EP1841964A2 - Power plant featuring thermal decoupling - Google Patents

Power plant featuring thermal decoupling

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EP1841964A2
EP1841964A2 EP06703820A EP06703820A EP1841964A2 EP 1841964 A2 EP1841964 A2 EP 1841964A2 EP 06703820 A EP06703820 A EP 06703820A EP 06703820 A EP06703820 A EP 06703820A EP 1841964 A2 EP1841964 A2 EP 1841964A2
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EP
European Patent Office
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heat
heat exchanger
working
working cylinder
engine according
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Application number
EP06703820A
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German (de)
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EP1841964B1 (en
Inventor
Jürgen K. Misselhorn
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Maschinenwerk Misselhorn MWM GmbH
Original Assignee
Misselhorn Juergen K
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Filing date
Publication date
Application filed by Misselhorn Juergen K filed Critical Misselhorn Juergen K
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Publication of EP1841964A2 publication Critical patent/EP1841964A2/en
Application granted granted Critical
Publication of EP1841964B1 publication Critical patent/EP1841964B1/en
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • 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
    • F02G1/0435Hot 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 the engine being of the free piston type
    • 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
    • F02G1/053Component parts or details
    • F02G1/055Heaters or coolers
    • 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
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    • F02G1/06Controlling
    • 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
    • F02G2270/00Constructional features
    • F02G2270/10Rotary pistons

Definitions

  • this invention is a power unit with heat extraction, in which several of the heat engines described below, as described below and with reference to the figures 1-18, are used in series behind each other to the available heat either largely for Power generation or mostly for other purposes, such as Heating, or at the same time for both in any relationship to use.
  • the heat engine used in the present invention is one having an external heat source operating on the principle of the Stirling cycle process in combination with a Clausius-Rankine cycle.
  • the single cycle process consists of six state changes: two isobars, two isochores, two isotherms.
  • several of the above-described cycle process take place simultaneously but offset in time.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • thermodynamic process ideally consists of four changes of state: compression at constant temperature (isotherm), heat supply at constant volume (isochore), expansion at constant temperature (isotherm) and heat removal at constant volume (isochore).
  • the working gas is pushed at high pressures between a warm and a cold room back and forth. Between these rooms, a regenerator is connected to improve the efficiency, to which the gas flowing to the cold side releases heat and absorbs heat during the return flow.
  • the Stirling plant As a low-temperature thermal power plant, the Stirling plant is economically hardly usable, since the thermodynamic efficiency is very low. The available power is largely consumed internally by the mechanical losses.
  • the Stirling engine as a hot gas engine and the steam power plants (including ORC plants) according to the Clausius-Rankine comparison process are the only heat engines with external heat generation used as standard.
  • the Clausius Rankine process consists of 2 isobars and 2 isentropes.
  • the invention is based on the object to use the heat generated in many processes waste heat through a better utilization of isochori- see changes in state, in order to achieve a lower design effort at the same time.
  • the heat engine used according to the present invention has a relatively high efficiency even in the low temperature range. With this heat engine, among other things, a part of the waste heat from industry or power plants, which would be lost by blowing away warm or hot air, to be recovered.
  • the basic principle of this heat engine is based on two cycle processes (the Stirling cycle and the Clausius-Rankine cycle) which run simultaneously and complement each other.
  • the Clausius-Rankine cycle process takes place practically within the Stirling cycle in such a way that the isentropes of the Clausius-Rankine process merge into the isotherms of the Stirling cycle.
  • the Clausius-Rankine cycle consists in this case of two isobars and two isotherms, these isotherms being part of both cycles (see Figs. 16 to 18 in the drawing).
  • an agent is selected whose boiling point is at a correspondingly selected pressure between the two temperature levels required for the operation of the heat engine.
  • the heat exchangers used are divided into two parts.
  • the two halves are connected together by means of an insulating layer in such a way that the heat flow through their sheath is minimized from one half to the other.
  • the working substance can flow unimpeded from one half to the other.
  • a working cylinder with a free piston the changes in the state of the working substance are converted into work.
  • the heat exchangers are connected to the working cylinder, via which an exchange of the working material between the heat exchanger and the working cylinder can take place.
  • heat exchangers can be connected to the cylinder on both sides of the piston.
  • the minimum number is 3 with one-sided connection to the working cylinder. At least 6 heat exchangers are required with two-sided connection to the working cylinder, 3 on each side.
