EP1509690A1 - Verfahren und einrichtung zur umwandlung von wärmeenergie in kinetische energie - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur umwandlung von wärmeenergie in kinetische energie

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EP1509690A1
EP1509690A1 EP03735135A EP03735135A EP1509690A1 EP 1509690 A1 EP1509690 A1 EP 1509690A1 EP 03735135 A EP03735135 A EP 03735135A EP 03735135 A EP03735135 A EP 03735135A EP 1509690 A1 EP1509690 A1 EP 1509690A1
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EP
European Patent Office
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space
work
working
regenerator
compression
Prior art date
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Application number
EP03735135A
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English (en)
French (fr)
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EP1509690B1 (de
Inventor
Camillo Holecek
Klaus Engelhart
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Donauwind Erneuerbare Energiegewinnung und Beteiligungs & Co KG GmbH
Original Assignee
Donauwind Erneuerbare Energiegewinnung und Beteiligungs & Co KG GmbH
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Publication date
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Application filed by Donauwind Erneuerbare Energiegewinnung und Beteiligungs & Co KG GmbH filed Critical Donauwind Erneuerbare Energiegewinnung und Beteiligungs & Co KG GmbH
Priority to AT03735135T priority Critical patent/ATE306016T1/de
Publication of EP1509690A1 publication Critical patent/EP1509690A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1509690B1 publication Critical patent/EP1509690B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines

Definitions

  • the invention relates to a method for converting thermal energy into kinetic energy, wherein a working medium in at least one work space separated by a displacer undergoes the following state changes in the process:
  • Heat dissipation preferably isochoric heat dissipation, in the regenerator when pushed back into the compression space.
  • the invention also relates to a device for carrying out the method.
  • Energy cannot be "created” in the sense of newly created. Energy is available in the most varied forms in nature, but not every existing form of energy can be used equally well for human needs. For example, the energy in wood can be used very well 5 for heating purposes , but relatively poorly generate light or cold for the refrigerator etc.
  • the efficiency is also not better in other conversion processes, such as the conversion of chemical energy in petroleum to kinetic energy for driving cars, ships, trains or even airplanes, although the conversion chain is shorter.
  • the conversion process is implemented in the Stirling engine.
  • the Stirling engine can convert thermal energy directly into kinetic energy without the "detour" via steam.
  • the Stirling engine is the second oldest after the steam engine
  • Heat source increasingly interested. However, he has a lot of catching up to do in research and development to do a similar one "Maturity", such as today's steam engines or the petrol engine in a car.
  • thermodynamically favorable process control very high efficiencies are to be expected in principle - also in
  • Stirring motors Three different types are currently distinguished from the embodiment: the ⁇ type, the ⁇ type and the ⁇ type. These Stirling engine types differ primarily in the functional principle and the constructive implementation.
  • the ideal Stirling process corresponds to a Carnot process and therefore has a very high efficiency. In practice, however, an exact implementation, i.e. an exact replication of the ideal or better the theoretical process, is not possible. A number of design-related deviations have to be accepted with machines that have a negative impact on efficiency and power density.
  • crank drives with flywheels so that there is a reversal of movement at the dead centers, but not a brief standstill, as is the case with theory
  • the ⁇ machine uses two pistons in separate cylinders, one piston being located in the hot expansion space and the other piston in the cold compression space. Depending on the work step or crankshaft angle, both pistons are either working pistons and then displacers again.
  • the ß machine uses a piston and a displacer, whereby both the piston and the displacer are housed in the same cylinder.
  • Gearbox eg Rhomboid gear required.
  • the main disadvantage of the ß machines is, similar to that of the ⁇ motors, the dry running seals. Furthermore, the sequence of movements of the piston and displacer, which acts like a crank mechanism despite the complex gearbox and therefore has dead centers with reversal of movement but no real standstill. In the case of the ß - type too, the efficiency of the Stirling engines that are actually implemented is far from the efficiency of the ideal Stirling process.
  • double-acting stirring machines were also developed and manufactured, in particular of the ⁇ type.
  • the Franchot Stirling engine is known, for example. With this engine, a Stirling process takes place in the space above the two pistons, but also below the pistons, i.e. the two cylinders always carry out two different work cycles of two different Stirling processes with the top and bottom of the piston at the same time.
  • the two pistons and the associated cylinders limit four variable volumes, which can be viewed in pairs as two separate ⁇ machines.
  • the expansion piston and the compression piston must have a phase shift of approx. 90 °.
  • the efficiency of double-acting machines, such as the Franchot Stirling engine is no better than that of single-acting machines. The serious disadvantages and problems remain the same. Only the volume performance can be improved by the compactness.
  • Siemens Stirling engine which, with any number of cylinders, is the standard configuration of most powerful Stirling engines, such as the 4-95 ' mechanical from United Stirling with an output of approx. 52 kW.
  • Several designs have also been developed for this version, such as the arrangement of the cylinders in series, as "U”, as "V, in a square or in a circle.
  • U the arrangement of the cylinders in series
  • V the arrangement of the heater, regenerator and cooler was chosen in this way for the Siemens Stirling engine If the piston is sealed in the housing wall in the cold part, the main disadvantages of the machines remain.
  • the object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset which on the one hand avoids the above disadvantages and on the other hand makes it possible for the first time to design a Stirling engine in such a way that its mode of operation can be brought much closer to the ideal Stirling process than before.
  • the object is achieved by the invention.
  • the method according to the invention is characterized in that the working medium flows back and forth between at least two closed working rooms, the working medium being passed between the working rooms via a working machine for the purpose of delivering useful work, the heat being taken up in front of the working machine and the heat being removed after the working machine and that the working medium is compressed in the work space after the heat has been dissipated and that the displacer then flows from one side through the regenerator to the other side of the displacer, the flow of the working medium being controlled by control elements, in particular valves, and each displacer being moved by a drive becomes.
  • control elements in particular valves
  • the higher efficiency is primarily due to the better approximation of the work process carried out to the theoretical cycle, which is achieved with the method according to the invention. Due to the temperature difference of the working medium in the two coupled work rooms and the resulting pressure differences, it flows into the cold work room and does work on a work machine. The state of equilibrium that arises is due to the fact that the majority of the working medium is located in the cold work area. In the subsequent isochoric regenerator cycle, with the addition of heat, the pressure difference builds up in a mirror image between the work rooms and is converted back into work via the work machine. This behavior is analogous to a resonant circuit and, with the Carnot efficiency remaining the same, enables a higher power density based on the amount of working medium than in the theoretical ideal Stirling process.
  • the working space is separated into a double-acting working space by the displacer.
  • the process can run faster since there are no overflow sections.
  • any seals against an otherwise necessary buffer space are not required.
  • each displacer is moved by its own drive.
  • a linear drive is used, which can be controlled independently of other movements, so that any number and any long downtimes can be achieved, for example, with the displacers.
  • the displacers of the coupled work spaces are moved via a rigid connection via a drive.
  • a simple structure for example, two hot or cold work spaces being coupled to one another. This allows a full immersion of the hot-hot
  • the work space is divided by the displacer into an expansion and a compression space, the working medium used for the useful work after leaving the expansion space via the regenerator assigned to this work space for the delivery of useful work via the
  • This version is the so-called "cold" motor.
  • the working machine can be simply constructed since it is not exposed to high temperature stresses.
  • the expansion of the cold working medium cooled by the regenerator can generate cold, which may possibly be introduced into the cold one
  • the efficiency and the power density are higher than with a ⁇ -type Stirling engine that flanged the working piston on the cold side.
  • the work space is divided by the displacer into an expansion and a compression space, the working medium used for the useful work after leaving the expansion space for the delivery of useful work, possibly via a heater, flowing over the work machine and then over the regenerator and optionally via a compressor, optionally via a further cooler, flows into the compression space of the coupled work space and then flows through the movement of the displacer from the compression side through the regenerator assigned to this work space into the expansion space of the same work space.
  • This version is the so-called "hot" engine.
  • the theoretical efficiency of this type is approximately that of the Carnot efficiency, the theoretical power density based on the amount of working medium is higher than that of the ideal Stirling process.
  • the work space is divided by the displacer into two expansion or two compression spaces, the working medium used for useful work flowing out of an expansion space via the regenerator assigned to this work space for delivering useful work via the work machine and after the machine flows into the compression space of the coupled work space and then flows through the movement of the displacer from the compression side through the regenerator assigned to this work space into the other expansion space of the work space.
  • this "low temperature" motor enables the use of low temperature for the generation of electricity as well as the generation of cold.
  • the heat is absorbed isobarically, in particular directly in front of the machine.
  • the main advantage can be seen in the fact that the temperature in the displacers is limited to the maximum regenerator temperature, the regenerator temperature being below the heater temperature.
  • the compression takes place by means of pressure compensation and / or by a compressor. If the compression is done solely by means of pressure equalization, a rotating machine, i.e. the compressor, is not required. The process will certainly be easier. With the integration of a compressor, an even higher efficiency is achieved.
  • the device according to the invention for carrying out the method is characterized in that at least two closed work spaces are provided, each work space being movable by a drive
  • Displacer is divided into two sections, one section having a heater and the other section having a cooler and each working space having a regenerator assigned to it, both sections being connected to the same Regenerator are connected and that at least one section of each work space is connected to a work machine, the section used for the subsequent delivery of the useful work is connected to the corresponding section of the other work space and that control elements, in particular valves, are provided for controlling the working medium.
  • a higher power density is achieved with the device according to the invention.
  • Another advantage of the device according to the invention is that the machine can be operated at a low clock frequency.
  • the workrooms do not have real piston seals and thus avoid the sealing problem that occurs particularly with larger piston volumes.
  • large-volume work rooms can be used that can be operated with a low clock frequency and discontinuously. This brings the ideal Stirling process closer.
  • the dead space is the volume that does not participate in the thermodynamic process and thus has a detrimental effect on the efficiency. It is created virtually by sinusoidal movement of the working pistons, and in real terms by the volume of the regenerator, the heating pipes, etc. flowed through by the working medium, etc.
