Abkühlung der in das Arbeitsvolumen periodisch heiß einströmenden und kühler wieder ausströmenden Gasmenge der Masse mA abgegebene Wärmeenergie wird teilweise aufgenommen durch die zwischen den Teilvolumina parallel ablaufenden Kreisprozesse mit weitgehend isothermer Wärmeenergieaufnahme und Abgabe.
    Dadurch bildet sich im Arbeitsvolumen wie vorne zu Fig.4, Fig.5, Fig.6 allgemein dargestellt, ein linearer Temperaturverlauf aus.
    Dadurch weisen die Durchschnittstemperaturen von angrenzenden Teilvolumina des Arbeitsvolumens zwischen je zwei ? der Regeneratoren 36-40 bei gleicher Größe und zeitlicher Größenordnung die selbe Differenz auf wie vorne zu Fig.4, Fig.5, Fig.6 allgemein dargestellt.
    Die Arbeit, die dabei maximal verrichtet werden kann, verringert sich gegenüber der Exergie (Tu = Tk) um W_ wie zur Fig.3 erläutert.
    Durch W_werden zum Teil die Verluste an den Regeneratoren 36-39 verringert. Durch die Irreversibilitäten wie Wärmeleitung oder die Verluste der Regeneratoren wird nur ein kleineres Druckverhältnis P1/P2 erreicht und die Gasmenge mA muß vor allem bei einer wie in Fig.8 aufgebauten Vorrichtung mit einer Temperatur in das Arbeitsvolumen eintreten, die größer als T1 ist.
    Eines der Ventile 49 in Fig.8 kann wie das Ventil 35 in Fig. 1 eingesetzt werden, um beim selben Verhältnis der Drücke P1/P0 die beschriebenen Veränderungen der Temperaturdifferenzen bei Abkühlung oder Erwärmung eines Anteils des ausgetauschten Gases zu erreichen.
    Abkühlung des Gases über eine kleinere Temperaturdifferenz T1 - T2
    Sollen in der in Fig.8 dargestellten Anlage bei der Abkühlung des ausgetauschten Gases um eine bestimmte Temperaturdifferenz ein größeres Druckverhältnis P1/P0 erreicht werden, so wird in der Zeitperiode g-h-a die Gasmenge der Masse mB durch das (angesteuerte) Ventil 49, das in Fig.1 dem Auslaßventil 35 entspricht, aus dem Teilvolumen zwischen Regenerator 39 und 40 mit einem Ventilator gesaugt, der im Idealfall durch verstellbare Elemente nur in dieser Zeitperiode die dazu notwendige relativ zu P1 - P0 kleine Druckdifferenz zu P0 aufbringt und diese Gasmenge dem Raum 15 des Rohrleitungssystems zugeführt wird.
    Vier Arbeitsvolumen arbeiten 90° phasenverschoben, d.h. ein spezieller Ventilator kann gleichmäßig durchlaufen, nur die Auslaßventile 35 müssen mit etwas Kraft- und Energieaufwand gesteuert werden.
    Bei unverändertem T1, T2,P0 wird dadurch die ausgetauschte und abgekühlte Gasmenge mA um mB vergrößert und den Regeneratoren 36 bis 39 wird während dieser Zeitperiode eine größere Menge an Wärmeenergie zugeführt.
    Diese größere Wärmeenergie wird den Regeneratoren 36 bis 39 in der Zeitperiode e-f-g während der effektiv isothermen Expansion des Gases von P1 auf P0 wieder teilweise entzogen, wobei ein größeres Druckverhältnis P1/P0 erreicht werden kann und so insgesamt pro Periode mehr Energie umgesetzt wird, wobei die an den Regeneratoren 36 bis 41 insgesamt ausgetauschte Wärmeenergie wie auch die damit zusammenhängenden thermischen Verluste in einem weit geringerem Verhältnis erhöht werden.
    Insgesamt wird dadurch ein besserer Wirkungsgrad erreicht.
    Anwendung als Kältemaschine
    Die vorne beschriebene als Kraftmaschine wirkende Anlage mit dem in Fig.8 dargestellte Arbeitsvolumen kann nach wenigen Änderungen auch als Kältemaschine betrieben werden, welche eine Gasmenge über ein großes Temperaturintervall abkühlt. Dazu muß der dann angetriebene Ventilator ( Turbine) 14 das Gas aus dem Teil des Rohrleitungssystems 15 mit dem Druck P0 in den Teil 13 mit P1 drücken. Der in Fig.9 I oder Fig. 10 I qualitativ dargestellte Bewegungsablauf wird in der umgekehrten zeitlichen Reihenfolge durchlaufen. Das Auslaßventil 49 wird zu einem Einlaßventil indem es bei unveränderter Anschlagsrichtung in der Zeitperiode a-h-g durch das Steuersystem gegen den Strömungsdruck offengehalten wird.
    In dieser Zeitperiode a-h-g werden die Teilvolumina zwischen diesen Regeneratoren vergrößert und so die mittlere Temperatur des Gases im Arbeitsvolumen ausgehend vom maximalen Wert abgesenkt.
    Das dann mit dem Druck P1 einströmende Gas gibt bei der Abkühlung Wärmeenergie an die Regeneratoren 36 bis 39 ab.
    Diesen Regeneratoren wird während der anschließenden Zeitperiode g-f-e durch die Expansion des Gases zwischen je zwei Regeneratoren (vgl. vorne: Kraftmaschinen) Wärmeenergie entzogen.
    Die Absenkung des Druckes im Arbeitsvolumen erfolgt bei geschlossenen Ventilen aufgrund der Absenkung der mittleren Temperatur des Gases auf den minimalen Wert durch eine Verschiebung bei konstanten relativen Abständen der Regeneratoren 36 bis 41.
    Wie vorne bei der Beschreibung der Kraftmaschine gezeigt, wird auch bei der Kältemaschine durch das Zusammenwirken der Teilprozesse in den Zeitperioden a-h-g und g-f-e ein in Hubrichtung lineares gestuftes Temperaturfeld T(r) in den Regeneratoren 36 bis 39 ausgebildet, deren mittlere Temperatur Tm bei der Kältemaschine unter der Kühlertemperatur Tk liegt.
    Die zeitliche Entwicklung von Tm(t) entspricht bei Umkehr des zeitlichen Ablaufes und der Ersetzung von max. Tm(t) durch min. Tm(t) der qualitativen Darstellung in Fig.9 II.
    Die mittlere Temperatur des Gases im Arbeitsvolumen wird beim Zusammenschieben der Regeneratoren 36 bis 39 in der darauffolgenden Zeitperiode e-d-c vergrößert.
    Das Einlaßventil 48 der Kraftmaschine in Fig.8 wirkt bei der Kältemaschine als Auslaßventil, wenn es bei unveränderter Anschlagsrichtung in dieser Zeitperiode e-d-c durch das Steuersystem gegen den Strömungsdruck offengehalten wird und Gas unter anderem aufgrund der Erhöhung der mittleren Temperatur im konstanten Arbeitsvolumen bei konstantem Druck P0 in den Teil des Rohrleitungssystem 15 ausströmt.
    Bevor dieses Gas erneut durch den Ventilator (Turbine) verdichtet wird, nimmt es im Wärmetauscher 18 die von der Abkühlung des anderen Gasstromes stammende Wärmeenergie auf.
    Wenn das abzukühlende Gas direkt bei 15 in das Rohrleitungssystem der Kältemaschine (vgl. Fig1) eingebracht und bei 15 wieder entnommen wird, so können die Verluste und der konstruktive Aufwand des Wärmetauscher 18 entfallen.
    In der anschließenden Zeitperiode c-b-a wird die mittlere Temperatur des Gases im Arbeitsvolumen durch die Verschiebung der Regeneratoren 36 bis 39 auf den maximalen Wert erhöht, was aufgrund der geschlossenen Ventile zu einer Druckerhöhung und der Schließung des Kreisprozesses führt.
    Dem Teilvolumen des Arbeitsvolumen, das nur durch den Regenerator 36 abgeteilt ist, wird dadurch (zusätzlich) Wärmeenergie entnommen, daß das Ventil 48 oder ein dazu parallel wirkendes Ventil mit kleinerer Querschnittsfläche bereits geöffnet wird, bevor der Druckunterschied völlig ausgeglichen ist.