  • the number of heat exchangers is not limited. On each side of the working cylinder, only an odd number of heat exchangers may be connected. The number of both sides must be equal.
  • each connecting pipe there is a valve which is opened by a valve control (eg cam disk or by means of electric drive) during a certain period of time.
  • a valve control eg cam disk or by means of electric drive
  • the valve is opened and closed twice, once for compression and once for expansion.
  • the heat exchangers are arranged in a star shape around the working cylinder and rigidly connected thereto. Together with the working cylinder, they form a rotor, which constantly turns around its own longitudinal axis. In one complete revolution, a complete cycle has taken place in each heat exchanger.
  • the piston in the working cylinder is free-running.
  • the circular processes act on both sides of the piston. While compression on one side, expansion on the other side takes place at the same time.
  • the working substance is cooled at a constant volume in a heat exchanger.
  • the heat exchanger itself consists of 2 halves, which are thermally decoupled in the middle by means of insulating layer. Only one half of the heat exchanger is cooled down to the condensation temperature of the working substance.
  • Heat exchanger opens and further vapor of the working fluid flows, due to the compression, in the heat exchanger on, partly by the
  • the condensate of the working fluid passes from the cooled half in the other half of the heat exchanger and is heated by the heating medium to the upper temperature level here. This temperature is higher than the boiling point of the working substance. Part of the working substance evaporates.
  • the connection opening between the two halves is mechanically closed or the cooled part of the heat exchanger is heated by a regeneration process.
  • the working material By heating the heat exchanger to the upper temperature level, the working material evaporates.
  • the condensate of the working material evaporates until the pressure within the heat exchanger has reached the vapor pressure of the working substance at this temperature.
  • the valve is opened again. Because of the pressure, the working fluid flows from the heat exchanger into the working cylinder, while the heat exchanger is supplied with further heat. Due to the falling pressure and continuous heat supply, another part of the condensate evaporates at constant steam pressure.
  • FIGS. 13A, 13B and 13C schematically illustrate this sequence of the various processes and their relationship to one another.
  • Fig. 12 is a possible model of this heat engine, in which both the Stirling and the Clausius-Rankine cycle can be realized schematically shown.
  • the present invention relates to a heat engine, but more particularly to a power plant with heat extraction described with reference to FIGS. 19 to 21.
  • thermal power couplings are used in many large and small power plants.
  • cogeneration plants which are operated according to the Rankine cycle, the steam after leaving the turbines is first partially or completely condensed via heat exchangers, the remaining steam is then condensed in the cooling tower, air condensers or in other processes. The heat recovered via the heat exchangers is then available for heating purposes in district heating or other applications.
  • Organic Rankine cycle plants part of the heat that is generated from combustion processes is diverted into a thermal oil cycle, which in turn evaporates the organic agent in the Organic Rankine Cycle plants, there in a Clausius Rankine Cycle a turbine and power generator to power.
  • the heat generated during the condensation of the working substance is used to heat the heating water Return used or delivered via an air condenser to the atmosphere.
  • the waste heat from cooling water, oil cooler and from the combustion gases is used for heating purposes or other purposes.
  • the state of the art is also referred to heating systems in which by means of Stirling engines, a part of the heating heat generated is converted into electricity.
  • the combined heat and power plant can be operated with full load throughout the year because electricity or heat, or both, can be generated together with almost the same efficiency. This achieves a much higher level of annual impact and efficiency. Electricity can also be coupled out of accumulating process waste heat with this invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the basic module of the heat engine, in which the essential components and their relationship to each other are shown in order to illustrate the realization of the Stirling cycle.
  • Fig. 2 details of the valve control 5 and 6th
  • Fig. 3 shows the basic module of FIG. 1, supplemented by electric coil 8 and magnet 7 for direct power generation.
  • Fig. 4 the basic module of Fig. 1, supplemented with a pressure equalization tank 9, for an indeterminate operating pressure of the working gas.
  • Fig. 5 shows another embodiment of the basic module, wherein the heat exchanger 1, connecting pipes 4, valves 5 and valve control 6 are arranged on both sides of the working cylinder 2.
  • Fig. 6 is a schematic representation as in Fig. 5, with representation of the media flow, which simultaneously flows through opposite heat transfer medium 1.