  • Working machine, regenerator, heater and cooler results in a favorable ratio of dead space to working space and is many times lower than the machines currently being built.
  • the minimization of the driving forces is also advantageous. They are made up of the flow resistance of the isochoric pushing of the working medium inside the work area, the actuation of the valves and, if necessary, the compression of the working medium by a compressor.
  • One of the main components, the friction of the dry running piston seals together with the friction of the crank drive are eliminated.
  • At least one control element in particular a valve, is provided in the connections between the working machine and the individual sections. These serve to decouple the working and regenerator cycle.
  • a slot control could also be used instead of control via valves.
  • the working machine is a turbine, in particular an axial, radial or Tesla turbine.
  • a turbine in particular an axial, radial or Tesla turbine.
  • the working machine is a piston engine.
  • This version has the advantage that it is cheap and can be carried out with standard components.
  • the work machine is a screw motor.
  • the screw motor offers the advantage of eliminating the seals.
  • the drive for the displacer is a linear drive.
  • the linear drive ensures precisely controllable acceleration and deceleration of the displacer. As a result, discontinuous movement, which corresponds to the ideal thermodynamic process, is possible with little loss. All bushings and thus seals for the linkage or crank mechanism can be omitted. A possible quick power regulation is by changing the
  • Displacement clock frequency is possible immediately and does not have to be induced by changing the upper temperature. This enables very good control in the partial load range.
  • a heater is optionally connected upstream and / or downstream of the regenerator.
  • the heater supplies energy to the working medium, thus increasing the total receiving area in the hot area.
  • a special embodiment variant of the invention is characterized in that the work space is divided by the displacer into an expansion and a compression space, that the expansion space with the regenerator assigned to this work space and the regenerator with the Work machine is connected that the outflow side of the work machine is connected to the compression space of the coupled other work space and this compression space is connected via the regenerator assigned to this work space to the expansion space of the same work space, with a respective one between the regenerator and the inflow side of the work machine and the outflow side of the work machine and compression space Control element, in particular a valve, is provided.
  • a further special embodiment of the invention is characterized in that the working space is divided by the displacer into an expansion and a compression space, that the expansion space with the upstream side of the work machine and the work machine with its outflow side via the regenerator and possibly via a compressor with the Compression space of the coupled other work space is connected and this compression space is connected to the expansion space of the same work space via the regenerator assigned to this work space, a control element, in particular a valve, being provided between the expansion space and the inflow side of the working machine and the outlet side of the regenerator and compression space.
  • Another alternative embodiment of the invention is characterized in that the working space is divided into two expansion or two compression spaces by the displacer, that each expansion space has one
  • Regenerator is connected to the upstream side of the working machine and the downstream side of the working machine is connected to the compression space of the coupled other working space and this compression space is connected via a regenerator to the expansion space of the other working space, the regenerator connected downstream of the expansion space and the upstream side of the working machine and the outlet side the working machine and compression chamber each have a control element, in particular a valve, is provided.
  • the hot gases could also be expanded, analogously to the working principle of the hot engine.
  • a further embodiment of the invention is characterized in that a heater is arranged in the flow direction after the section which is connected to the working machine. As a result, higher temperatures are reached in front of the working machine, which leads to a better power yield.
  • the heater is arranged separately from the section, for example in the combustion chamber of a boiler.
  • the equipment parts used as a heater are loaded with the highest temperature, so that only these parts have to be dimensioned accordingly.
  • Fig. 4 shows an embodiment of the device with locally separate heaters
  • Fig. 5 is a diagram of the operation of a device.
  • the same parts or states are provided with the same reference symbols or the same component designations, the disclosures contained in the entire description being able to be applied analogously to the same parts or states with the same reference symbols or the same component designations.
  • the device using a working medium for converting thermal energy into kinetic energy has two closed working spaces 1, 2, each working space 1, 2 by a movable displacer 3, 4 in two sections, namely in an expansion and a compression space is divided.
  • Each displacer 3, 4 can be moved via a drive, in particular via a linear drive 5.
  • Each working space 1, 2 has a regenerator 6, 7 assigned to it. Both sections of the work space 1 and 2 are connected to this regenerator 6 and 7 via lines 8, 9 and 10, 11, respectively.
  • a section - in the illustrated case the expansion space - of each work space 1 or 2 is connected to a work machine 12.
  • the expansion space of the work space 1 used to deliver the useful work is connected after the work machine 12 to the corresponding section - that is to say the compression space - of the work space 2.
  • control elements in particular valves 13, are provided, which are arranged between the working machine 12 and the individual sections of the working space 1 or 2.
  • valves 13 instead of the valves 13, a slot control could also be used.
  • a turbine in particular an axial or radial turbine, can be used as the working machine 12.
  • a work machine 12 too a piston or screw motor possible.
  • the work machine 12 is connected to the generator 18 via a shaft 17.
  • the working medium flows back and forth between the two double-acting, closed working spaces 1, 2.
  • the working medium is guided between work rooms 1, 2 via a work machine 12.
  • the working medium then flows in the double-acting working space 1, 2 by means of the displacer 3 or 4 from one side through the regenerator 6 or 7 to the other side of the displacer 3 or 4, the flow of the working medium being controlled via the valves 13 and each displacer 3, 4 is moved via a drive 5.
  • the device also referred to as a 4-quadrant turbine, is shown as a "hot" motor according to FIG. 1, since the working medium in its highest temperature state is guided over the working machine 12.
  • the expansion space is on the upstream side of the Working machine 12 and working machine 12 are connected with their outflow side via the regenerator 6 or 7 and via a compressor 19 to the compression space of the coupled other working space 2. This compression space is above the latter
  • Regenerator 7 assigned to work space 2 is connected to the expansion space of the same work space 2, being between the expansion space and the inflow side
  • a valve 13 is provided for each of the work machine 12 and the outlet side of the regenerator 7 and the compression chamber.
  • the regenerator 6 or 7 consists of a heater 14, a coupling regenerator 15 and a cooler 16, the expansion space being connected to the heater 14 and the compression space being connected to the cooler 16.
  • the regenerator 6 or 7 is divided into individual sectors in the vertical direction. These sectors are sealed off from each other accordingly. In the inner sectors, the working medium flows from the working machine 12 to the compressor 19 and the outer sectors serve for the regenerator cycle of the working medium.
  • the expansion space is connected to the heater 14 of the regenerator 6 assigned to this work space 1 and the regenerator 6 to the work machine 12.
  • the outflow side of the work machine 12 is connected via the cooler 16 to the compression space of the coupled other work space 2 and this compression space is connected to the expansion space of the same work space 2 via the regenerator 7 assigned to this work space 2.
  • a valve 13 is provided between the regenerator 6 or 7 and the upstream side of the working machine 12 and the downstream side of the working machine 12 or compressor 19 and the compression chamber.
  • the 4-quadrant turbine is shown as a "cold" motor.
  • the working space 1, 2 is again divided into an expansion and a compression space by the displacer 3, 4.
  • the working medium used for the useful work flows after leaving the expansion space via the regenerator 6 assigned to this work space 1 for delivering useful work via the working machine 12 and after the working machine 12 into the compression space of the coupled one
  • the working medium then flows through the movement of the displacer 4 from the compression side through the regenerator 7 assigned to this working space 2 into the expansion space of the same working space 2.
  • the device is shown as a low-temperature motor.
  • the displacers 3, 4 are moved via a rigid connection 20 via a drive 5.
  • the work space 1, 2 is divided by the displacer 3, 4 into two expansion and two compression spaces.
  • Each expansion space of the work space 1 is connected via a regenerator 6, 7 to the inflow side of the work machine 12 and the outflow side of the work machine 12 to the compression space of the coupled other work space 2.
  • This compression space is connected via the regenerators 6 and 7 to the expansion space of the other work space 1, a valve 13 being provided between the regenerator 6 or 7 connected downstream of the expansion space and the inflow side of the work machine 12 and the outlet side of the work machine 12 and compression space ,
  • the working medium used for the useful work flows through the regenerator 6 or 7 assigned to this work space 1 for delivering useful work via the work machine 12 and after the work machine 12 into the compression space of the coupled work space 2. Then flows through the movement of the displacer 3 or 4 the working medium from the compression side through the regenerator 6 or 7 assigned to this working space 2 into the other expansion space of the working space 1.
  • the work space 2 it can be arranged in the ground, for example.
  • displacers 3 and 4 can also be designed as coupled membranes.
  • each work space 1, 2 is divided into an expansion space and a compression space by the displacer 3, 4.
  • Each displacer 3, 4 can be moved via a drive, in particular via a linear drive 5.
  • each displacer 3, 4 is mounted in a guide 22.
  • Each work space 1, 2 has one assigned to it Regenerator 6, 7 on. Both sections of the work space 1 and 2 are connected to this regenerator 6 and 7 via lines.
  • the expansion space is equipped with a reheater 21.
  • This intermediate heater 21 can be designed as a layered intermediate heater 21 or can be constructed in the form of plate packs.
  • the compression space is provided with a cooler 16.
  • the expansion space is optionally connected to a locally separated heater 14 via the reheater 21.
  • the heater 14 could be located in a boiler. Isobaric heating takes place in the heater 14.
  • the working medium flows from the heater 14 via the working machine 12.
  • the working machine 12, preferably a Tesla turbine, is coupled to a generator 18 by a direct shaft 17.
  • the working medium flows from the working machine 12 via the regenerator 7 and the cooler 16 into the compression space of the working space 2 and is isothermally compressed by the afterflow or a compressor.
  • the heat of compression is emitted in the cooler 16 of the work space 2. Due to the movement of the displacer 4 in the work space 2, the compressed working medium is transferred via the regenerator 7 and the reheater 21 into the expansion space of the work space 2. After leaving the expansion space of the working space 2, the working medium flows via the external heater 14, in which isobaric heat absorption takes place, to the working machine 12.
  • the working medium flows analogously from the working machine 12 into the compression space of the working space 1.
  • the working medium runs through a figure eight loop, with the working machine 12 being provided in the center.