    Analog wird dem Teilvolumen des Arbeitsvolumens, das nur durch Regenerator 41 abgegrenzt wird, dadurch Wärmeenergie zugeführt, daß ein zu einem der Ventile 49 parallel wirkendes Ventil bereits geöffnet wird, bevor der Druckunterschied völlig ausgeglichen ist.
    Abkühlung des Gases über eine größere Temperaturdifferenz T1 - T2
    Wie beim Einsatz als Kraftmaschine kann bei der in Fig.1 dargestellten Vorrichtung ein größerer Temperaturunterschied der vom Arbeitsvolumen aufgenommenen und abgegebenen Gasmenge der Masse mA erreicht werden, wenn in der Zeitperiode e-d-c eine Gasmenge der Masse mH durch das in diesem Fall bei relativ zu Fig. 8 geändertem Anschlag als Auslaßventil wie Ventil 35 in Fig. 1 wirkendes Ventil 49 in den Raum 15 ausströmt, welches in dieser Zeitperiode e-d-c durch das Steuersystem gegen den Strömungsdruck offengehalten wird.
    Funktion eines erfindungsgemäßen Gasverdichter: heißes Gas + kühles Gas ergibt warmes Gas mit höherem Druck
    Um in ein Arbeitsvolumen zwei Gasmengen der Massen m1, mk mit den Temperaturen T1, bzw. Tk aufzunehmen und bei zwischen T1 und Tk liegenden Temperaturen T3, T1 bei höherem Druck wieder abgeben zu können, muß im Vergleich zu dem in Fig.8 dargestellten Arbeitsvolumen wie in Fig.24 gezeigt, folgendes abgeändert werden:
    Der Regenerator 41 entfällt und der Wärmetauscher 43 wird durch den Regenerator 207 ersetzt.
    Die Regeneratoren 39 und 207 sind demnach miteinander in festem Abstand verbunden und der Regenerator 40 liegt jeweils zeitweise an.
    Analog wird der zeitweise am Regenerator 207 anliegende Regenerator 208 mit dem zeitweise am Regenerator 39 anliegenden Regenerator 38, der zeitweise am Regenerator 208 anliegende Regenerator 209 mit dem zeitweise am Regenerator 38 anliegenden Regenerator 37 und der zeitweise am Regenerator 209 anliegende Regenerator 210 mit dem zeitweise am Regenerator 37 anliegenden Regenerator 36 fest verbunden.
    Der Luftaustausch durch die Luftführungsrohre 205 und 211 erfolgt ebenso überwiegend simultan wie der Luftaustausch durch die Luftrührungsrohre 50 und 212.
    Eines der Ventile 49 oder eines der Ventile 213, durch die die Luft aus oder in das Luftrührungsrohr 212 strömt, wird bei veränderter Anschlagsrichtung wie das Ventil 35 in Fig.1 eingesetzt.
    Der Bewegungsablauf, sowie die Änderung der mittleren Temperatur Tm(t) oder der Druck im Arbeitsvolumen P(t) entsprechen dennoch weitgehend den qualitativen Darstellungen in Fig.9. In der Zeitperiode g-h-a wird durch Ventile Gas mit der Temperatur T1, bzw. Tk eingesaugt. Wie vorne gezeigt, ergibt sich in den Regeneratoren zwischen den Ventilen in Hubrichtung ein linearer gestufter Temperaturverlauf.
    Durch Ventile müssen die in das Arbeitsvolumen einströmenden Gasmengen entsprechend reguliert werden, um eine bestimmte Temperaturdifferenz bei der Abkühlung bzw. Erwärmung der periodisch ausgetauschten Gasmengen beizubehalten.
    Soll das kühlere Gas nur eine geringere Temperaturänderung erfahren, so wird wie vorne beschrieben während dessen Einströmvorgang durch ein wie Ventil 35 wirkendes Ventil 49 mit einem Ventilator Gas aus dem Arbeitsvolumen gesaugt.
    Da das Gas aus zwei verschiedenen Teilvolumina, die durch einen Regenerator 40 voneinander getrennt sind, aus dem Arbeitsvolumen durch unterschiedliche Ventile 49 und 213 in verschiedene Räume des Rohrleitungssystems ausströmen kann, können (zusammen mit einem Ventil, das wie Ventil 35 wirkt) die bei der Temperaturänderung auftretenden Temperaturdifferenzen in weiten Bereichen variiert werden.
    Insgesamt ist diese Art von Entropietransformator einfacher aufzubauen, da kein Wärmetauscher (z.B. Autokühler) notwendig ist.
    Darüber hinaus kann keine plötzliche Dampfentwicklung durch entwichenes Kühlwasser auftreten.
    Wie vorne bereits gezeigt, kann eine als Gasverdichter wirkende Anlage mit geringen Änderungen auch als Wärmepumpe oder Kältemaschine wirken.
    Auch diese Konstruktion kann so betrieben werden, daß lauwarmes Gas mit höherem Druck durch eine Turbine periodisch in das Arbeitsvolumen gepreßt wird und aus dem Arbeitsvolumen periodisch heißes und kaltes Gas bei niedrigerem Druck ausströmen.
    Dabei kann im wesentlichen sowohl der vorne zur Wärmepumpe dargestellte Kreisprozeß verwendet werden, als auch der zur Kältemaschine.
    Die jeweiligen Temperaturdifferenzen können zusätzlich mit einem Ventil, das wie das Ventil 35 wirkt, eingestellt werden.
    Kombination von Kältemaschine und Kraftmaschine
    Steht heißes Gas und Kühlwasser der Temperatur Tk zur Verfügung, so kann Gas durch einen Entropietransformator mit 2 Arbeitsvolumina unter die Kühlwassertemperatur Tk abgekühlt werden.
    Im Prinzip wird dazu bei der vorne beschriebenen Kältemaschine der angetriebene Ventilator 14 durch eine vorne beschriebene Kraftmaschine ersetzt, wobei das heiße Gas vom Arbeitsvolumen, welches der Kraftmaschine zugeordnet werden kann, aufgenommen und bei höherem Druck durch das Auslaßventil 49 oder 4 in einen Raum des Rohrleitungssystems abgegeben wird, an den ein pufferndes Druckgefäß angeschlössen sein kann und von wo aus das Gas evtl. nach einer vorherigen Abkühlung auf ca. Tk durch das als Einlaßventil wirkende Ventil 49 in das Arbeitsvolumen einströmt, welches der Kältemaschine zugeordnet werden kann.
    Aus diesem Arbeitsvolumen strömt das unter Tk abgekühlte Gas durch die Ventile 48 und evtl. dem wie Ventil 35 wirkenden Ventil 49 aus.
    Für die Abstimmung von Druck- und Temperaturdifferenzen können wie vorne dargestellt, die periodische Durchströmung dieser Ventile der beiden Arbeitsvolumina entsprechend eingestellt werden.
    Laufen in einem Arbeitsvolumen die in Fig.4, Fig.5, Fig.6 I dargestellten Bewegungen simultan ab, so kann das puffernde Druckgefäß kleiner dimensioniert werden, oder entfallen.
    Diese Kombination kann auch als Wärmepumpe zur Erwärmung einer Flüssigkeit verwendet werden.
    Weitere interessante Kombinationen dienen der Erhöhung der Heizzahl auf einen Wert über 1
    So wird von einem ersten Arbeitsvolumen wie vorne beschrieben je eine heiße und kalte Gasmenge aufgenommen und als kühle Gasmenge bei höherem Druck wieder abgegeben und aufgenommen von einem zweiten Arbeitsvolumen, das es als warme Gasmenge beim Ausgangsdruck wieder abgibt. Dabei wurde im zweiten Arbeitsvolumen die Flüssigkeit eines Wärmetauschers oder eine zusätzliche Gasmenge abgekühlt.
    Stehen eine isotherme Wärmequelle und eine isotherme Wärmesenke zur Verfügung, so ist es zur Erwärmung oder Abkühlung, von Gas interessant, bei den vorne beschriebenen Anlagen (mit der Wirkung als Kältemaschine oder Wärmepumpe) den Kompressor durch einen bekannten thermischen Kompressor mit isothermer Wärmeenergieaufnahme und Wärmeenergieabgabe zu ersetzen.
    zusätzliche Änderung des Arbeitsvolumens
    Aufgrund der Durchströmung der Regeneratoren bei der Druckabsenkung im Arbeitsvolumen wird das Gas fast isotherm expandiert.