  • Fig. 7 is a schematic representation in which at certain heat exchangers 1 several modules consisting of connecting pipes 4, valves 5, working cylinder 2 and working piston 3 are connected.
  • Fig. 8 is a schematic model of the basic module in an embodiment in which the heat exchanger 1 are arranged in a star shape around the working cylinder 2 and thus form a rotor. Together they rotate around the common longitudinal axis.
  • the arrangement and function of the connecting pipes 4, the valves 5 and the valve control 6 are highlighted.
  • the heating and cooling sections of the heat exchanger 1 are identified.
  • FIG. 9A symbol description
  • FIG. 9B representation of clock 1 to clock 4
  • FIG. 9C representation of clock 5 to clock 6
  • Fig. 10 is a schematic model of the basic module in an embodiment in which each 3 pieces heat exchanger 1 are connected to both sides of the working cylinder 2. Also in this model, the heat exchanger 1 are arranged in a star shape around the working cylinder 2 and thus form a rotor. Together they rotate around the common longitudinal axis.
  • FIG. 12 is a schematic representation of the rotor with the combined Stirling-Clausius-Rankine cycle, with 10 pieces of heat exchangers 1, which are arranged in a star shape around the working cylinder 2. Half of the heat exchanger 1 is connected to the front and the other half on the back of the cylinder 2. The heating, cooling and regeneration sections (circulating air) are indicated.
  • FIG. 13A symbol description
  • FIG. 13B representation of clock 1 to clock 4"
  • 13C representation of clock 5 to clock 7
  • FIG. 13A represents the first 7 clocks of 10 clocks of the process flow based on that shown in Fig. 6 Model, however, each with 5 heat exchangers 1 on each side of the working cylinder 2.
  • FIG. 14A symbol Description
  • FIG. 14B representation of clock 1 to clock 4"
  • 14C representation of clock 5 to clock 7
  • Fig. 15 is a schematic representation of the basic module, with heat exchanger 1 in the form of a radiation absorber, wherein a possible construction of the shading element and the housing of the irradiated absorber surface is shown schematically.
  • Fig. 16 Pressure-enthalpy diagram with CCI 2 Fb, Frigen R12 as working substance.
  • Fig. 19 possible construction of a thermal power plant according to the invention, shown schematically.
  • Fig. 21 Diagram, in which the approximate temperature profile of the cooling and
  • Heating medium is shown approximately
  • the lower temperature medium is referred to as the "cooling medium” and the higher temperature medium is referred to as the "heating medium”.
  • thermodynamic process consists of 4 state changes, which are similar to the Stirling comparison process.
  • heat exchanger 1 In a closed room with a large heat exchange surface (hereinafter called heat exchanger 1) located working gas is periodically heated or cooled by a medium flowing around the closed space (liquid or gas). Also, heating of the working gas by radiant energy (e.g., solar energy) is possible. The caused by heating or cooling pressure changes are transmitted to a working piston 3, after a valve 5 between the closed heat exchanger 1 and the displacement of the working cylinder 2 is opened.
  • radiant energy e.g., solar energy
  • the four state changes of the working gas are:
  • Valve 5 Expansion at constant temperature (isotherm) (with heat input) - Valve 5 is open.
  • Valve 5 Compression at constant temperature (isotherm) (with heat removal) - Valve 5 is open.
  • the main difference between the Stirling engine and this heat engine is that the compression stroke following the expansion stroke of the piston 3 does not occur from one and the same heat exchanger 1. At least three heat exchangers 1 are required, which are alternately and periodically warmed or cooled.
  • each individual heat exchanger 1 together with the common working cylinder 2 and piston 3 takes place, offset in time to all other heat Transmitters 1, a separate cycle process instead.
  • the individual Stirling cycle processes are coordinated with one another in such a way that, following isothermal expansion from a heat exchanger 1, isothermal compression of another heat exchanger 1 follows in the common working cylinder 2. After this compression is followed again by an isothermal expansion of another heat exchanger 1, etc.
  • the illustrated heat engine consists of: 1.
  • Heat exchangers 1A, 1B and 1C which are arranged in the shape of a star in the form of a rotor around a working cylinder 2 and rotate with it about its longitudinal axis.
  • the heat exchangers 1A, 1B, 1C, etc. are referenced 1 in their entirety.
  • the heat exchangers 1 are each rotated by one half of the cooling medium flow (cooling section) and half by the heating medium. Current (heating section) out, so that they are alternately flows around with cooling and heating medium.