  • the individual process steps are controlled by the corresponding valves (not shown).
  • the operation of the device with the valve control is described using a real example.
  • the working medium has a temperature To of 530 ° C. and a pressure Po of 30 bar.
  • the working space 2 with the displacer 4 there is a temperature Pu of 30 ° C. and a pressure Pu of 10 bar.
  • Valve 23 and 24 open in the forward direction due to the pressure difference between working chamber 1 and 2 generated in the displacement cycle.
  • the 530 ° C hot working medium now flows from the working space 1 via the valve 23 into the heater 14, where it is overheated to 630 ° C and then brought back to 530 ° C in the working machine 12 by the polytropic relaxation.
  • the working medium then passes through valve 24, the regenerator 7, where it is cooled to 60 ° C., the cooler 16, where it is cooled to 30 ° C., into the working space 2.
  • the valves 25 and 26 are in the blocking direction to the pressure difference and only open after the following regenerator cycle, ie at the next work cycle.
  • the regenerator cycle begins after the work cycle has equalized pressure between the two work rooms 1, 2; ie the same pressure prevails in the entire system (medium pressure).
  • the displacers 3, 4 now move to the opposite dead center positions and thereby shift the working medium through the regenerator-cooler unit to the other side of the displacer 3, 4.
  • the isochoric which is running off Heating or cooling of the working medium causes a change in pressure in the respective working space 1, 2; ie when pushing from cold to hot, pressure increases; when pushing from hot to cold, pressure decreases.
  • the regenerator cycle is hereby ended and the pressure difference is used for the subsequent work cycle.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie. Dabei durchläuft ein Arbeitsmedium in mindestens einem durch einen Verdränger getrennten Arbeitsraum Zustandsänderungen. Das Arbeitsmedium strömt zwischen mindestens zwei geschlossenen Arbeitsräumen (1, 2) hin und her. Zur Abgabe von Nutzarbeit wird das Arbeitsmedium zwischen den Arbeitsräumen (1, 2) über eine Arbeitsmaschine (12) geführt. Anschliessend strömt das Arbeitsmedium im Arbeitsraum (1, 2) mittels des Verdrängers (3, 4) von einer Seite durch den Regenerator (6, 7) auf die andere Seite des Verdrängers (3, 4). Der Fluss des Arbeitsmediums wird über Steuerorgane, insbesondere Ventile (13, 23, 24, 25, 26), gesteuert und jeder Verdränger (3, 4) wird über einen Antrieb (5) bewegt.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische
Energie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie, wobei ein Arbeitsmedium in mindestens einem durch einen Verdränger getrennten Arbeitsraum die folgenden Zustandsänderungen im Prozess durchläuft:
- Verdichtung, vorzugsweise isotherme Verdichtung, unter Wärmeabfuhr in einem Kompressionsraum
- Wärmeaufnahme, vorzugsweise isochore Wärmeaufnahme, in einem Regenerator während des Überschiebens des Arbeitsmediums vom Kompressionsraum in einen Expansionsraum
- Expansion, vorzugsweise isotherme Expansion, unter Zufuhr von Wärme im Expansionsraum unter Abgabe von Nutzarbeit
- Wärmeabfuhr, vorzugsweise isochore Wärmeabfuhr, im Regenerator beim Zurückschieben in den Kompressionsraum.
Femer betrifft die Erfindung auch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
-.0
Energie kann nicht „erzeugt" werden im Sinne von neu erschaffen. Energie ist in den verschiedensten Formen in der Natur vorhanden, allerdings ist nicht jede vorhandene Energieform gleichgut für die menschlichen Bedürfnisse nutzbar. Man kann beispielsweise die Energie im Holz sehr gut 5 für Heizzwecke nutzen, aber damit relativ schlecht Licht oder Kälte für den Kühlschrank usw. erzeugen.
Obwohl es für ganz bestimmte Anwendungen fast ideal zugängliche Energieformen gibt, wie beispielsweise das Erdöl für die Autos oder das 0 Erdgas für industrielle Heizungen, ist aus Sicht des Menschen die universell einsetzbare Energie die elektrische Energie. Sie kommt aber in der Form, wie wir sie kennen, in der Natur praktisch nicht vor. Das heißt, es muss eine zugängliche Energieform meist in mehreren Stufen und mit unterschiedlichen Wirkungsgraden erst in elektrische Energie umgewandelt werden. Nimmt man beispielsweise die fossilen Energieträger wie Kohle, Erdgas und Erdöl, die die Energie der Sonne in Jahrmillionen in chemischer Form gespeichert haben, zur Erzeugung von elektrischer Energie, so werden drei Umwandlungsprozesse und entsprechende Industrieanlagen benötigt. Es wird zuerst die gespeicherte chemische Energie durch Verbrennen in Wärme umgewandelt. Mit der Wärme wird hochgespannter Dampf erzeugt, der in der Dampfturbine die Wärme in Bewegungsenergie, also in kinetische Energie, umwandelt. Die Dampfturbine treibt den Generator an, in dem die Bewegungsenergie schließlich in elektrische Energie umgewandelt wird.
Jede dieser Energieumwandlungen hat einen bestimmten Wirkungsgrad, das heißt es geht jedes Mal Energie verloren und der gesamte Wirkungsgrad ist entsprechend gering. So können nur rund 40% der Energie, die in Kohle, Erdgas und Erdöl gespeichert sind in elektrische Energie umgewandelt werden. Die restlichen 60% gehen als sogenannte Abwärme für die Nutzung in Form von Strom verloren.
Auch bei anderen Umwandlungsprozessen, wie etwa bei der Umwandlung der chemischen Energie im Erdöl zu Bewegungsenergie für den Antrieb von Autos, Schiff, Bahn oder auch Flugzeugen ist der Wirkungsgrad nicht besser, obwohl die Umwandlungskette kürzer ist.
Berücksichtigt man nur die riesigen Mengen an Strom, die weltweit verbraucht werden, erkennt man, welche gigantischen Energiemengen nicht genutzt werden können und verloren gehen. Ist der Verlust der für die Umwandlung in elektrische Energie nicht nutzbaren Primärenergie schon ein großes Problem, eben durch die Verschwendung der limitierten Ressourcen, so ist die mit der Umwandlung der chemischen Energie durch Verbrennen in Wärmeenergie untrennbar verbundene Umweltbelastung für die kommenden Generationen noch viel gravierender, wie Klimaänderungen infolge der Treibhausgase, wie beispielsweise die C02-Problematik zeigt.
Es ist daher nicht verwunderlich, dass die Menschheit seit Jahrzehnten versucht die Umwandlungsprozesse zu verbessern und zu optimieren bzw. auch Teile der Abwärme zu nutzen, wie z.B. bei der Fernwärme. Die Nutzung eines Teils der Abwärme aus den kalorischen Kraftwerken zur Raumheizung, ist schon ein bedeutender Beitrag zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Umwandlung. Auch die Anstrengungen andere Energieformen wie z.B. Windenergie oder Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln zeigen erste Erfolge.
Sehr viel versprechend sind auch die Versuche durch andere Umwandlungsprozesse die Umwandlungskette zu verkürzen und so den gesamten Wirkungsgrad zu verbessern. Ein solcher interessanter
Umwandlungsprozesses ist im Stirlingmotor verwirklicht. Der Stirlingmotor kann Wärmeenergie direkt in kinetische Energie umwandeln ohne den „Umweg" über dem Dampf.
Der Stirlingmotor ist nach der Dampfmaschine die Zweitälteste
Wärmekraftmaschine, das heißt eine Maschine die Wärmeenergie in kinetische Energie umwandeln kann. Und obwohl der Stirlingmotor vom Prinzip her einen wesentlichen höheren Wirkungsgrad hat, als die Dampfmaschine und der Benzin- bzw. Dieselmotor, hat er bis heute keine größere Verbreitung erreicht. Während Dampfmaschine und Benzin- bzw. Dieselmotor laufend weiter entwickelt wurden, um neben der zufrieden stellenden Lebensdauer vor allem entsprechende Leistungsdichten bei beträchtlich gesteigerten Wirkungsgraden zu erreichen, ist der Stirlingmotor beinahe in Vergessenheit geraten. Erst in letzter Zeit gewinnt er wegen seiner geringeren Umweltbelastung und der Unabhängigkeit von der
Wärmequelle zunehmend an Interesse. Er hat allerdings einen erheblichen Nachholbedarf an Forschungs- und Entwicklungsarbeit, um einen ähnlichen „Reifegrad", wie heutige Dampfmaschinen oder der Benzinmotor im PKW zu erreichen.
Sehr viel Entwicklungsarbeit ist beispielsweise noch notwendig um den Wirkungsgrad eines ausgeführten Stiriingmotors an den Wirkungsgrad des idealen Stiriingmotors, der ident ist mit dem des Carnot-Prozesses, heran zu bringen. Für einen eventuellen mobilen Einsatz muss vor allem an der Erhöhung der Leistungsdichte und an der Verbesserung des dynamischen Verhaltens bei raschen Lastwechseln gearbeitet werden.
Die wichtigsten Vorteile des Stirlingmotor gegenüber den herkömmlichen Wärmekraftmaschinen sind, auch wenn diese wegen des Entwicklungsmankos noch nicht immer zufrieden stellend realisiert werden konnten:
1. er arbeitet mit beliebigen Wärmequellen, wie beispielsweise Solaroder Prozessabwärme, Verbrennung von Biomasse, Deponiegas oder anderen brennbaren Abfällen bis hin zu Müll u.s.w.;
2. kontinuierliche Wärmezufuhr, das heißt es ist eine Verbrennung unter optimalen Bedienungen möglich, so dass wenig Schadstoffe im
Abgas enthalten sind;
3. geschlossener Kreislauf - das Arbeitsmedium muss nicht ständig erneuert werden;
4. wegen der thermodynamisch günstigen Prozessführung sind prinzipiell sehr hohe Wirkungsgrade zu erwarten - auch im
Teillastbereich;
5. hohe Laufruhe und Geräuscharmut.