    Dabei wird die Gastemperatur nur relativ gering geändert, da das in einer Periode durchströmende Gasvolumen verglichen mit der Größe des Teilvolumens des Arbeitsvolumens zwischen zwei Regeneratoren entscheidend größer ist.
    Dadurch sind die Irreversibilitäten beim Kontakt von Gas und Wärmeüberganssflächen der Regeneratoren geringer.
    Diese Vorteile können besonders gut genützt werden, wenn bei der Maschine zu Fig.8 in der Zeitperiode, in der der Druck im Arbeitsvolumen auch bei unverändertem Arbeitsvolumen steigen würde, das Arbeitsvolumen durch einen durch das Steuersystem periodisch bewegten Kolben verringert wird.
    Bei dieser Vorrichtung ist es besonders wichtig, daß, wie vorne gezeigt, oberhalb des Regenerators 36 und unterhalb von 41 Gitterebenen 108 bzw. 109 Wirbel behindern und so durch das Steuersystem bewegt werden, daß sie weitgehend nur vom Gas konstanter Temperatur durchströmt werden.
    Durch den vorne beschriebenen Effekt, daß ein Ventil wie das Ventil 35 in Fig. 1 wirkt, kann auch bei dieser Konstruktion das Temperaturintervall, in dem das ausgetauschte Gas abgekühlt oder erwärmt wird, eingestellt werden.
    Wird das Gasvolumen geändert, ohne daß währenddessen die Regeneratoren durchströmt werden, so wird das Gas zwischen zwei Regeneratoren dabei von P1 auf P0 adiabatisch expandiert oder komprimiert und dabei abgekühlt bzw. erwärmt.
    Der periodische Bewegungsablauf ist dabei ähnlich wie in Fig.4, Fig.5, Fig.6.
    Die Irreversibilität bei einer anschließenden Durchströmung eines der angrenzenden Regeneratoren wirkt sich in Bezug auf den Wirkungsgrad um so stärker aus, je größer die dabei auftretende Temperaturänderung war.
    Da dieser Effekt auch bei den bekannten Stirlingmotoren auftritt, ist auch ein konstruktiv einfacher Aufbau interessant, welcher bis auf das Regeneratorsystem 11 weitgehend Fig. 1 entspricht mit der Änderung, daß das Regeneratorsystem 11 durch die Regeneratoren 37-40 und dem dazugehörenden Steuersystem 42-55 aus Fig.8 ersetzt werden.
    Der periodische Bewegungsablauf kann aus Fig.4, Fig.5, Fig.6 I entnommen werden.
    Verdränger umströmt
    Bei der in Fig.21 dargestellten Maschine wird das durch einen Zylinder als Druckgehäuse 110, die Ventile 111, 112 und den gleitend gedichteten Kolben 113 weitgehend eingeschlossene Arbeitsvolumen durch zylinderförmige Verdränger 114 in Teilvolumina aufgeteilt:
    Diese Verdränger 114 können vom Arbeitsfluid umströmt werden, wobei der Spalt zwischen Verdränger und Zylinderwand als Regenerator wirkt, weisen in Richtung der Zylinderachse eine 3 - 10 mal so große Ausdehnung auf, wie ihre maximale Bewegungslänge gegen das Druckgehäuse.
    Beim Einsatz als Kraftmaschine wird durch Kühlleitungen 115 außerhalb des Druckaehäuses gekühlt.
    Ein einzelner Verdränger 114 wirkt wie einer der entsprechenden Regeneratoren 36-40 in Fig.8.
    Für ein konstantes Arbeitsvolumen (d.h. unbewegten Kolben in Fig.21) kann bei übertragbarem Bewegungsablauf direkt die Argumentation zu Fig.9 übernommen werden.
    Die Ventile 111 und 112 entsprechen dabei den Ventilen 49 bzw. 48.
    Der Antrieb der Verdränger 114 erfolgt wie bei den Regeneratoren in Fig.8 durch ein Bündel konzentrischer Rohre 109, wobei das Rohr mit größtem Durchmesser gegen den Kolben 113 und jedes andere Rohr zu den zwei Rohren mit dem nächst kleineren bzw. nächst größeren Durchmesser gleitend gedichtet wird.
    Außerhalb des Arbeitsvolumens kann dann der Antrieb bei nur relativ geringer Änderung des Arbeitsvolumens (bis 10 %) durch den Kolben 113 durch eine Hebelkonstruktion 117 wie in Fig.8 erfolgen. An den entsprechenden Rohren des Rohrbündels 109 können direkt die entsprechenden Pleuel des zu Fig.8 beschriebenen Kettenantriebs angreifen.
    Dieser Aufbau ist um so interessanter, je kleiner das Verhältnis Arbeitsvolumen zur Zylinderoberfläche ist, da der Wärmeaustausch mit der Zylinderoberfläche in diesem Fall konstruktiv wie ein Regenerator wirkt.
    Um diese Wirkung zu verstärken muß bei Arbeitsfluiden mit geringerer Wärmeleitfähigkeit diese aktive Fläche durch feine Schlitze in (Hubrichtung) vergrößert werden.
    Wird eine noch größere Wärmeübergangsfläche zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades benötigt, so muß im Inneren der Verdränger ein zu durchströmender Regenerator angeordnet werden und der Strömungswiderstand im Spalt zwischen Zylinderwand und Verdränger muß bei vergleichbarer Strömungsgeschwindigkeit in der gleichen Größenordnung wie beim Regenerator liegen. Dazu kann eine zusätzliche Dichtung notwendig werden.
    Die Wärmeübergangsfläche zur Kühlung durch die Zylinderwand 115 wird dabei durch Schlitze in Hubrichtung vergrößert, das Arbeitsfluid umströmt in diesem Bereich den Verdränger und muß auch durch einen Regenerator in diesem Verdränger strömen.
    Diese Maschine kann auch für einen Betrieb mit einer Flüssigkeit als Arbeitsfluid im Arbeitsvolumen ausgelegt werden.
    Die dabei auftretenden technologischen Probleme (Druckfestigkeit, Temperatur, Stabilität, Dichtungen) wurden von Malone 1931 für Wasser als Arbeitsfluid bei Maschinen gelöst, welche einem Stirlingmotor im Aufbau ähnlich sind.
    Quellen: Malone: A new prime mover-J. of the Royal Society of Arts, Vol 97 1931, No. 4099, p.680-708 oder: Die Entwicklung des Heißluftmotor von Ivo Kolin Professor der Thermodynamik ins Deutsche übersetzt von Dr. C.Forster Seite 54, 55 c E. Schmitt, D-6370 Oberursel, Postfach 2006, Tel: (06171)3364, Fax: (06171) 59518
    Dieses Arbeitsvolumen kann wie in Fig.1 gezeigt an umgebende Systeme angekoppelt werden, wenn diese für die entsprechenden Drücke und Druckdifferenzen für Flüssigkeiten ausgelegt sind. z.B.: statt Gasventilator oder - Turbine:
    Hochdruckpumpe
    Wie bereits von Malone gezeigt, wird durch die Verwendung einer Flüssigkeit als Arbeitsfluid der Bau von kompakten Maschinen mit großer mechanischer Leistung möglich.
    Verdränger gedichtet
    Thermodynamisch können die Arbeitsvolumina der Entropietransformatoren in Fig.22 durch dieselben Modelle beschrieben werden, die mit Fig.4, Fig.5, Fig.6 oder Fig.9 verbunden werden können.
    Die in Fig.22 dargestellte Konstruktion sieht dagegen sehr unterschiedlich aus.
    Das Arbeitsvolumen ist durch ein Druckgehäuse 128, Einlaß- und Auslaßventile 130 bzw. 129a,b weitgehend abgegrenzt. In diesem Arbeitsvolumen werden durch die relativ zum Druckgehäuse unbewegten Regeneratoren 131-136, die mit den Regeneratoren 131-135 verbundenen Zwischenwände 137-141, Wände des Druckgehäuses und auf diesen Wänden gleitend gedichtete Verdränger 142-146 Teilvolumina abgegrenzt.
    Im Betriebszustand entspricht die periodische Größenänderung dieser Teilvolumina der periodisch geänderten Hubdifferenz der entsprechenden Regeneratoren in Fig.9I.
    Um diesen periodischen Bewegungsablauf zu erreichen, können die Verdränger 142-145 simultan periodisch bewegt werden.
    Die an diesen Verdrängern befestigte Zahnstangen 146-149 werden durch Zahnräder auf einer Welle 150a angetrieben.