  • Heat exchanger 1 are closed spaces with a connection to the working cylinder 2.
  • the heat exchanger 1 are in one
  • Each heat exchanger 1 is closed, except for an opening inside.
  • the opening is connected to a connecting pipe 4 and via a valve 5 to the working cylinder 2, through which the trapped working gas can flow out and in.
  • the heat exchangers 1 are made of a material with very good thermal conductivity (eg Ag, Cu or Al).
  • a piston 3 can move freely back and forth. For good efficiency on the inside of a surface with low heat capacity and poor thermal conductivity and good sliding property (eg Teflon) is required. (As little heat as possible should be transferred from the working gas to the working cylinder 2 or vice versa).
  • an electric coil 8 is set to generate electricity.
  • the working cylinder 2 is made of a non-metallic material (glass, ceramic, plastic or the like). On one or both sides are openings at which the connecting pipes 4 are connected to the displacement of the working cylinder 2.
  • a piston 3 free running without connecting rod or other mechanical connection. He can move freely in the working cylinder 2 back and forth.
  • connections in particular connecting pipes 4A, 4B and 4C are connections which spatially connect the individual heat exchangers 1A, 1B and 1C and working cylinder 2.
  • 4A, 4B, 4C, etc. are referenced 4 in their entirety.
  • These connecting pipes 4 are kept as short as possible in order to avoid unnecessary dead space.
  • the connecting pipes 4 have a low heat capacity and thermal conductivity. Where these connecting pipes 4 are not flowed around by cooling / heating medium, they are isolated from heat exchange with the environment.
  • control valves 5 are installed, as far as they are not integrated in the working cylinder 2.
  • control valves 5, consisting of individual valves 5, which are located in the connecting pipe 4 between the heat exchanger 1 and cylinder 2 and control the actual process.
  • the use of these Ven- tile 5, but not their design, is an essential feature of this heat engine.
  • a valve 5A, 5B and 5C is provided for each heat exchanger 1A, 1B and 1C.
  • Valves 5A, 5B, 5C, etc. are referenced 5 in their entirety.
  • the valves 5 are alternately opened and closed in order to connect or separate the space enclosed in the individual heat exchangers 1 with the working cylinder 2.
  • the space in each heat exchanger 1 is connected directly to the working cylinder 2 when the valve 5 is open.
  • the valves 5 are sealed and are designed for the maximum pressure difference between the heat exchanger 1 and cylinder 2.
  • a valve control 6 is provided for opening and closing the valves 5, at the right moment.
  • the valve controller 6 may be mechanical (e.g., with a camshaft) or electrically / electronically.
  • the valves 5 are opened and closed in the same rhythm as the heating and cooling of the heat exchanger 1 takes place. At the end of a heating or cooling process on a heat exchanger 1 opens the heat exchanger 1 associated valve 5 and thus triggers the expansion or compression. The valve 5 closes after expansion or compression, but before the heat exchanger 1 from Schuetz the cooling medium, or vice versa, changes.
  • the field current is transmitted by means of sliding contacts from the cylinder 2 to the piston 3.
  • An electric coil 8 which is placed around the working cylinder 2, in which, by the movement of the magnetized piston 3, power is generated.
  • a pressure equalization tank 9 which is used only in such work cylinders 2, where only one side heat exchanger 1 are connected.
  • a circulating air blower 10 or a circulating pump 10 which for circulating the medium of the heated heat exchangers 1, immediately after the expansion process (after closing the valve 5) to the cooled heat exchangers 1 at the end of the compression process
  • An isolated separation which is located between the hot and the cold area (see Fig. 12), and which is formed like a tube to separate the heating medium from the cooling medium within the rotor.
  • the outer shell 13 forms a channel around each heat exchanger. 1 14.
  • An inner shell 14 to produce a tubular boundary of the media channel to the working cylinder 2.
  • the separating webs 15 are delimitations between the individual heat exchangers 1. Together with the inner shell 14 and outer shell 13, they guide the heating / cooling medium during the rotation around the respective heat transfer medium 1.
  • the process flow is shown using a model with warm air as the energy source. This model is shown schematically in FIG. 8. The process flow is shown schematically in FIGS. 9A, 9B and 9C.
  • the model consists of 3 heat exchangers 1, which are arranged in a star shape around the working cylinder 2.