Von der Ausführungsform werden derzeit drei unterschiedliche Typen von Stiriingmotoren unterschieden: der α - Typ, der ß - Typ und der γ - Typ. Diese Stirlingmotortypen unterscheiden sich in erster Linie durch das Funktionsprinzip und die konstruktive Umsetzung. Der ideale Stirlingprozess entspricht einem Carnot - Prozess und hat deshalb einen sehr hohen Wirkungsgrad. In der Praxis ist allerdings eine exakte Umsetzung, das heißt eine genaue Nachbildung des idealen oder besser des theoretischen Prozesses nicht möglich. Bei ausgeführten Maschinen müssen eine Reihe von konstruktiv bedingten Abweichungen hingenommen werden, die sich negativ auf Wirkungsgrad und Leistungsdichte auswirken.
So konnte bis jetzt bei ausgeführten bzw. gebauten Stiriingmotoren weder eine isochore Wärmeaufnahme oder isochore Wärmeabgabe, noch eine isotherme Verdichtung bzw. eine isotherme Expansion verwirklicht werden.
Die Hauptgründe dafür sind in erster Linie die unvermeidlichen Toträume und die kontinuierliche statt diskontinuierliche Volumsänderung. Die
Bewegung der Kolben und Verdränger erfolgt über Kurbeltriebe mit Schwungscheiben, so dass zwar in den Totpunkten eine Bewegungsumkehr erfolgt, aber eben kein kurzzeitiger Stillstand, wie es der theoretische
Prozess verlangt.
Die drei Typen, die α-, ß- und γ-Maschine, entsprechen den drei bis jetzt entwickelten prinzipiellen konstruktiven Lösungen, um den idealen
Stirlingprozess möglichst gut in den ausgeführten Maschinen nachbilden zu können.
Bei der α - Maschine werden zwei Kolben in getrennten Zylindern verwendet, wobei ein Kolben im heißen Expansionsraum und der andere Kolben im kalten Kompressionsraum angeordnet sind. Beide Kolben sind je nach Arbeitsschritt bzw. Kurbelwellenwinkel entweder Arbeitskolben und dann wieder Verdränger.
Der größte Nachteil von - Motoren ist die, die Lebensdauer des Motors stark einschränkende Kolbenabdichtung im heißen Expansionsraum, für die bis jetzt noch keine zufrieden stellende Lösung entwickelt werden konnte. Ein weiterer Nachteil ist der Kurbeltrieb mit der damit bedingten großen Abweichung von theoretischen Prozess bzw. dem geringen Wirkungsgrad.
Es sind bis heute eine Reihe von verschiedenen Anordnungen der Zylinder zueinander entwickelt worden, wie parallel, fluchtend gegenüber, parallel gegenüber, V-Zylinder oder der Rotationszylinder von Finkelstein usw., die alle gleich funktionieren, die gleichen Schwachstellen bzw. den selben geringen Wirkungsgrad haben.
Bei der ß - Maschine wird ein Kolben und ein Verdränger verwendet, wobei sowohl Kolben als auch Verdränger im selben Zylinder untergebracht sind. Für den komplizierten Bewegungsablauf von Kolben und Verdränger, die je nach Arbeitstakt sich einmal aufeinander zu bewegen, dann wieder sich in die selbe Richtung, beispielsweise zur Kurbelwelle hin bewegen oder der eine steht still bzw. sollte stillstehen, während der andere sich bewegt, sind aufwendige Getriebe z.B. Rhombengetriebe erforderlich.
Der größte Nachteil der ß - Maschinen ist ähnlich wie bei den α - Motoren die trocken laufenden Dichtungen. Weiters der Bewegungsablauf von Kolben und Verdränger, der trotz aufwendiger Getriebe wie ein Kurbeltrieb wirkt und daher Totpunkte mit Bewegungsumkehr, aber keinen echten Stillstand hat. Auch beim ß - Typ ist der tatsächlich erreichte Wirkungsgrad ausgeführter Stirlingmaschinen weit weg vom Wirkungsgrad des idealen Stirlingprozesses.
Ein weiterer große Nachteil der ß - Maschinen ist das komplizierte Abdichtsystem der Verdrängerschubstange im Kompressionskolben. Durch die Anordnung von Kolben und Verdränger im selben Zylinder wird die Verdrängerschubstange durch den Kompressionskolben geführt.
Auch bei ß - Maschinen sind bis heute eine Reihe von verschiedenen Ausführungen entwickelt worden, wie z.B. Rankine-Napie oder Philips ohne die Nachteile der ß - Maschine beeinflussen zu können. Bei der γ - Maschine wird Kolben und Verdränger in separaten Zylindern angeordnet. Dadurch wird das aufwendige Dichtungssystem der Verdrängerschubstange im Kompressionskolben vermieden. Dafür erhöht sich das für den Wirkungsgrad schädliche Totvolumen.
Die größten Nachteile von γ - Maschinen sind, wie schon bei den - und ß - Maschinen beschrieben, die trocken laufenden Dichtungen des Arbeitskolben. Weiters der durch den Kurbelwellenantrieb bzw. durch den kurbelwellenähnlichen Antrieb verursachten Bewegungsablauf von Kolben und Verdränger, der eine gut Annäherung an den idealen Stirlingprozess bei ausgeführten Maschinen unmöglich macht. Daher hat auch die γ- Maschine einen wesentlich schlechteren Wirkungsgrad als der ideale Stirlingprozess.
Ein weiterer große Nachteil von γ- Maschinen ist das größere Totvolumen, was sich zusätzlich negativ auf den Wirkungsgrad auswirkt, sowie das relativ geringe erreichbare Verdichtungsverhältnis, so dass nur bescheidene Volumsleistungen erreichbar sind.
Neben den beschriebenen einfach wirkenden Maschinen, wurden auch doppelt wirkende Stiriingmaschinen entwickelt und ausgeführt, insbesondere vom α - Typ. Bekannt ist beispielsweise der Franchot-Stirlingmotor. Bei diesem Motor läuft im Raum oberhalb der beiden Kolben, aber auch unterhalb der Kolben jeweils ein Stirlingprozess ab, das heißt die beiden Zylinder führen mit der Kolbenober- bzw. -Unterseite immer zwei unterschiedliche Arbeitstakte von zwei verschiedenen Stirlingprozessen zur selben Zeit aus. Dabei begrenzen die beiden Kolben und die dazugehörigen Zylinder vier variable Volumen, welche paarweise als zwei separate α - Maschinen angesehen werden können. Wie in der einfach wirkenden α - Maschine müssen der Expansionskolben und der Kompressionskolben eine Phasenverschiebung von ca. 90° aufweisen. Der Wirkungsgrad von doppelt wirkenden - Maschinen, wie der Franchot Stirlingmotor, ist nicht besser, als der von einfach wirkenden - Maschinen. Auch die gravierenden Nachteile und Probleme bleiben gleich. Lediglich die Volumsleistung kann durch die Kompaktheit verbessert werden.
Bekannt ist auch der Siemens - Stirlingmotor, der mit beliebig vielen Zylindern die Standardkonfiguration der meisten leistungsstärkeren Stirlingmotore darstellt, wie z.B. der 4-95' er von United Stirling mit einer Leistung von ca. 52 kW mechanisch. Auch bei dieser Ausführung sind einige Bauarten entwickelt worden, wie zum Beispiel die Anordnung der Zylinder in Reihe, als „U", als „V, im Viereck oder im Kreis. Obwohl beim Siemens - Stirlingmotor die Anordnung von Erhitzer, Regenerator und Kühler so gewählt wurde, dass die Abdichtung des Kolbens in der Gehäusewand im kalten Teil liegt, bleiben die prinzipiellen Nachteile der - Maschinen erhalten.
Bekannt sind auch Versuche das Prinzip des Stiriingmotors mit Freikolbenanordnungen oder als Kreiskolbenmotor, System Wankel, auszuführen. Eine Wirkungsgradverbesserung hat keine der Ausführungen gebracht, sondern im Gegenteil neben schlechteren Wirkungsgraden gegenüber der α - Maschine wurden die Nachteile und Probleme nur vergrößert.
Gemeinsam ist allen diesen verschiedenen Ausführungen von Stiriingmotoren die zusätzlichen Nachteile durch die Toträume in Wärmetauschern, Regeneratoren und Überströmleitungen, die das Druckverhältnis zusätzlich absenken und damit den Wirkungsgrad.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das einerseits die obigen Nachteile vermeidet und das es anderseits erstmals ermöglicht einen Stirlingmotor so auszuführen, dass dessen Arbeitsweise viel besser an den idealen Stirlingprozess angenähert werden kann als bisher. Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium zwischen mindestens zwei geschlossenen Arbeitsräumen hin und her strömt, wobei zur Abgabe von Nutzarbeit das Arbeitsmedium zwischen den Arbeitsräumen über eine Arbeitsmaschine geführt wird, wobei die Wärmeaufnahme vor der Arbeitsmaschine und die Wärmeabfuhr nach der Arbeitsmaschine erfolgt und dass das Arbeitsmedium nach der Wärmeabfuhr im Arbeitsraum verdichtet wird und dass anschließend mittels des Verdrängers von einer Seite durch den Regenerator auf die andere Seite des Verdrängers strömt, wobei der Fluss des Arbeitsmediums über Steuerorgane, insbesondere Ventile, gesteuert wird und jeder Verdränger über einen Antrieb bewegt wird. Mit der Erfindung ist es erstmals möglich einen wesentlich höheren Wirkungsgrad zu erreichen, als mit allen bisher ausgeführten Stiriingmotoren.