    Diese Welle wird durch das Druckgehäuse gedichtet aus dem Arbeitsvolumen geführt und auf sie werden die Enden einer kette 150 auf- bzw. abgewickelt, welche über zwei Kettenräder 151 gespannt ist und an der das Pleuel 152 einer derartigen Kettengetriehekontruktion angreift, welche in Fig.8 den Regenerator 36 antreibt.
    Mit diesem Kettengetriebe durch die mit einem Elektromotor angetriebene Welle 154 ist ein weiteres gleichartiges in gleicher Weise den Verdränger 146 bewegende Kettengetriebe 155 so verbunden, daß zu der Bewegung der anderen Verdränger eine Phasenverschiebung von ca. einer viertel Periode besteht.
    Im Gegensatz zu den Verdrängern in Fig.21 grenzen an jeden der Verdränger 142-145 in Fig.22 eines der Teilvolumina zwischen zwei der Regeneratoren 131-135 und das an den Kühler 156 angrenzende Teilvolumen an.
    Die Verdränger 142-145 dürfen praktisch nicht mehr umströmt werden, da es sonst nicht zur Ausbildung des angestrebten Gleichgewichtes kommt.
    Damit die Regeneratoren 131-135 in der Zeitperiode a-b-c, d-e-f, g-h-j (vgl. Fig.9) möglichst gleichmäßig durchströmt werden können, weisen die Verdränger im Bereich der zwischen zwei Regeneratoren eingeschoben wird, von einem Regenerator zum anderen sowie in Hubrichtung verlaufende Schlitze auf.
    Das dabei zusammenkommende tote Volumen kann sich bei einigen Anwendungen sehr ungünstig auswirken.
    Ein weiteres Ventil 129 kann wie das Ventil 35 in Fig.1 eingesetzt werden.
    Wie zu Fig.8 dargestellt, kann auch die Konstruktion von Fig.22 als Kraftmaschine, Kältemaschine, Wärmepumpe,... ausgebildet oder eingesetzt werden.
    Flüssigkeits-Verdrängerkolben
    Für eine andere Konstruktion wird die in Fig.22 dargestellte Konstruktion wie in Fig.23 dargestellt, abgeändert.
    Dabei sind die Verdrängerkolben als schwingende Flüssigkeitssäule mit Schwimmer in einem U-förmigen Behälter ausgebildet.
    Die Bewegung des Flüssigkeits-Verdrängerkolbens wird durch einen gespannt auf einer Welle 158 aufgewickelten Riemen 159 kontrolliert und angetrieben, der am Schwimmer 157 befestigt ist.
    Da die Flüssigkeitsverdrängerkolben weitgehend die selben periodischen Bewegungen ausführen, wie zu Fig.22 mit Fig.9 erläutert, können auch hei dieser Konstruktion im Berriebszustand mehrere die zu den Verdrängerkolben 142-145 entsprechenden Flüssigkeitsverdrängerkolben von einer 150a entsprechenden Welle 158 aus angetrieben werden.
    Die periodische Bewegung dieser Welle 158 kann wie zu Fig.22 beschrieben kontrolliert und/oder angetrieben werden.
    min zwei Wännetauscher in einem erfindungsgemäße Druckgehäuse:
    Soll eine Flüssigkeit durch den Kontakt mit einem Kreisprozeß eine Temperaturänderung über ein großes Intervall erfahren, so muß in Fig.22 jeder der Regeneratoren 131-134 auf der selben Seite bzgl. der Durchströmung wie bei Regenerator 135 mit einem Wärmetauscher versehen werden.
    Die Flüssigkeit kann dann diese Wärmetauscher der Reihe nach durchströmen und dabei Wärmeenergie bei mehreren Temperaturniveaus austauschen (vgl. Fig.3)
    Integration von Motor + thermischer Gasverdichter
    Die vom Abgas eines Otto- oder Dieselmotor bei einer Abkühlung abgegebene Wärmeenergie kann genutzt werden, um zusätzliche mechanische oder elektrische Energie zu erzeugen oder um den Motor mit gefilterter Frischluft bei höherem Druck aufzuladen und dadurch für einen Turbolader oder Kompressor keine mechanische Energie aufwenden zu müssen, wodurch relativ zu einem Motor ohne diese Aufladung ein besseres Leistungsvolumen und in jedem Fall ein besserer Wirkungsgrad erreicht werden.
    Im Vergleich zu einem Motor ohne Aufladung wird ein günstigeres Motor-Leistungsvolumen bei einem verbesserten Wirkungsgrad möglich, da bei einer Aufladung des Motors durch einen Kompressor oder Turbolader die Komprimierung der Luft bei einem ungünstigeren Wirkungsgrad erfolgt.
    Weitere Synergieeffekte werden dadurch erreicht, daß keine Turbine und kein zusätzlicher Generator zur Umwandlung der Energie der Druckluft in elektrische Energie notwendig ist.
    Integration von Gasturbine und thermischer Gasverdichter
    Weitgehend analog wie vorne beim Verbrennungsmotor können durch die Ausnutzung der vom Abgas einer Gasturbine bei einer Abkühlung abgegebenen Wärmeenergie genutzt werden, um der Gasturbine gefilterte, kühle Frischluft bei höherem Druck zuzuführen.
    Der Verdichter der dabei verwendeten Gasturbine kann so ausgelegt werden, daß er bei unverändertem Druck in der Brennkammer und bei unverändertem Gasmengendurchströmung weniger Antriebsenergie benötigt, was direkt zu einer größeren Nutzleistung bei gleichem Brennstoffverbrauch und besserem Wirkungsgrad führt.
    Der Wirkungsgrad ist in diesem Fall aufgrund eines Synergieeffektes größer als die Summe aus dem Wirkungsgrad der ursprünglichen Gasturbine und dem Wirkungsgrad des thermischen Kompressors (Gasverdichters), da die vom thermischen Kompressor aufgebrachte Leistung zur Gas-Teil-Verdichtung vom ursprünglichen Verdichter der Gasturbine nur mit ungünstigerem Wirkungsgrad erreicht werden kann, angetrieben durch das Abzweigen von mechanischer Wellenleistung.
    Evtl. ist auch die Verwendung einer konventionellen Gasturbine möglich. Dann kann eine relative Drucksteigerung in der Gasturbine erwartet werden, welche vom Frischlufteinlaß bis zum Abgasauslaß kontinuierlich abnimmt, wodurch Leistungsdichte und Wirkungsgrad vergrößert werden.
    Um bei atmosphärischen Druckverhälmissen großen Leistungen über einige 100kW zu erreichen, muß die Fläche der durchströmten Regeneratoren 274 - 277 entsprechend vergrößert werden.
    Um eine kompakte Gehäuseform 278 zu erreichen werden die unbewegten Regeneratoren 274 - 277 entlang von Parallelen 278 mehrfach in weitgehend konstantem Abstand gefaltet und umschließen zumindest ein periodisch parallel dazu bewegtes, scheibenförmiges Verdrängerelement 279 bis in den Bereich der zu den Faltkanten parallelen Mittelachse des Verdrängerelements beidseitig.
    Die andere Hälfte des Verdrängerelementes wird vom angrenzenden Regenerator entsprechend umschlossen.
    Bei einem runden Autbau liegen die Faltkanten des Regenerators entsprechend auf konzentrischen Kreisen.
    Zumindest einer der Regeneratoren ist wahlweise mit einem in Hubrichtung bewegbaren Hydraulik- oder Pneumatikkolben oder Membranbalg verbunden der durch Flüssigkeit bzw. Gas aus dem Raum um die vom entsprechenden Arbeitsraum entfernten Flüssigkeitsoberfläche der angekoppelten schwingenden Flüssigkeitssäule über Steuerventile be bzw. entfüllt wird.
    Um auch speziellere Bewegungen, wie sie z.B. für einen direkten Antrieb der im Folgenden mit Flüssigkeit im Arbeitsraum und bewegten Regeneratoren beschriebenen zweiteiligen Verdrängerstruktur notwendig ist, realisieren zu können, wird die Bewegung wahlweise durch eine Stange oder ein gespanntes Zugelement (wie Seil oder Kette) über eine bewegliche Verbindung von einem endenlosen Zugelement wie geschlossene Kette oder Zahnriemen, abgegriffen, welches kraftschlüssig über mehrere, sich mit relativ gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit drehende Räder so gespannt ist daß der Winkel zwischen den beiden Elementen in Zeitperioden des Betriebszustandes, in denen das angetriebene Element im Arbeitstaum (Regenerator, Verdränger) nur geringfügig bewegt werden soll etwa 90° beträgt und um so kleiner wird, je schneller die Bewegung des angetriebenen Elements im Arbeitstaum erfolgen soll.