  • the angle between the adjacent heat exchangers 1 is 120 ° in each case.
  • the heat exchanger 1 are rigidly connected to the working cylinder 2 and rotate with this, as well as with the outer shell 13 and inner shell 14, about its longitudinal axis.
  • the heat exchangers 1 move alternately in a region through which heating or cooling medium flows, designated in FIG. 8 as a heating and cooling section. Cooling and heating medium leading lines are connected to the inlet and outlet of the heat exchanger 1.
  • Each of the two types of media occupies half of the annular channel in which the heat exchanger 1 are located.
  • the valve control 6 is shown in this model as a cam and is arranged so that the plungers of the valves 5 follow the contours of the cam 6 during rotation.
  • the cam itself is fixed.
  • the cam has two opposed cams. They are arranged that the valves 5 are opened when the associated heat exchanger 1 has covered about 2/3 of the respective cooling or heating distance.
  • the valve 5 closes shortly before the heat exchanger 1 from the cooling medium in the heating medium (or vice versa) passes.
  • the process sequence in the individual heat exchangers 1 runs as shown schematically in FIGS. 9A to 9C.
  • the heat exchanger 1A is already flowed through with hot air and the trapped working gas is already heated. Due to the heating and the limited volume, the pressure in the heat exchanger 1A has increased at the same volume (Isochore).
  • the valve 5A By rotating over the cam plate 6, the valve 5A opens and the pressurized working gas expands into the working cylinder 2 and performs work with the piston 3. During the expansion of the heat exchanger 1A is still flowing around with hot air. There is thus an isothermal expansion.
  • valve 5A As the piston 3 moves away from the valve 5A, the power cylinder 2 and heat exchanger 1 continue to rotate and valve 5A closes. At the same time, another valve 5B opens, which connects the air space in the working cylinder 2 with that of the heat exchanger 1B. This was previously circulated with cooling medium. In the affected heat exchanger 1 B, the trapped gas was cooled, at a constant volume, and there was thus a negative pressure.
  • the valve 5B is opened, the air from the working cylinder 2 compresses into the heat exchanger 1B and the piston 3 moves back to the valve 5 due to the pressure difference. During this compression process, the heat exchanger 1B still constantly flows through cooling medium and into the working gas heat is extracted from the compression, it is an isothermal compression. Heat exchanger 1A is already partially traversed by cold air at this time.
  • Cycle 3 The rotation of the third heat exchanger 1 C, in the time during which the piston 3 moved back and forth, flowed through with heating medium. With a constant volume, the pressure of the working medium in the heat exchanger 1C increased. With opening of the valve 5C, the working gas expands isothermally from heat exchanger 1 C in the working cylinder 2 and pushes the piston 3 away from the valve 5 again.
  • each heat exchanger 1 must be connected twice via the valves 5 to the working cylinder 2, ie once for the expansion and once for the compression.
  • Working cylinder 2 is made of a non-metallic material (glass, ceramic, plastic or the like). To the working cylinder 2 is a
  • Coil 8 is laid with wire windings for power generation.
  • the freely movable piston 3 is magnetized by permanent magnets 7, o- means of excitation current.
  • power is generated in the coil 8 to the working cylinder.
  • FIG. 13 shows the process sequence for such a double unit, but with 5 heat exchangers on each side of the working cylinder 2.
  • This variant corresponds essentially to the third variant with the difference that the heat exchanger 1, which are connected to the back of Häzy- Linders 2, are located directly behind those that are connected to the front, so that the heating / cooling medium after passing the heat exchanger 1 of the front side, those on the back also happened. In this case, the heating and cooling medium is always guided simultaneously through the directly successive heat exchanger 1. (Fig. 13)
  • this variant corresponds to those of the third and fourth.
  • all heat exchangers 1 are arranged in a star shape around the working cylinder 2.
  • a valve control 6 is required on each side of the working cylinder 2.
  • the heat exchangers 1 are connected alternately times on the front, sometimes on the rear side of the working cylinder 2. If half of the sum of all heat exchangers 1 corresponds to an odd number, at each angle of rotation of the rotor always a heat exchanger 1 with the one side of the working cylinder 2 and another heat exchanger 1 with the opposite side to the working cylinder 2 connected.
  • the valves 5 will always connect heat exchanger 1 with different states of the working gas with the working cylinder 2. The process flow is as shown in FIG. 14.