Der höhere Wirkungsgrad ist vor allem auf die bessere Angleichung des ausgeführten Arbeitsprozesses an den theoretischen Kreisprozess, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht wird, zurück zu führen. Durch den Temperaturunterschied des Arbeitsmediums in den beiden gekoppelten Arbeitsräumen und durch die sich daraus ergebenden Druckunterschiede strömt es in den kalten Arbeitsraum und verrichtet dabei über eine Arbeitsmaschine Arbeit. Der sich einstellende Ausgleichszustand ist darauf zurückzuführen, dass der Großteil des Arbeitsmediums sich im kalten Arbeitsraum befindet. Beim darauf folgenden isochoren Regeneratortakt, unter Wärmezufuhr, baut sich der Druckunterschied in spiegelbildlicher Weise wieder zwischen den Arbeitsräumen auf und wird wieder über die Arbeitsmaschine in Arbeit umgewandelt. Dieses Verhalten steht in Analogie zu einem Schwingkreis und ermöglicht bei gleich bleibendem Carnot- Wirkungsgrad eine höhere Leistungsdichte bezogen auf die Menge des Arbeitsmediums als beim theoretischen idealen Stirlingprozess. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird der Arbeitsraum durch den Verdränger in einen doppelt wirkenden Arbeitsraum getrennt. Dadurch kann der Prozess schneller ablaufen, da Überströmstrecken entfallen. Darüber hinaus entfallen etwaige Abdichtungen gegenüber einem sonst notwendigen Pufferraum.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung wird jeder Verdränger über einen eigenen Antrieb bewegt. Gemäß diesem Merkmal der Erfindung gibt es keine Kurbeltriebe oder kurbeltriebähnliche Antriebe, die hauptverantwortlich sind für die schlechte Annäherung der ausgeführten Prozesse an den idealen Stirlingprozess. Statt der Kurbelantriebe wird ein Linearantrieb verwendet, der unabhängig von anderen Bewegungen gesteuert werden kann, so dass beliebig viele und beliebig lange Stillstandzeiten zum Beispiel bei den Verdrängern erreicht werden.
Nach einer anderen Ausbildung der Erfindung werden die Verdränger der gekoppelten Arbeitsräume über eine starre Verbindung über einen Antrieb bewegt. Dadurch kann ein einfacher Aufbau erreicht werden, wobei beispielsweise zwei heiße bzw. kalte Arbeitsräume aneinander gekoppelt werden. Dies erlaubt ein vollständiges Eintauchen der heiß-heiß
Arbeitsräume in die Wärmequelle, sowie das Eintauchen der kalt-kalt Arbeitsräume in die Kältequelle ohne dabei Verluste durch Wärmeleitung zwischen warmem und kaltem Quell-Medium zu bekommen. Die beiden Verdränger sind durch eine starre Schubstange miteinander verbunden, die die zwischen den Verdrängern wirkenden Kräfte aufnimmt. Zur Bewegung der Verdränger muss lediglich der Reibungswiderstand und die Strömungsverluste überwunden werden. Die Regeneratoren können sich auch innerhalb bzw. außerhalb der Schubstange befinden. Die Schubstange selbst muss nicht abgedichtet werden. Die theoretische Leistungsdichte bezogen auf die Menge des Arbeitsmediums ist höher als beim idealem Stirlingprozess. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Nutzung von Niedertemperatur für die Stromgewinnung als auch die Gewinnung von Kälte. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird der Arbeitsraum durch den Verdränger in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt, wobei das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen des Expansionsraumes über den diesen Arbeitsraum zugeordneten Regenerator zur Abgabe von Nutzarbeit über die
Arbeitsmaschine und nach der Arbeitsmaschine, gegebenenfalls unter Auskopplung von Kälte, in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes strömt und anschließend durch die Bewegung des Verdrängers von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum zugeordneten Regenerator in den Expansionsraum desselben
Arbeitsraumes strömt. Diese Ausführung ist der so genannte „kalte" Motor. Die Arbeitsmaschine kann einfach ausgeführt werden, da sie keiner hohen Temperaturbeanspruchung ausgesetzt wird. Zusätzlich kann durch die Expansion des durch den Regenerator gekühlten kalten Arbeitsmediums Kälte erzeugt werden, die gegebenenfalls vor dem Einströmen in den kalten Arbeitsbereich über einen Wärmetauscher genutzt wird. Der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte liegen höher als bei einem γ-Typ Stirlingmotor der an der kalten Seite den Arbeitskolben angeflanscht hat.
Nach einer anderen Ausführung der Erfindung wird der Arbeitsraum durch den Verdränger in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt, wobei das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen des Expansionsraumes zur Abgabe von Nutzarbeit, gegebenenfalls über einen Erhitzer, über die Arbeitsmaschine strömt und anschließend über den Regenerator und gegebenenfalls über einen Verdichter, gegebenenfalls über einen weiteren Kühler, in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes strömt und anschließend durch die Bewegung des Verdrängers von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum zugeordneten Regenerator in den Expansionsraum desselben Arbeitsraumes strömt. Diese Ausführung ist der so genannte „heiße" Motor. Der theoretische Wirkungsgrad dieses Typs ist annähernd dem des Carnot- Wirkungsgrades, die theoretische Leistungsdichte bezogen auf die Menge des Arbeitsmediums ist höher als die des idealen Stirlingprozesses. Gemäß einer noch anderen Ausführung der Erfindung wird der Arbeitsraum durch den Verdränger in jeweils zwei Expansions- bzw. zwei Kompressionsräume geteilt, wobei das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen eines Expansionsraumes über den diesen Arbeitsraum zugeordneten Regenerator zur Abgabe von Nutzarbeit über die Arbeitsmaschine strömt und nach der Arbeitsmaschine in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes strömt und anschließend durch die Bewegung des Verdrängers von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum zugeordneten Regenerator in den anderen Expansionsraum des Arbeitsraumes strömt. Wie bereits erwähnt, ermöglicht dieser „Niedertemperatur" Motor die Nutzung von Niedertemperatur für die Stromgewinnung als auch Gewinnung von Kälte.
Nach einer weiteren besonderen Ausführung der Erfindung erfolgt die Wärmeaufnahme isobar, insbesondere unmittelbar, vor der Arbeitsmaschine. Der wesentliche Vorteil ist darin zu sehen, dass die Temperatur in den Verdrängern auf die maximale Regeneratortemperatur begrenzt ist, wobei die Regeneratortemperatur unter der Erhitzertemperatur liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Verdichtung mittels Druckausgleich und/oder durch einen Kompressor. Sollte die Verdichtung einzig und allein mittels Druckausgleich erfolgen, so entfällt eine rotierende Maschine, also der Kompressor. Der Prozess wird sicherlich einfacher. Unter Einbindung eines Kompressors wird ein noch höherer Wirkungsgrad erreicht.
Es ist aber auch Aufgabe der Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei geschlossene Arbeitsräume vorgesehen sind, wobei jeder Arbeitsraum durch einen über einen Antrieb bewegbaren
Verdränger in zwei Sektionen geteilt ist, wobei eine Sektion einen Erhitzer und die andere Sektion einen Kühler aufweist und jeder Arbeitsraum einen ihm zugeordneten Regenerator aufweist, wobei beide Sektionen mit diesem Regenerator verbunden sind und dass mindestens eine Sektion jedes Arbeitsraumes mit einer Arbeitsmaschine verbunden ist, wobei die zur nachfolgenden Abgabe der Nutzarbeit herangezogene Sektion mit der korrespondierenden Sektion des anderen Arbeitsraumes verbunden ist und dass zur Steuerung des Arbeitsmediums Steuerorgane, insbesondere Ventile, vorgesehen sind. Wie bereits weiter oben erwähnt, wird mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eine höhere Leistungsdichte erreicht.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ist darin zu sehen, dass die Maschine mit einer niedrigen Taktfrequenz betrieben werden kann. Die Arbeitsräume besitzen keine echten Kolbendichtungen und umgehen damit das Dichtungsproblem, das besonders bei größeren Kolbenvolumen auftritt. Durch den Wegfall dieses Problems können großvolumige Arbeitsräume Verwendung finden, die mit niedriger Taktfrequenz und diskontinuierlich betrieben werden können. Dadurch wird eine Annäherung an den idealen Stirlingprozess erreicht.
Durch die niedrigere Taktfrequenz und damit höhere Wärmeübergangszeit als bei herkömmlichen Stirling-Motoren können isotherme Prozesse besser realisiert werden. Die großen Wärmeübergangsflächen an den
Arbeitsräumen kommen der Verwendung von Biomassebrennstoffen entgegen.
Ein weiterer Vorteil ist in der Minimierung des Totraumes zu finden. Der Totraum ist das Volumen, das am thermodynamischen Prozess nicht mitwirkt und sich dadurch schädlich auf den Wirkungsgrad auswirkt. Er entsteht virtuell durch sinusförmige Bewegung der Arbeitskolben, und real durch die vom Arbeitsmedium durchströmten Volumen des Regenerators, der Erhitzerrohre, etc. Durch das Verhältnis der großvolumigen Arbeitsräume und den dazu im Verhältnis kleinvolumigen Bauteilen wie
Arbeitsmaschine, Regenerator, Erhitzer und Kühler ergibt sich ein günstiges Verhältnis von Totraum zu Arbeitsraum und liegt um ein vielfaches unter dem zur Zeit gebauten Maschinen. Vorteilhaft ist auch die Minimierung der Antriebskräfte. Sie setzen sich zusammen aus dem Strömungswiderstand des isochoren Überschiebens des Arbeitsmediums innerhalb der Arbeitsräume, das Betätigen der Ventile und gegebenenfalls die Kompression des Arbeitsmediums durch einen Verdichter. Einer der Hauptkomponenten, die Reibung der trocken laufenden Kolbendichtringe zusammen mit der Reibung des Kurbeltriebes entfallen.