    Ein Rohrleitungssystem mit Unterdruck wie der Kessel über einen Erhitzer wird an das Einlaßventil einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine angekoppelt.
    Diese Anlage wird als Staubsauger eingesetzt.
    Der Aufwand für das Gehäuse 280 um den Arbeitstaum kann entscheidend reduziert werden, wenn gekrümmte Formen angewendet werden.
    Die bewegten Regeneratoren 281 - 284, aufgebaut in Form eines Kegelmantels, besitzen gute Formstabilität, sind mit vertretbarem Aufwand herzustellen und können ausschließlich im Bereich der Kegelspitzen angetrieben werden.
    Zur Abdichtung wird jeder Regenerator mit einem Blechzylinder-Mantel 285 oder einem vergleichbaren Mantel eines spitzen Kegelstumpfes verbunden, welcher am unteren Ende kontinuierlich in eine Flüssigkeit 286 eintauchet und so eine Umströmung des Regenerators bei Hubbewegungen Parallel zur Zylinderachse des Blechmantels verhindert.
    Kegelstümpfe, welche nach oben enger werden, sind als Form für das in die Flüssigkeit eintauchende Dichtungselement 285 und das seitliche Gehäuse 280 günstig und unproblematisch, da aufgrund der Temperaturzunahme eine Ausdehnung des oberen Bereiches erfolgt.
    Der Kegel-Stumpf-Winkel muß relativ spitz sein, damit sich der Spalt zwischen zwei Dichtelementen 285 nicht zu sehr vergrößert, wenn sie auseinanderbewegt werden, da in diesem Spalt durch den Wärmeübergang irreversible Prozesse ablaufen.
    Zum Antrieb und zur Führung der Regeneratoren und Dichtungszylinder dienen konzentrische Rohre 286, welche auf einem unbewegten Rohr 287 auf der gemeinsamen Achse der Zylinder geführt werden und mit den Regeneratoren 281 - 285 im Bereich der Kegelspitzen verbunden sind.
    Die Rohre 286 werden in diesem Bereich in axialer Richtung mindestens mit einem Schlitz versehen, durch den die Verbindung der innenliegenden Rohre mit den entsprechenden Regeneratoren 281 - 284 erfolgt.
    Die Rohre 287 ragen nach oben entscheidend über den obersten Regenerator 281 in eine spezielle Ausbuchtung 288 des vom Gehäuse umschlossenen Arbeitsraum hinein und werden dort auf einem unbewegten Rohr 287 gleitend geführt.
    Unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche 288 sind die Zylinder 285 ebenfalls jeweils mit einem der auch in diesem Bereich gleitend geführten Rohre 286 verbunden.
    Der Raum zwischen der Flüssigkeitsoberfläche 288 und dem untersten Regenerator 284 an seiner untersten Position im Betriebszustand wird weitgehend ausgefüllt durch eine mindestens zweigeteilte Verdrängerstruktur 289 , welche bei einer Aufwärtsbewegung auseinanderbewegt wird und an den schräg zur Bewegungsrichtung verlaufenden Trennflächen Strömungskanäle für das Arbeitsgas freigebt.
    Diese Verdrängerstruktur 289 wird ebenfalls im Bereich der Zylinderachse geführt und entweder über einen separaten Antrieb bewegt oder durch Federn zwischen Regenerator 284 und einzelnen Verdrüngerelementen und einem gefederten Anschlag für den Stop an der Flüssigkeitsgrenzfläche 288.
    Wenn dieser Verdänger 289 wahlweise als Alternative in einteiliger Form mit dem untersten Regenerator 284 fest verbunden ist, so müssen zwei Teile weniger bewegt werden.
    Dafür wird der Totraum wegen den notwendigen permanent vorhandenen Luftkanälen durch den Verdränger 289 bzw. an dessen Oberfläche größer.
    Der Wärmetauscher 290 wird wahlweise direkt unter dem untersten Regenerator 284 befestigt und mit einem Wärmetauschermedium durchströmt, oder er wird mit dem untersten Regenerator 284 am Zylinder 285 und/oder dem entsprechenden Rohr 286 befestigt und taucht in der untersten Stellung in die Flüssigkeit 286 ein, wobei die Wärmeenergie ausgetauscht wird, die bei kontinuierlichem Betrieb ausgeglichen wird durch einen stationären Wärmetauscher, der z.B. mit der Warmwasseraufbereitung des Gebäudes verbunden ist.
    Durch zumindest ein Ventil 291 im Gehäuse oberhalb dem obersten Regenerator 281 wird periodisch Arbeitsgas ausgetauscht. Dieser Austausch wird ausgeglichen durch den Austausch von Arbeitsgas, der aus dem Teilraum oberhalb dem untersten Regenerator 284 durch zumindest ein daran direkt an einem Ende befestigten durchstoßenden Rohr in Hubrichtung erfolgt, das immer in die Flüssigkeit 286 eintaucht.
    Konzentrisch in dieser Röhre ist mit dem Gehäuse dichtend verbunden eine Röhre 293 angeordnet, welche über den Flüssigkeitsspiegel 288 hinaus ragt und aus welcher durch zumindest ein Ventil 294 der Gasaustausch erfolgt.
    Bei einer zu schnellen Bewegung oder einer Verstopfung des unteren Regenerators kann Flüssigkeit in diese Röhre einfließen.
    Muß dies aufgrund einer störender oder kritischen Dampfentwicklung vermieden werden, so wird zumindest ein weiteres Rohr darin angeordnet, dessen Oberkante noch weiter über den Flüssigkeitsspiegel hinausgeht.
    Der Zwischenraum wird durch ein separates Ventil, das zusammen mit dem Gasventil gesteuert wird, mit einem Raum verbunden, der auch mit dem Raum verbunden ist, mit dem der Arbeitstaum durch das angrenzende Rohr Gas austauscht.
    Je nach Ausbildung dieser Ventile kann es wahlweise als Alternative einfacher sein, den Wasserspiegel über eine zusätzliche entsprechende Rohranordnung vgl. 295 zu kontrollieren, bei der das Rohr für den Gasaustausch entfällt.
    Diesem Rohr vgl 295 wird auch Wasser über ein weiteres, als Überlauf eingesetztes Rohr vgl 296 zugeführt, das in Hubrichtung weitgehend innerhalb der Flüssigkeit mit einer Öffnung auf der Höhe des weitgehend unbewegten Flüssigkeitsspiegels angeordnet wird, ohne einen Regnerator zu durchstoßen.
    Damit der unterste Regenerator durch diese Rohranordnung nicht umströmt werden kann, wird eine poröse Struktur vgl 297 in den unteren Bereich des Überlaufes vgl 296 ohne Möglichkeit einer Umströmung integriert.
    An mehreren Regeneratoren 281 - 284 oder damit starr verbundenen Elementen sind Zwischen-Hebel beweglich befestigt, welche jeweils am anderen Ende beweglich mit verschiedenen Stellen zumindest eines weiteren Haupt-Hebels verbunden sind, der beweglich wahlweise direkt oder über einen Hebel mit dem Gehäuse verbunden ist.
    Der oberste Regenerator 281 greift direkt oder indirekt am Haupthebel an einer Stelle beweglich an, die am nächsten zu der Stelle angeordnet ist, an der die direkte oder indirekte bewegliche Verbindung mit dem Gehäuse erfolgt.
    Die Spiegelsymmetrie dieser Hebelandordnung zu einer Ebene, in der auch die Hubrichtung liegt bewirkt, daß auf die Regeneratorstruktur keine Seitenkräfte übertragen werden, insbesondere wenn die Hebelanordnung unter den Flächenschwerpunkten erfolgt.
    Einer der untersten Regeneratoren ist über Pleuel 298 mit zwei angetriebenen Kurbelwellen 299 beweglich verbunden, welche Spiegel-symmetrisch zu einer Ebene in der das unbewegte Führungselement 287 in Hubrichtung liegt, angeordnet und bewegt werden.