  • the heat exchanger 1 itself, the actual envelope of the working gas, alternately heat up and cool down, requires a considerably higher energy expenditure than that which is required to heat the working gas or to cool it. So much of the energy that should be recovered is lost.
  • a regenerator is provided in a module as described in the fifth variant.
  • the regenerator is a circulation system which, by circulating the cooling / heating medium, uses the heat of the heated heat exchanger 1 to heat the cooled heat exchanger 1 and simultaneously cooled with the cooled by the cooled heat exchangers 1, air itself.
  • the regenerator consists of a fan for gaseous heating / cooling media, or a pump 10 for liquid media and Umlenkka- channels or tubes 11, the medium from one segment of the rotor directly after the heating line, directly to another segment of the rotor after the cooling section and back again.
  • the heat exchanger 1 are formed as a radiation absorber.
  • Working cylinder 2, piston 3 and valves 5 retain their function, as described for the basic module.
  • the heat exchanger 1 (as absorber) are aligned so that the available radiant heat can be optimally absorbed. They have a flat shape and are coated with an absorbent surface. As the heat absorbed back to the environment must be a construction that allows for optimized convection.
  • the heat exchanger 1 with working cylinder 2, connecting pipes 4 and valves 5 rotate about the longitudinal axis of the working cylinder 2 as described in the basic module. As a result, the heat exchanger 1 are alternately heated by the radiation and, by releasing the heat to the environment, cooled again.
  • valves 5, as described in the basic module, are operated so that alternately a cooled and heated heat exchanger 1 are connected to the working cylinder 2 in order to perform work by expansion or compression.
  • Each individual heat exchanger 1 is divided into two halves (see Fig. 12).
  • the two halves are connected in the middle with an intermediate insulating layer.
  • the insulating layer forms a thermal decoupling of the two halves, so that the heat is not transferred via the metal wall of the heat exchanger from one half to the other.
  • the heat exchanger 1 rotate together with the working cylinder 2 about the longitudinal axis and thus form a s.g. Rotor.
  • a compression and an expansion by means of valve control 6 is triggered alternately on each side. Likewise, if there is compression on the front, expansion on the back, or vice versa.
  • split heat exchanger 1 are installed so that the outer half of the individual heat exchanger 1 the cold media flow, the inner (the working cylinder 2 facing) half are exposed to the warm media flow.
  • a cylindrical separation 12 In the spaces between the heat exchangers 1 is a cylindrical separation 12, with which the heating medium from the cooling medium, is separated within the rotor inserted.
  • a cylindrical separation 12 Outside around the heat transfer 1 around as inside (between heat exchanger 1 and cylinder 2) are also concentrically arranged tubes (13 and 14), which form together with the separation between the heat exchangers 1, two annular channels in which each of the "cooled” or “heated” Part of the heat transmitter is located.
  • these tubes are referred to as outer13 and inner14 sheaths.
  • Each individual heat exchanger 1 is also separated from the adjacent heat exchangers 1 by means of a separating web 15 which extends from the outer casing 13 to the inner casing 14. By means of these dividers 15, the heating and cooling medium is channeled within the rotor. In each segment between two dividers 15 there is only a single heat exchanger. 1
  • the heating or cooling media conveying lines are connected.
  • the heating medium lines are connected to the upper semicircle of the inner annular channel
  • the cooling medium lines are connected to the lower semicircle of the outer annular channel. Only half of the respective circular rings is flowed through with heating or cooling medium, since the heating and cooling take place alternately.
  • the cooling section begins after closing the valve 5 at the end of an expansion process within the heating section.
  • the heating section begins after closing the valve 5 at the end of the compression process within the cooling section.
  • the working substance in the closed heat exchanger 1 with a surface whose temperature is below the dew point of the working substance, condense on this surface until the pressure within the closed heat exchanger 1 corresponds to the vapor pressure of the working substance.
  • the entire envelope of the 'cooled' warehousing Half of meüber here have this temperature, because the cooling medium of this half of the heat exchanger 1 constantly extracts the heat of condensation.
  • the heated half of the heat exchanger 1 Since the heated half of the heat exchanger 1 is communicatively connected to the cooled half, the condensate would evaporate in this part as far as it could flow there. However, since the (previously) heated part of the heat exchanger 1 is located above the cooled half during the cooling process, it is not physically possible. The situation is different in the heated part of the heat exchanger 1. If the working material evaporates with constant supply of heat, the steam will condense again when the connection to the (previously) cooled part communicates. This process will take place until the heat transfer tube (now without heat removal) has reached the vapor pressure temperature of the working material. To prevent this, three options are considered here:
  • connection opening (s) between heated and cooled half are closed mechanically.