Zusammenfassend kann also festgehalten werden, dass durch den Wegfall von bewegten, Temperatur belasteten und trocken laufenden, Dichtungen, die das Hauptproblem bisher dargestellt haben, es möglich ist, diesen Motor im Standard-Maschinenbau herzustellen. Die Trennung von Arbeitsraum und Arbeitsmaschine lassen den Einsatz von Standard- Maschinenelementen zu. Der Generator hat aufgrund der sich schnell drehenden Arbeitsmaschine eine kleinere Baugröße. Der Wegfall der mechanischen Antriebseinheit vereinfacht den Aufbau zusätzlich. Der Verdränger muß nicht mit der Arbeitsmaschine synchronisiert werden, der optimale Arbeitspunkt kann jeweils getrennt voneinander eingestellt werden.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist in den Verbindungen zwischen Arbeitsmaschine und den einzelnen Sektionen jeweils mindestens ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil vorgesehen. Diese dienen der Entkoppelung des Arbeits- und Regeneratortaktes. Statt der Steuerung über Ventile könnte auch eine Schlitzsteuerung eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung sind vier, sechs oder mehr geradzahlige Arbeitsräume vorgesehen, wobei zwei Arbeitsräume immer miteinander gekoppelt sind. Durch die steigende Anzahl von gekoppelten Arbeitsräumen sinkt die prozessbedingte Welligkeit an der Arbeitsmaschine und der Regeneratortakt kann gegenüber dem Arbeitstakt verlängert werden.
Nach einem ganz besonderen Merkmal der Erfindung ist die Arbeitsmaschine eine Turbine, insbesondere eine Axial-, Radial- oder Teslaturbine. Durch die Verwendung von Turbinen ist der Wegfall von bewegten, Temperatur belasteten und trocken laufenden, Dichtungen gegeben, die das Hauptproblem bei Kolben betriebenen Stiriingmotoren darstellen. Bei der Scheiben oder Teslaturbine ist insbesondere eine bessere isotherme Expansion oder Kompression möglich.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Arbeitsmaschine ein Kolbenmotor. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass sie billig ist und mit Standardbauteilen ausgeführt werden kann.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Arbeitsmaschine ein Schraubenmotor. Der Schraubenmotor bietet wie die Turbinen den Vorteil der wegfallenden Dichtungen.
Nach einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Antrieb für den Verdränger ein Linearantrieb. Der Linearantrieb gewährleistet einen genau steuerbare Beschleunigung und Abbremsung des Verdrängers. Dadurch ist eine diskontinuierliche Bewegung, wie es dem idealen thermodynamischen Prozess entspricht, verlustarm möglich. Alle Durchführungen und somit Dichtungen für Gestänge oder Kurbeltrieb können entfallen. Eine mögliche schnelle Leistungsregelung ist durch die Änderung der
Verdrängertaktfrequenz augenblicklich möglich und muß nicht durch die Veränderung der oberen Temperatur induziert werden. Damit ist im Teillastbereich eine sehr gute Steuerung möglich.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist dem Regenerator gegebenenfalls ein Erhitzer vor- und/oder nachgeschaltet. Der Erhitzer führt zusätzlich zum Erhitzerkopf des Arbeitsraumes dem Arbeitsmedium Energie zu, er vergrößert somit die Gesamtaufnahmefläche im heißen Bereich.
Eine besondere Ausführungsvariante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum durch den Verdränger in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt ist, dass der Expansionsraum mit dem diesen Arbeitsraum zugeordneten Regenerator und der Regenerator mit der Arbeitsmaschine verbunden ist, dass die Abströmseite der Arbeitsmaschine mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes verbunden ist und dieser Kompressionsraum über den diesen Arbeitsraum zugeordneten Regenerator mit dem Expansionsraum desselben Arbeitsraumes verbunden ist, wobei zwischen Regenerator und Anströmseite der Arbeitsmaschine und Abströmseite der Arbeitsmaschine und Kompressionsraum jeweils ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil, vorgesehen ist. Hier gelten sinngemäß die Vorteile, die bereits weiter oben zum „kalten" Motor aufgezeigt wurden.
Eine weitere besondere Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum durch den Verdränger in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt ist, dass der Expansionsraum mit der Anströmseite der Arbeitsmaschine und die Arbeitsmaschine mit ihrer Abströmseite über den Regenerator und gegebenenfalls über einen Verdichter mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes verbunden ist und dieser Kompressionsraum über den diesen Arbeitsraum zugeordneten Regenerator mit dem Expansionsraum desselben Arbeitsraumes verbunden ist, wobei zwischen Expansionsraum und Anströmseite der Arbeitsmaschine und Austrittsseite des Regenerators und Kompressionsraum jeweils ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil, vorgesehen ist. Hier gelten sinngemäß die Vorteile, die bereits weiter oben zum „heißen" Motor aufgezeigt wurden.
Eine andere alternative Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum durch den Verdränger in jeweils zwei Expansions- bzw. zwei Kompressionsräume geteilt ist, dass jeder Expansionsraum über einen
Regenerator mit der Anströmseite der Arbeitsmaschine und die Abströmseite der Arbeitsmaschine mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes verbunden ist und dieser Kompressionsraum über einen Regenerator mit dem Expansionsraum des anderen Arbeitsraumes verbunden ist, wobei zwischen dem den Expansionsraum nachgeschalteten Regenerator und der Anströmseite der Arbeitsmaschine und der Austrittsseite der Arbeitsmaschine und Kompressionsraum jeweils ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil, vorgesehen ist. Hier gelten sinngemäß die Vorteile, die bereits weiter oben zum „Niedertemperatur" Motor aufgezeigt wurden.
Natürlich könnten auch die heißen Gase expandiert werden, sinngemäß dem Arbeitsprinzip des heißen Motors.
Eine weitere Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung nach der Sektion, die mit der Arbeitsmaschine verbunden ist, ein Erhitzer angeordnet ist. Dadurch werden vor der Arbeitsmaschine höhere Temperaturen erreicht, die zu einer besseren Leistungsausbeute führen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Erhitzer örtlich getrennt von der Sektion angeordnet, beispielsweise im Verbrennungsraum eines Heizkessels. Dadurch werden nur die als Erhitzer verwendeten Einrichtungsteile mit der höchsten Temperatur belastet, so dass nur diese Teile entsprechend dimensioniert werden müssen.
Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die Einrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie als heißer Motor,
Fig. 2 die Einrichtung als kalter Motor,
Fig. 3 die Einrichtung als Niedertemperaturmotor,
Fig. 4 eine Ausführung der Einrichtung mit örtlich getrennten Erhitzern und
Fig. 5 ein Schema der Arbeitsweise einer Einrichtung. Einführend sei festgehalten, dass in der beschriebenen Ausführungsform gleiche Teile bzw. Zustände mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile bzw. Zustände mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können.
Gemäß der Fig. 1 weist die Einrichtung unter Verwendung eines Arbeitsmediums zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie zwei geschlossene Arbeitsräume 1 , 2 auf, wobei jeder Arbeitsraum 1 , 2 durch einen bewegbaren Verdränger 3, 4 in zwei Sektionen, nämlich in einen Expansions- und einen Kompressionsraum, geteilt ist. Jeder Verdränger 3, 4 ist über einen Antrieb, insbesondere über einen Linearantrieb 5, bewegbar. Jeder Arbeitsraum 1 , 2 weist einen ihm zugeordneten Regenerator 6, 7 auf. Beide Sektionen des Arbeitsraumes 1 bzw. 2 sind mit diesem Regenerator 6 bzw. 7 über Leitungen 8, 9 bzw. 10, 11 verbunden.
Eine Sektion - im dargestellten Fall der Expansionsraum - jedes Arbeitsraumes 1 , bzw. 2 ist mit einer Arbeitsmaschine 12 verbunden. Der zur Abgabe der Nutzarbeit herangezogene Expansionsraum des Arbeitsraumes 1 ist nach der Arbeitsmaschine 12 mit der korrespondierenden Sektion - also mit dem Kompressionsraum - des Arbeitsraumes 2 verbunden.
Zur Steuerung des Arbeitsmediums sind Steuerorgane, insbesondere Ventile 13, vorgesehen, die zwischen der Arbeitsmaschine 12 und den einzelnen Sektionen des Arbeitsraumes 1 bzw. 2 angeordnet sind. Statt der Ventile 13 könnte auch eine Schlitzsteuerung Anwendung finden.
Als Arbeitsmaschine 12 kann eine Turbine, insbesondere eine Axial- oder Radialturbine Verwendung finden. Natürlich ist als Arbeitsmaschine 12 auch ein Kolben- oder Schraubenmotor möglich. Die Arbeitsmaschine 12 ist über eine Welle 17 mit dem Generator 18 verbunden.
Das Arbeitsmedium durchläuft im idealen Prozess folgende Zustandsänderungen:
- isotherme Verdichtung unter Wärmeabfuhr in einem Kompressionsraum
- isochore Wärmeaufnahme ein einem Regenerator 6 bzw. 7 während des Überschiebens des Arbeitsmediums vom Kompressionsraum in einen Expansionsraum - isotherme Expansion unter Zufuhr von Wärme im Expansionsraum unter
Abgabe von Nutzarbeit
- isochore Wärmeabfuhr im Regenerator 6 bzw. 7 beim Zurückschieben in den Kompressionsraum.
Generell kann aufgezeigt werden, dass das Arbeitsmedium zwischen den zwei doppelt wirkenden, geschlossenen Arbeitsräumen 1 , 2 hin und her strömt. Zur Abgabe von Nutzarbeit wird das Arbeitsmedium zwischen den Arbeitsräumen 1 , 2 über eine Arbeitsmaschine 12 geführt. Anschließend strömt das Arbeitsmedium im doppelt wirkenden Arbeitsraum 1 , 2 mittels des Verdrängers 3 bzw. 4 von einer Seite durch den Regenerator 6 bzw. 7 auf die andere Seite des Verdrängers 3 bzw. 4, wobei der Fluss des Arbeitsmediums über die Ventile 13 gesteuert wird und jeder Verdränger 3, 4 über einen Antrieb 5 bewegt wird.