    So werden auf die Regeneratoranordnung 281 - 285 geringere Seitenkräfte relativ zur Hubrichtung übertragen, welche durch die Führungen 300 abgefangen werden müßten und zu zusätzlichem Verschleiß führen, insbesondere, wenn die Pleuel 298 unter dem Flächenschwerpunkt der Regeneratoren 281 - 284 verlaufen
    Auf der Kurbelwelle 299 auf gegenüber dem Pleuellager sind Massen angebracht, welche durch ihre Gewichtskraft das Gewicht der Regenerator-Anordnung zumindest teilweise kompensieren.
    Wahlweise als Alternative für das Antriebssystem der Regeneratoren werden mehrere Regeneratoren zumindes mit je einem der Pleuel beweglich verbunden, die mit den anderen Enden auf Achsen zumindest einer Kurbelwelle gelagert sind, welche alle von einer Linie durch die dazu parallele Drehachse der Kurbelwelle geschnitten werden können, wobei das Lager für ein Pleuel des untersten Regenerators am weitesten von der Dreh-Achse der Kurbelwelle entfernt ist und das Lager des obersten Regenerator am nächsten.
    Wie bei einem vergleichbar eingesetzten Stirlingmotor wird zumindest ein Regenerator mit einer Phasenverschiebung von einem Viertel (25%) einer Periodendauer relativ zur Volumenänderung angetrieben.
    In der Zeitperiode mit dem niedrigsten Druck im Arbeitsraum (Arbeitsraum = Arbeitsvolumen) mit periodisch verändertem Volumen erfolgt bei einem Betrieb als Kraftrnaschine die periodische Aufnahme und bei einem Betrieb als Wärmepumpe bzw. Kältemaschine die periodische Abgabe von Arbeitsfluid durch ein Ventil 291, das im Arbeitsraum an einen Teilraum 301 mit konstantem Volumen angrenzt, welcher von zwei Regeneratoren 302 - 303 vollständig umschlossen ist, wobei einer dieser Regeneratoren 302 relativ direkt an das Gehäuse angrenzt.
    Wahlweise als Alternative zum oben beschriebenen Antrieb ist zumindest ein Führungselement in Hubrichtung 287 zumindest teilweise als Gewindestange oder Kugelumlaufspindel ausgebildet und durch ein darin eingreifendes Element wird zumindest ein damit verbundener Regenerator durch Drehen der Gewindestange bzw. Kubelumlspindel in Hubrichtung bewegt.
    Wahlweise als speziellere Alternative weist die Gewindestange bzw Kugelumlaufspindel ßereiche mit unterschiedlichen Ganghöhen auf in welche die Verbindungselemente der unterschiedlich schnell bewegten Regeneratoren eingreifen, so daß sie bei einer Drehung der Gewindestange bzw. Kugelumlaufspindel mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in Hubrichtung bewegt werden, so kann die Anzahl der beweglichen Teile erheblich reduziert werden.
    So kann eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine mit nur fünf bewegten Teilen und den notwendigen Ventilen aufgebaut werden.
    Bei diesen Alternativen wird wahlweise durch die Verwendung einer Kubelumlaufspindel und dort eingreifende Verbindungselemente mit je einer geschlossene, sich kreuzenden Gewindebahn werden die Regeneratoren bei Drehung der Kugelumlaufspindel mit konstanter Geschwindigkeit in Hubrichtung periodisch aufund abbewegt oder zumindest eine Gewindestange bzw. Kugelumlaufspindel wird periodisch mit unterschiedlicher Richtung gedreht wahlweise durch ein mechanisches Steuersystem oder direkt durch einen entsprechend gesteuerten Motor
    Dabei greift für einen mit handelsüblichen Teilen realisierbaren Aufbau der unterste Regenerator in eine Kugelumlaufspindel mit geschlossener Bahn und zumindest ein Teil der anderen Regeneratoren in eher gewöhnliche Gewindebahnen, deren Bahnen nicht geschlossen sind.
    Dadurch ist ein Aufschlagen des untersten Regenerators auf der Flüssigkeitsoberfiäche ausgeschlossen.
    Das Führungsrohr wird in der Mitte von Arbeitsgas aus dem kühlsten Teilraum periodisch oder kontinuierlich durchströmt.
    Mit dem Rohr mit Gewinde bzw. Kugelumlaufspindel ist ein Radial-Ventilator verbunden und das Rohr in diesem Bereich seitlich ebenso wie im kühlsten Teilraum auf der anderen Seite der Rohrmitte geöffnet.
    Eine separate Rohrleitung für Arbeitsgas führt vom an die eine Öffnung des Führungsrohres angrenzenden Raum zum Raum, der an die andere Öffnung im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche angrenzt.
    Es wurde bereits aufgezeigt, daß eine periodische Kompression durch periodische Volumenänderung des Arbeitsraumes den Energieumsatz erhöht.
    Dies wird am effektivsten dadurch erreicht, daß an den kältesten Bereich im Arbeitsraum ein Rohr 304 mit einer im Betriebszustand schwingenden Wassersäule 305 angekoppelt wird.
    Dazu wird ein Rohr 306 in Hubrichtung mit einer Öffnung über der Flüssigkeitsoberfläche 288 aus dem Gehäuse 280 gerührt.
    Bei einer Anlage mit einem einzelnen Arbeitsraum wird das andere Ende des angekoppelten Rohres 304 der periodisch in Resonanz schwingenden Flüssigkeitssäule 305 mit einem Druckgefäß 306 verbunden.
    Es erfolgt wahlweise eine Verbindung 307 der beiden an die Enden der Flüssigkeitssäule 305 anschließenden Räume 308, 309 auf der Höhe der angestrebten mittleren Flüssigkeitsoberfläche 310 mit einem Reduzierventil 311, so daß für den Druckausgleich nur eine vernachlässigbare Menge Flüssigkeit periodisch durchströmen kann, aber eine erhebliche Gasmenge oder es wird dem Druckgefäß pro Periode ein geringfügiger Anteil des Arbeitsgases durch ein Rohrsystem mit Rückschlagventil aus dem Arbeitsraum zugeführt und eine weitere Rohrleitung mit Rückschlagventil am Druckgefäß angeschlossen auf der angestrebten mittleren Höhe der Flüssigkeitsoberfläche, welche in den Raum führt, der an das andere Ende der Flüssigkeitssäule angrenzt, wodurch nur eine vernachlässigbare Menge Flüssigkeit periodisch strömt, aber ein erheblicher Gasatrom.
    Dadurch wird die Gasmenge im Druckgefäß stabilisiert.
    An der Verbindung vom Arbeitsraum zum Rohr mit der schwingenden Flüssigkeitssäule ist ein Ventil 312 angebracht, das einen Anschlag in Strömungsrichtung zum Arbeitsraum aufweist, gegen den die Ventilplatte 313 dichtend gedrückt wird, sobald die Flüssigkeitssäule sich zu weit Richtung Arbeitsraum bewegt hat.
    Wenn dieses Ventil geschlossen wird, so kann der sich davor aufbauende Überdruck durch ein aus diesem Raum 308 führendes entsprechend am Rohrsystem der schwingenden Wassersäule angeschlossenes Überdruckventil und ein spezielles Rohr (in den Druckbehälter) ans andere Ende 309 der schwingenden Flüssigkeitssäule 305 gelangen.
    Ein weiteres Überdruckventil 315, angekoppelt an den selben Raum 308, führt anstatt zum Druckgefäß 309 zu einem externen Behälter 316.
    Der Flüssigkeitsstand in diesem Behälter wird auf möglichst hohen Niveau konstant gehalten.
    Er ist mit einem weiteren Rückschlagventil mit einem Ende des Rohrsystems um die schwingende Wassersäule verbunden, durch welches eine geringe Menge der Flüssigkeit in bestimmten Zeitperioden wieder zurückströmen kann.
    Am untersten periodisch bewegten Regenerator ist ein in Hubrichtung verlaufendes Rohr 295a befestigt, in das Gas aus dem darüber angrenzenden Teilraum ungehindert ein- und ausströmen kann und dessen unterstes Ende immer in die Flüssigkeit eintaucht.
    Konzentrisch in diesem Rohr 295a, dichtend verbunden mit dem Gehäuse ist ein Rohr 295b angeordnet, dessen Oberkante der Höhe der maximalen, am Dichtungszylinder 285 des Regenerators anstehenden Flüssigkeitsoberfläche 288 entspricht und das in einem Bereich im Arbeitsraum oberhalb des Sicherheitsventils 313 am Zugang zur schwingenden Wassersäule 305 führt, aus dem die evtl. überströmende Flüssigkeit zur Flüssigkeit der schwingenden Flüssigkeitssäule 305 gelangt.
    Ein Rohr 299, dessen Oberkante im untersten Teilraum auf der Höhe der angestrebten Flüssigkeitsoberfläche 288 im Arbeitsraum endet, wird möglichst weit unten mit dem vorher beschriebenen Rohr 295 verbunden, das zur schwingenden Flüssigkeitssäule 305 führt.
    Wenn der Flüssigkeitsspiegel im Arbeitstaum 288 höher ist, als der Anschluß des damit verbundenen Röhrendes an der schwindenden Flüssigkeitssäule beim Ventil 313, so wird von der Einmündung in das vorher beschriebene Rohrsystem eine poröse Struktur 297 integriert, die nicht umströmt werden kann.
    Durch ein Ventil wird dem Arbeitsraum bei jedem Starr der Maschine eine bestimmte Mange (z.B. 3l) Flüssigkeit zugeführt.
    Der Rest des Managements der verschiedenen Flüssigketismengen in der Maschine erfolgt mit der oben beschriebenen Konstruktion und den funktionellen Zusammenhängen automatisch.
    Das Druckgefäß kann wahlweise durch einen weiteren Arbeitsraum ersetzt werden, in dem der thermodynamische Kreisprozeß bei identischer Periodendauer um eine halbe Periodendauer versetzt abläuft
    Ein Schüttgutspeicher funktioniert thermodynamisch gut und wird mit erträglichem Aufwand aufgebaut, indem das vom Wärmeträgermedium (z.B. Luft) durchströmte Schüttgut 348 durch zumindest eine isolierende undurchströmbare Zwischenschicht 349 in konzentrische Schalen mit zylinderförmigern Mantel mit vertikaler Achse und nach außen gewölbten Boden- und Decktlächen aufgeteilt ist und die durchströmbaren Übergänge 350 von einer inneren, mit Schürtgut gefüllten Schale zur angrenzenden äußeren Schale durch Öffnungen im isolierenden Zylindermantel 349 erfolgen, welche im Bereich einer Ebene durch die Zylinderachse jeweils beidseitig dazu angeordnet sind und die Strömung durch im Bereich dieser Ebene verlaufenden undurchströmboren Verbindungen so geführt wird, daß die Schalen nur in einer Umdrehungsrichtung um die vertikale Zylinderachse durchströmt werden können.
    Ein Übergang zwischen zwei mit Schüttgut ausgefüllten Halbschalen ist nur bei Durchströmung eines vertikalen Schachtes 351 möglich, über den auch Wärmeträgermedium ausgetausch werden kann.
    Dadurch kann durch stellenweise Verkleinerung des Einströmkanals die Strömung so gesteuert werden, daß im Schacht nur Wärmeträgermedium in einem engen Temperaturbereich strömt.
    Einer der äußersten Isolationsschichten 352 wird von einer Schüttungsschicht zur anderen durchströmt. Dadurch bildet sich eine entschiedende Krümmung des Temneraturprofils heraus, wodurch aufgrund der kleineren Steigung auf der kühleren Seite nur ein geringerer Verlustwärmeenergiefluß als ohne die Durchströmung entgegen dem Temperaturgefälle auftritt.
    In den horizontal verlaufenden Schüttgutschichten 353 werden vorallern im Bereich der Zylinderachse 354 die Strömungswege verlängert durch zusätzliche kleinere undurchströmbare Barrieren 355.
    Dadurch werden diese Schüttgutschichten 353 auch relativ gleichmäßig durchströmt, die Strömungswege etwa gleichlang wie im Zylindermantel 356 und es kommt nicht zu einer ungünstigen Vermischung von Wärmeträgermedium bei unterschiedlicher Temperatur.
    Zur saisonalen Speicherung wird der Schüttgutspeicher bei der Abkühlung von heiß einströmender und kühl ausströmender Luft auf weit über 100°C erhitzt und dem Schüttgutspeicher wird einige Wochen später Wärmeenergie entnommen durch Luft, die mit ca. 50°C in den äußeren Speicherbereich einströmt und durch einen der Luftkanäle bei 120°C - 150°C entnommen wird und anschließend abgekühlt wird durch einen Wärmetauscher, der Wasser von ca. 40°C auf 100°C erhitzt, welches einem isolierten Wasserspeicher im unteren Bereich entnommen und im oberen Bereich zugeführt wird.
    Die Abwärme der als Heißgasmotor betriebenen Wärmekraftmaschine wird bei Häusern zur Energieversorgung für Heizung und Warmwasser eingesetzt.
    Um den Betrieb der Maschine zeitlich vom Wärmebedarf zu entkoppeln wird ein Speicher zwischengeschaltet.
    Ein hoher Synergieeffekt wird erreicht, wenn der Speicher nicht mit reinem Wasser gefüllt wird, sondern mit Biomüll und Fäkalien.
    Insbesondere wenn die saisonale Wärme-Speicherung angestrebt wird, so sind die Fäkalien im Sommer zu heiß, als daß Zersetzungsreaktionen oder die Biogaserzeugung in erheblichem Umfang ablaufen könnten.
    Dieser Effekt wird beim Einmachen von Obst in ähnlicher Weise genützt.
    Wenn dieser Speicher im späten Herbst oder Winter abgekühlt wird, so kann die Biogaserzeugung einsetzten.
    Es wird dadurch nicht nur Wärmeenergie saisonal gespeichert, sondern es findet auch eine indirekte Speicherung von Biogas statt

    Claims (26)

    1. Verfahren zum Transfer von Entropie mittels einem offenen periodischen thermodynamischen Kreisprozess mit
         zumindest einem Arbeitsvolumen, das mit einem Arbeitsfluid gefüllt ist,
         mindestens einem mittleren Teilvolumen im Arbeitsvolumen, das zwischen zwei isothermen Flächen liegt und periodisch in der Größe verändert wird,
         wobei das mittlere Teilvolumen von einer isothermen Fläche zur anderen von Arbeitsfluid durchströmt wird,
         wobei ein Arbeitsfluidaustausch bei unterschiedlichen Druckniveaus und zu unterschiedlichen Zeitperioden (c-d-e, g-h-a) aus dem Arbeitsvolumen an zumindest ein Volumen mit weitgehend konstantem Druck und/oder aus zumindest einem Volumen mit weitgehend konstantem Druck in das Arbeitsvolumen erfolgt,
         wobei eine Änderung der über das Arbeitsvolumen gemittelten Temperatur des Arbeitsfluides durch die periodische Änderung der Größe des weinigstens einen mittleren Teilvolumens mit verursacht wird,
         wobei wenigstens ein mittleres Teilvolumen während des Arbeitsfluidaustausches bei weitgehend konstantem Druck in der Größe verändert wird,
         wobei das mindestens eine mittlere Teilvolumen in seiner Größe oder sein Größenverhältnis zum Arbeitsvolumen weitgehend konstant gehalten wird, wenn (a-b-c, e-f-g) ohne Arbeitsfluidaustausch der Druck im Arbeitsvolumen verändert wird,
         wobei im Bereich der wenigstens zwei isothermen Flächen Wärme ein- und/oder ausgekoppelt wird,
         wobei an die das mindestens eine mittlere Teilvolumen eingrenzenden, durchströmten isothermen Flächen jeweils ein weiteres Teilvolumen angrenzt, das Arbeitsfluid in den Teilvolumina unterschiedliche Temperaturen aufweist und die Größe der Teilvolumina periodisch verändert wird,
         wobei während einem ralativ zur Periodendauer des Kreisprozesses viel längeren Zeitintervall entweder eine Wärmeenergieaufnahme oder -abgabe an das Arbeitsfluid im Arbeitsvolumen durch zumindest eine Substanz zumindest eines kontinuierlichen oder periodisch an- und abschwellenden Massenstromes bei gleitender Temperatur oder bei mehreren Temperaturniveaus erfolgt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme von Arbeitsfluid in das Arbeitsvolumen und die Abgabe von Arbeitsfluid aus dem Arbeitsvolumen jeweils aus Teilvolumina erfolgt, die eine unterschiedliche Temperatur aufweisen und die durch eine der isothermen Flächen, in deren Bereich vom Arbeitsfluid Wärmeenergie auf- und/oder abgenommen wird, getrennt sind.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Arbeitsfluidaustausch zu gleichen Zeitperioden und zu annähernd gleichen Druckniveaus erfolgt.