Wie bereits erwähnt, ist gemäß der Fig. 1 die Einrichtung, auch als 4-Quadranten- Turbine bezeichnet, als „heißer" Motor aufgezeigt, da das Arbeitsmedium in seinem temperaturhöchsten Zustand über die Arbeitsmaschine 12 geführt wird. Der Expansionsraum ist mit der Anströmseite der Arbeitsmaschine 12 und die Arbeitsmaschine 12 mit ihrer Abströmseite über den Regenerator 6 bzw. 7 und über einen Verdichter 19 mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes 2 verbunden. Dieser Kompressionsraum ist über den diesen
Arbeitsraum 2 zugeordneten Regenerator 7 mit dem Expansionsraum desselben Arbeitsraumes 2 verbunden, wobei zwischen Expansionsraum und Anströmseite der Arbeitsmaschine 12 und Austrittsseite des Regenerators 7 und Kompressionsraum jeweils ein Ventil 13 vorgesehen ist.
Der Regenerator 6 bzw. 7 besteht aus einem Erhitzer 14, einem Koppelregenerator 15 und einem Kühler 16, wobei der Expansionsraum mit dem Erhitzer 14 und der Kompressionsraum mit dem Kühler 16 verbunden sind. Darüber hinaus ist der Regenerator 6 bzw. 7 in vertikaler Richtung in einzelne Sektoren unterteilt. Diese Sektoren sind zueinander entsprechend abgedichtet. In den inneren Sektoren strömt das Arbeitsmedium von der Arbeitsmaschine 12 zum Verdichter 19 und die äußeren Sektoren dienen für den Regeneratortakt des Arbeitsmediums.
Der Expansionsraum ist mit dem diesem Arbeitsraum 1 zugeordneten Erhitzer 14 des Regenerators 6 und der Regenerator 6 mit der Arbeitsmaschine12 verbunden. Die Abströmseite der Arbeitsmaschine 12 ist über den Kühler 16 mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes 2 verbunden und dieser Kompressionsraum ist über den diesen Arbeitsraum 2 zugeordneten Regenerator 7 mit dem Expansionsraum desselben Arbeitsraumes 2 verbunden. Zwischen Regenerator 6 bzw. 7 und Anströmseite der Arbeitsmaschine 12 und Abströmseite der Arbeitsmaschine 12 bzw. Verdichter 19 und Kompressionsraum ist jeweils ein Ventil 13 vorgesehen.
Gemäß der Fig. 2 ist die 4-Quadranten-Turbine als „kalter" Motor aufgezeigt. Der Arbeitsraum 1 , 2 ist wieder durch den Verdränger 3, 4 in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt.
In diesem Fall strömt das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen des Expansionsraumes über den diesen Arbeitsraum 1 zugeordneten Regenerator 6 zur Abgabe von Nutzarbeit über die Arbeitsmaschine 12 und nach der Arbeitsmaschine 12 in den Kompressionsraum des gekoppelten
Arbeitsraumes 2. Anschließend strömt das Arbeitsmedium durch die Bewegung des Verdrängers 4 von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum 2 zugeordneten Regenerator 7 in den Expansionsraum desselben Arbeitsraumes 2. Gemäß der Fig. 3 ist die Einrichtung als Niedertemperaturmotor aufgezeigt. Dabei werden die Verdränger 3, 4 über eine starre Verbindung 20 über einen Antrieb 5 bewegt. Der Arbeitsraum 1 , 2 ist durch den Verdränger 3, 4 in jeweils zwei Expansions- bzw. zwei Kompressionsräume geteilt. Jeder Expansionsraum des Arbeitsraumes 1 ist über einen Regenerator 6, 7 mit der Anströmseite der Arbeitsmaschine 12 und die Abströmseite der Arbeitsmaschine 12 mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes 2 verbunden. Dieser Kompressionsraum ist über die Regeneratoren 6 bzw. 7 mit dem Expansionsraum des anderen Arbeitsraumes 1 verbunden, wobei zwischen dem den Expansionsraum nachgeschalteten Regenerator 6 bzw. 7 und der Anströmseite der Arbeitsmaschine 12 und der Austrittsseite der Arbeitsmaschine 12 und Kompressionsraum jeweils ein Ventil 13 vorgesehen ist.
Das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium strömt nach Verlassen eines Expansionsraumes über den diesen Arbeitsraum 1 zugeordneten Regenerator 6 bzw. 7 zur Abgabe von Nutzarbeit über die Arbeitsmaschine 12 und nach der Arbeitsmaschine 12 in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes 2. Anschließend strömt durch die Bewegung des Verdrängers 3 bzw. 4 das Arbeitsmedium von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum 2 zugeordneten Regenerator 6 bzw. 7 in den anderen Expansionsraum des Arbeitsraumes 1.
Zur Kühlung des Arbeitsraumes 2 kann dieser beispielsweise im Erdreich angeordnet werden.
Darüber hinaus können die Verdränger 3 bzw. 4 auch als gekoppelte Membranen ausgeführt werden.
Gemäß der Fig. 4 wird jeder Arbeitsraum 1 , 2 durch den Verdränger 3, 4 in einen Expansionsraum und in einen Kompressionsraum unterteilt. Jeder Verdränger 3, 4 ist über einen Antrieb, insbesondere über einen Linearantrieb 5, bewegbar. Darüber hinaus ist jeder Verdränger 3, 4 in einer Führung 22 gelagert. Jeder Arbeitsraum 1 , 2 weist einen ihm zugeordneten Regenerator 6, 7 auf. Beide Sektionen des Arbeitsraumes 1 bzw. 2 sind mit diesem Regenerator 6 bzw. 7 über Leitungen verbunden.
Ferner ist der Expansionsraum mit einem Zwischenerhitzer 21 ausgestattet. Dieser Zwischenerhitzer 21 kann als geschichteter Zwischenerhitzer 21 ausgeführt sein oder in Form von Lamellenpaketen aufgebaut werden. Der Kompressionsraum ist mit einem Kühler 16 versehen.
Der Expansionsraum ist gegebenenfalls über den Zwischenerhitzer 21 mit einem örtlich getrennten Erhitzer 14 verbunden. Der Erhitzer 14 könnte in einem Heizkessel angeordnet sein. In dem Erhitzer 14 erfolgt die isobare Erhitzung. Das Arbeitsmedium strömt vom Erhitzer 14 über die Arbeitsmaschine 12. Die Arbeitsmaschine 12, vorzugsweise eine Tesla- Turbine, ist mit einer direkten Welle 17 mit einem Generator 18 gekoppelt.
Zusammenfassend wird der Prozess nochmals aufgezeigt. Das verdichtete Arbeitsmedium strömt vom Kompressionsraum des Arbeitsraumes 1 über den zugehörigen Regenerator 6 und Zwischenerhitzer 21 in den Expansionsraum des gleichen Arbeitsraumes 1 und wird dabei isochor erhitzt. Das Überströmen erfolgt auf Grund der Bewegung des Verdrängers 3. Nach Verlassen des
Expansionsraumes des Arbeitraumes 1 strömt das Arbeitsmedium über den externen Erhitzer 14, in dem eine isobare Wärmeaufnahme erfolgt, zur Arbeitsmaschine 12.
Von der Arbeitsmaschine 12 strömt das Arbeitsmedium über den Regenarator 7 und den Kühler 16 in den Kompressionsraum des Arbeitsraumes 2 und wird durch das Nachströmen oder einen Kompressor isotherm verdichtet. Die Verdichtungswärme wird im Kühler 16 des Arbeitsraumes 2 abgegeben. Durch die Bewegung des Verdrängers 4 im Arbeitsraum 2 wird das verdichtete Arbeitsmedium über Regenerator 7 und den Zwischenerhitzer 21 in den Expansionsraum des Arbeitsraumes 2 übergeleitet. Nach Verlassen des Expansionsraumes des Arbeitraumes 2 strömt das Arbeitsmedium über den externen Erhitzer 14, in dem eine isobare Wärmeaufnahme erfolgt, zur Arbeitsmaschine 12. Von der Arbeitsmaschine 12 strömt das Arbeitsmedium sinngemäß wieder in den Kompressionsraum des Arbeitsraumes 1.
Im Prinzip durchläuft das Arbeitsmedium eine Achterschleife, wobei die Arbeitsmaschine 12 im Mittelpunkt vorgesehen ist. Die einzelnen Verfahrensschritte werden durch die entsprechenden - nicht dargestellten - Ventile gesteuert.
Gemäß der Fig. 5 wird die Arbeitsweise der Einrichtung mit der Ventilsteuerung an Hand eines realen Beispieles beschrieben. Im Arbeitsraum 1 mit dem Verdränger 3 weist das Arbeitsmedium eine Temperatur To von 530°C und einen Druck Po von 30 bar auf. Im Arbeitsraum 2 mit dem Verdränger 4 herrscht eine Temperatur Pu von 30°C und ein Druck Pu von 10 bar. Durch den im Verdrängertakt erzeugten Druckunterschied zwischen Arbeitsraum 1 und 2 öffnet sich Ventil 23 und 24 in Durchlassrichtung. Das 530°C heiße Arbeitsmedium strömt nun aus dem Arbeitsraum 1 über das Ventil 23 in den Erhitzer 14, wo es auf 630°C überhitzt wird und anschließend in der Arbeitsmaschine 12 durch die polytrope Entspannung wieder auf 530°C gebracht wird. Anschließend gelangt das Arbeitsmedium durch Ventil 24, den Regenerator 7, wo es auf 60°C abkühlt wird, den Kühler 16, wo es auf 30°C abgekühlt wird, in den Arbeitsraum 2. Die Ventile 25 und 26 liegen in Sperrrichtung zum Druckunterschied und öffnen sich erst nach dem darauf folgendem Regeneratortakt, d.h. beim nächsten Arbeitstakt.
Der Regeneratortakt beginnt nachdem der Arbeitstakt einen Druckausgleich zwischen den beiden Arbeitsräumen 1 , 2 hergestellt hat; d.h. im gesamten System herrscht der gleiche Druck (Mitteldruck). Die Verdränger 3, 4 bewegen sich nun in die gegenüberliegende Totpunktlagen und verschieben dabei das Arbeitsmedium durch die Regenerator-Kühlereinheit auf die jeweils andere Seite des Verdrängers 3, 4. Die dabei ablaufende isochore Erhitzung bzw. Abkühlung des Arbeitsmediums bewirkt eine Druckveränderung im jeweiligem Arbeitsraum 1 , 2; d.h. beim Überschieben vom Kaltem ins Heiße tritt Druckerhöhung auf, beim Überschieben vom Heißem ins Kalte tritt Druckverminderung auf Der Regeneratortakt ist hiermit beendet und der Druckunterschied wird für den darauf folgenden Arbeitstakt genutzt.
Abschließend sei der Ordnung halber darauf hingewiesen, dass in der Zeichnung einzelne Bauteile und Baugruppen zum besseren Verständnis der Erfindung unproportional und maßstäblich verzerrt dargestellt sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie, wobei ein Arbeitsmedium in mindestens einem durch einen Verdränger getrennten Arbeitsraum die folgenden Zustandsänderungen im Prozess durchläuft:
- Verdichtung, vorzugsweise isotherme Verdichtung, unter Wärmeabfuhr in einem Kompressionsraum
- Wärmeaufnahme, vorzugsweise isochore Wärmeaufnahme, in einem Regenerator während des Überschiebens des Arbeitsmediums vom Kompressionsraum in einen Expansionsraum
- Expansion, vorzugsweise isotherme Expansion, unter Zufuhr von Wärme im Expansionsraum unter Abgabe von Nutzarbeit
- Wärmeabfuhr, vorzugsweise isochore Wärmeabfuhr, im Regenerator beim Zurückschieben in den Kompressionsraum, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium zwischen mindestens zwei geschlossenen Arbeitsräumen (1 , 2) hin und her strömt, wobei zur Abgabe von Nutzarbeit das Arbeitsmedium zwischen den Arbeitsräumen (1 ,
2) über eine Arbeitsmaschine (12) geführt wird, wobei die Wärmeaufnahme vor der Arbeitsmaschine (12) und die Wärmeabfuhr nach der Arbeitsmaschine (12) erfolgt und dass das Arbeitsmedium nach der Wärmeabfuhr im Arbeitsraum (1 , 2) verdichtet wird und dass anschließend mittels des Verdrängers (3, 4) von einer Seite durch den Regenerator (6, 7) auf die andere Seite des Verdrängers (3, 4) strömt, wobei der Fluss des Arbeitsmediums über Steuerorgane, insbesondere Ventile (13, 23, 24, 25, 26), gesteuert wird und jeder Verdränger (3, 4) über einen Antrieb (5) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1 , 2) durch den Verdränger (3, 4) in einen doppelt wirkenden Arbeitsraum (1 , 2) getrennt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Verdränger (3, 4) über einen eigenen Antrieb (5) bewegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdränger (3, 4) der gekoppelten Arbeitsräume (1 , 2) über eine starre
Verbindung (20) über einen Antrieb bewegt werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1 bzw. 2) durch den Verdränger (3 bzw. 4) in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt wird, wobei das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen des Expansionsraumes über den diesen Arbeitsraum (1 bzw. 2) zugeordneten Regenerator (6 bzw. 7) zur Abgabe von Nutzarbeit über die Arbeitsmaschine (12) und nach der Arbeitsmaschine (12), gegebenenfalls unter Auskopplung von Kälte, in den Kompressionsraum des gekoppelten
Arbeitsraumes (1 bzw. 2) strömt und anschließend durch die Bewegung des Verdrängers (3 bzw. 4) von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum (1 bzw. 2) zugeordneten Regenerator (6 bzw. 7) in den Expansionsraum desselben Arbeitsraumes (1 bzw. 2) strömt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1 bzw. 2) durch den Verdränger (3 bzw. 4) in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt wird, wobei das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen des Expansionsraumes zur Abgabe von Nutzarbeit, gegebenenfalls über einen Erhitzer (14), über die Arbeitsmaschine (12) strömt und anschließend über den Regenerator (6 bzw. 7) und gegebenenfalls über einen Verdichter (19), gegebenenfalls über einen weiteren Kühler (16), in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes (1 bzw. 2) strömt und anschließend durch die Bewegung des Verdrängers (3 bzw. 4) von der
Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum (1 bzw. 2)zugeordneten Regenerator (6 bzw. 7) in den Expansionsraum desselben Arbeitsraumes (1 bzw. 2) strömt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1 bzw. 2) durch den Verdränger (3 bzw. 4) in jeweils zwei Expansions- bzw. zwei Kompressionsräume geteilt wird, wobei das zur Nutzarbeit herangezogene Arbeitsmedium nach Verlassen eines Expansionsraumes über den diesen Arbeitsraum (1 bzw.
2) zugeordneten Regenerator (6 bzw. 7) zur Abgabe von Nutzarbeit über die Arbeitsmaschine (12) strömt und nach der Arbeitsmaschine (12) in den Kompressionsraum des gekoppelten Arbeitsraumes (1 bzw. 2) strömt und anschließend durch die Bewegung des Verdrängers (3 bzw. 4) von der Kompressionsseite durch den diesem Arbeitsraum (3 bzw. 4) zugeordneten
Regenerator (6 bzw. 7) in den anderen Expansionsraum des Arbeitsraumes (1 bzw. 2) strömt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 oder x, y, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahme isobar, insbesondere unmittelbar, vor der Arbeitsmaschine (12) erfolgt.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 oder x, y, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung mittels Druckausgleich und/oder durch einen Kompressor erfolgt.
10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei geschlossene, Arbeitsräume (1 , 2) vorgesehen sind, wobei jeder Arbeitsraum (1 , 2) durch einen über einen Antrieb (5) bewegbaren
Verdränger (3, 4) in zwei Sektionen geteilt ist, wobei eine Sektion einen Erhitzer (14) und die andere Sektion einen Kühler (16) aufweist und jeder Arbeitsraum (1 , 2) einen ihm zugeordneten Regenerator (6, 7) aufweist, wobei beide Sektionen mit diesem Regenerator (6, 7) verbunden sind und dass mindestens eine Sektion jedes Arbeitsraumes (1 , 2) mit einer
Arbeitsmaschine (12) verbunden ist, wobei die zur nachfolgenden Abgabe der Nutzarbeit herangezogene Sektion mit der korrespondierenden Sektion des anderen Arbeitsraumes (1 , 2) verbunden ist und dass zur Steuerung des Arbeitsmediums Steuerorgane, insbesondere Ventile (13, 23, 24, 25, 26), vorgesehen sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verbindungen zwischen Arbeitsmaschine (12) und den einzelnen
Sektionen jeweils mindestens ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil (13, 23, 24, 25, 26), vorgesehen ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass vier, sechs oder mehr geradzahlige Arbeitsräume (1 , 2) vorgesehen sind, wobei zwei Arbeitsräume (1 , 2) immer miteinander gekoppelt sind.
13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (12) eine Turbine, insbesondere eine Axial- Radial- oder Teslaturbine ist.
14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (12) ein Kolbenmotor ist.
15. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (12) ein Schraubenmotor ist.
16. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (5) für den Verdränger ein Linearantrieb ist.
17. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Regenerator (6, 7) gegebenenfalls ein Erhitzer (14) vor- und/oder gegebenenfalls ein Kühler (16) nachgeschaltet ist.
18. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1 , 2) durch den Verdränger (3, 4) in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt ist, dass der Expansionsraum mit dem diesem, Arbeitsraum (1 , 2) zugeordneten Regenerator (6, 7) und der Regenerator (6, 7) mit der Arbeitsmaschine (12) verbunden ist, dass die Abströmseite der Arbeitsmaschine (12) mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes (1 , 2) verbunden ist und dieser Kompressionsraum über den diesen Arbeitsraum
(1 , 2) zugeordneten Regenerator (6, 7) mit dem Expansionsraum desselben Arbeitsraumes (6, 7) verbunden ist, wobei zwischen Regenerator (6, 7) und Anströmseite der Arbeitsmaschine (12) und Abströmseite der Arbeitsmaschine (12) und Kompressionsraum jeweils ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil (13, 23, 24, 25, 26), vorgesehen ist.
19. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1 , 2) durch den Verdränger (3, 4) in einen Expansions- und einen Kompressionsraum geteilt ist, dass der Expansionsraum mit der Anströmseite der Arbeitsmaschine (12) und die
Arbeitsmaschine (12) mit ihrer Abströmseite über den Regenerator (6, 7) und gegebenenfalls über einen Verdichter (19) mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes (1 , 2) verbunden ist und dieser Kompressionsraum über den diesen Arbeitsraum (1 , 2) zugeordneten Regenerator (6, 7) mit dem Expansionsraum desselben Arbeitsraumes (1 ,
2) verbunden ist, wobei zwischen Expansionsraum und Anströmseite der Arbeitsmaschine (12) und Austrittsseite des Regenerators (6, 7) und Kompressionsraum jeweils ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil (13, 23, 24, 25, 26), vorgesehen ist.
20. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (1 bzw. 2) durch den Verdränger (3 bzw. 4) in jeweils zwei Expansions- bzw. zwei Kompressionsräume geteilt ist, dass jeder Expansionsraum über einen Regenerator (6 bzw. 7) mit der Anströmseite der Arbeitsmaschine (12) und die Abströmseite der
Arbeitsmaschine (12) mit dem Kompressionsraum des gekoppelten anderen Arbeitsraumes (1 bzw. 2) verbunden ist und dieser Kompressionsraum über einen Regenerator (6 bzw. 7) mit dem Expansionsraum des anderen Arbeitsraumes (1 bzw. 2) verbunden ist, wobei zwischen dem den Expansionsraum nachgeschalteten Regenerator (6 bzw. 7) und der Anströmseite der Arbeitsmaschine (12) und der Austrittsseite der Arbeitsmaschine (12) und Kompressionsraum jeweils ein Steuerorgan, insbesondere ein Ventil (13, 23, 24, 25, 26) vorgesehen ist.
21. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung nach der Sektion, die mit der Arbeitsmaschine (12) verbunden ist, ein Erhitzer (14) angeordnet ist.
22. Einrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzer (14) örtlich getrennt von der Sektion angeordnet ist, beispielsweise im Verbrennungsraum eines Heizkessels.
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