    4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des zumindest einen Arbeitsvolumens periodische geändert wird.
    5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des zumindest einen Arbeitsvolumens überwiegend in den Zeitperioden (a-b-c, a-f-g, vgl. Fig. 4-6) periodisch verändert wird, in denen keine Aufnahme oder Abgabe von Arbeitsfluid in bzw. aus dem Arbeitsvolumen erfolgt.
    6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Substanz das Arbeitsfluid ist.
    7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der offene periodische Kreisprozess mittels Solarenergie, Geothermie, Verbrennungsenergie, insbesondere aus nachwachsenden Rohstoffen, Abwärme oder Kernkraft angetrieben wird.
    8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsenergie in einem von der Substanz durchströmten Speicher, insbesondere in Form einer Schüttung, zwischengespeichert wird.
    9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
         zumindest einem mit einem Arbeitsfluid (301, 310) gefüllten Arbeitsvolumen (11, 8, 36-41, 43, 114, 131-135, 156, 207-210, 281-284, 275-277) in einem Druckbehälter (1, 128, 302, 288, 107),
         zumindest zwei von Arbeitsfluid durchströmbaren Einrichtungen (11, 8, 36-41, 43, 114, 131-135, 156, 207-210, 281-284, 275-277) zum Einschließen wenigstens eines periodisch in der Größe veränderten mittleren Teilvolumens (11, 36-41, 131-135, 207-210, 281-284, 275-277) in dem Arbeitsvolumen,
         zumindest einem Mittel (21-24, 29-32, 55-91, 117, 150-155, 298-300) zur periodischen Änderung der Größe des wenigstens einen mittleren Teilvolumens, so daß eine Änderung der über das Arbeitsvolumen gemittelten Temperatur des Arbeitsfluides während des Arbeitsfluidaustausches bei weitgehend konstantem Druck dadurch mit verursacht wird und das wenigstens eine mittlere Teilvolumen in seiner Größe oder sein Größenverhältnis zum Arbeitsvolumen weitgehend konstant gehalten wird, wenn ohne Arbeitsfluidaustausch der Druck im Arbeitsvolumen verändert wird,
         zumindest einem Mittel (146, 2, 22, 29-32, 113, 304-316, 11, 36-41, 131-135, 207-210, 281-284, 275-277) zur Änderung des Druckes im Arbeitsvolumen,
         zumindest einem Mittel (18, 8, 11, 36-41, 131-135, 207-210, 281-284, 275-277, 7, 43, 115, 156, 290) zur Wärmeenergieaufnahme oder -abgabe an das Arbeitsfluid im Arbeitsvolumen durch zumindest eine Substanz zumindest eines kontinuierlichen oder periodisch an- und abschwellenden Massenstromes bei gleitender Temperatur oder bei mehreren Temperaturniveaus während einen relativ zur Periodendauer des Kreisprozesses viel längeren Zeitintervall,
         wobei zum Arbeitsfluidaustausch bei unterschiedlichen Druckniveaus wenigstens ein Ventil (3, 4, 48, 4°, 111, 112, 130, 129a, 129b, 291, 294) zur Aufnahme von Arbeitsfluid aus zumindest einem, bzw. Abgabe von Arbeitsfluid in zumindest einen Raum mit im wesentlichen konstanten Druck (13, 20, 19, 17), geöffnet ist,
         wobei im Bereich der zumindest zwei durchströmbaren Einrichtungen (11, 8, 36-41, 43, 114, 131-135, 156, 207-210, 281-284, 275-277) vom Arbeitsfluid Wärmeenergie aufgenommen und/oder abgegeben wird und jeweils isotherme Flächen verlaufen, die über Dichtmittel (285, 288, 101, vgl. Fig.13) oder die Begrenzung des Arbeitsvolumens (1, 44) miteinander verbunden sind,
         wobei an der zum mittleren Teilvolumen abgewendeten Seite der isothermen Flächen im Bereich der durchströmbaren Einrichtungen (11, 8, 36-41, 43, 114, 131-135, 156, 207-210, 281-284, 275-277) je ein periodisch in der Größe verändertes Teilvolumen mit unterschiedlicher Temperatur angrenzt.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der isothermen Fläche, dort wo der Wärmeenergieaustausch erfolgt, ein Regenerator (8, 11, 36-41, 131-135, 207-210, 281-284, 275-277) angeordnet ist.
    11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der isothsrmen Fläche, dort wo der Wärmeenergieaustausch erfolgt, ein Wärmetauscher (7, 43, 115, 156, 290) angeordnet ist.
    12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch ein Steuersystem (21-24, 29-32, 55-91, 117, 150-155, 298-300) zum periodischen Bewegen der zumindest zwei durchströmten Einrichtungen (11, 8, 36-41, 43, 114, 207-210, 281-284) gegeneinander, um das mittlere Teilvolumen zwischen den durchströmten Einrichtungen (11, 8, 36-41, 43, 114, 207-210, 281-284) während zumindest einer Zeitperiode bis auf den Totraum zu reduzieren.
    13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
      die zumindest zwei durchströmten Einrichtungen (114, 131-135, 156, 274-277) fest im Arbeitsraum montiert sind und das dazwischenliegende mittlere Teilvolumen durch zumindest einen von dem Steuersystem (117, 150-155) dazwischen periodisch eingeschobenen Verdränger (279, 114, 142-145) während zumindest einer Zeitperiode bis auf den Totraum reduziert wird.
    14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zwei durchströmbaren Einrichtungen als gegeneinander bewegliche Verdrängerkolben (114) ausgebildet sind, wobei das mittlere Teilvolumen zwischen je zwei Verdrängerkolben (114) liegt.
    15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch eine Kompressionseinrichtung (2, 22, 29-32, 113, 304-316) zum periodischen Verändern der Größe des Arbeitsvolumens.
    16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionseinrichtung zumindest eine bewegliche Flüssigkeitssäule (304) umfaßt.
    17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionseinrichtung zur periodischen Veränderung der Größe des Arbeitsvolumens ein auf die anderen periodischen Bewegungen abgestimmtes resonantes schwingendes System ist. (304 - 316)
    18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem zur Steuerung und Regelung der Kompressionseinrichtung ausgelegt ist. (2, 22, 29-32, 113)
    19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die von Arbeitsfluid durchströmbaren Einrichtungen (11, 8, 36-41, 43, 114, 131-135, 156, 207-210, 281-284, 275-277) zum Abtrennen, Reinigen, oder physikalischen oder chemischen Verändern von zumindest einer im Arbeitsfluid enthaltenen Substanzen dient und insbesondere als Katalysator wirkt.
    20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtung und die Symmetrieachse der durchströmbaren Einrichtungen (11, 8, 36-41, 43, 114, 207-210, 281-284) vertikal ist, und daß insbesondere die durchströmbaren Einrichtungen kegelförmig sind.
    21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei der durchströmbaren Einrichtungen (11, 8, 36-41, 43, 114, 131-135, 156, 207-210, 281-284, 275-277), die nicht unmittelbar benachbart sind, in festem Abstand durch Elemente in Bewegungsrichtungrichtung miteinander verbunden sind, und daß jeweils zwei unmittelbar benachbarte durchströmbare Einrichtungen sich periodisch aufeinander zubewegen und wieder voneinander entfernen.
    22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 21, gekennzeichnet durch ein Turbine (14), die mit zwei Räumen (13, 15) mit unterschiedlichen Drücken verbunden ist, wobei die beiden Räume (13, 15) durch das zumindest eine Ventil (3, 4, 48, 49, 111, 112, 130, 129a, 129b, 291, 294) mit dem Arbeitsvolumen verbunden sind.
    23. Vorrichtung, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von Vorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 22.
    24. Vorrichung, gekennzeichnet durch eine Parallelschaltung einer Mehrzahl von Vorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 22.
    25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der durchströmbaren Einrichtungen (11, 8, 36-41, 43, 114, 131-135, 156, 207-210, 281-284, 275-277) mit einer Phasenverschiebung von einem Viertel (25%) gegenüber der Kompressionseinrichtung (2, 22, 29-32, 113, 304-316) angetrieben wird.
    26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 25, gekennzeichnet durch die Verwendung im Rahmen einer Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere in Nah- und Fernwärmenetzen.
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