  • the cooled half of a heat exchanger 1 By the rotation of the rotor is the outer, the cooled half of a heat exchanger 1, times below the heated half times over. It is therefore useful to choose the cooling section so that the cooled half of the heat exchanger 1 is located at the bottom during the cooling process.
  • the resulting condensate then collects in the lower and thus in the outer area of the heat exchanger 1. Due to the rotation, the cooled above the heated half moves. From a certain position, the condensate will flow from the cooled to the heated half. (This process replaces the feed pump in the classical Clausius-Rankine process.) Now, the largest mass of the working substance is on the heated side of the heat exchanger 1. The evaporation process begins. To avoid simultaneous condensation on the cooled half, the connection openings between the heated and cooled halves are mechanically closed.
  • the isochoric cooling process is initially started, with reference to FIG. 12 of the drawing.
  • The, in consideration, heat exchanger 1 is located in the cooling section directly after the closure of the expansion valve 5.
  • the heat exchanger 1 is continuously withdrawn heat on this route.
  • the working material condenses until the vapor pressure (of the working substance) is reached at cooling medium temperature. Since the valve 5 is closed during this process, the total volume within the heat exchanger 1 remains constant. By the rotation of the point at which the valve 5 is opened to the working cylinder 2, is reached.
  • the valve 5 opens and now connects the space in the heat exchanger 1 with that of the working cylinder 2.
  • the working gas flows because of the negative pressure in the heat exchanger 1 and because of the simultaneous expansion process on the other side of the working piston 3, from the working cylinder 2 in the heat exchanger 1 inside.
  • the working material condenses again until the, corresponding to the temperature, vapor pressure is reached.
  • Fig. 17. Point 2 to Point 3 During the compression of the working gas, the heat exchanger 1, through the cooling medium, constantly withdrawn heat. So there is an isothermal compression.
  • Fig. 17 point 3 to point 4 This change in state belongs both to the previously described Stirling cycle process and to the Clausius-Rankine cycle process described here. Due to the isothermal and non-isentropic compression of the working gas, the Clausius-Rankine cyclic process described here deviates from the classical one
  • connection between the heated and the cooled half is mechanically opened again.
  • the cooled part may be used for any form of heat transfer, e.g. Eg for free convection, water cooling, heat exchangers for gaseous or liquid cooling media, etc. be constructed.
  • Working cylinder 2, piston 3, connecting pipes 4, valve 5, valve controls 6, etc. have the same function as described in the ninth variant, they rotate together with the heat exchangers 1 about a common axis. In this variant, the connections between the heated and the cooled part of the heat exchanger 1 are closed during the heating process.
  • the radiation-exposed absorbent surface of the heat exchanger 1 is protected against convective losses.
  • the cooled part of the heat exchanger 1 is shaded analogously, as described in the variant seven, against the radiation energy.
  • a rotor with heat exchangers 1, connecting pipes 4, valves 5 and valve control 6 is used as described in the Ninth Variant but without working cylinder 2 and piston 3.
  • valve controls 6 there are not two valve controls 6, (on both sides of the working cylinder are arranged) but compression and expansion of all heat exchanger 1 take place at the same valve control 6.
  • a rotary engine is used, such.
  • the valves 5 Since in the rotor described, consisting of heat exchanger 1, connecting pipes 4, working cylinder 2, etc., the valves 5 always open for expansion in the same place, can be introduced with a suitable valve construction, the expanding working gas in a fixed line. This initiates the working gas in the high pressure side of the rotary engine. Similarly, for compression, a line from the low-pressure side of the rotary engine to the point at which the valves 5 open for the compression process, return the working gas to the heat exchangers 1 again. In such a machine, a rotating shaft is provided with which a power generator or other machine can be driven. The rotation can also be used to drive the heat exchanger rotor. By carefully adjusting the rotational speeds of the rotor and rotary machine, it is ensured that the correct amount of working gas is present in the rotary engine.
  • the heat engine of this heat engine is operated with an external heat source, therefore it is different from all heat engines with internal combustion.
  • this heat engine differs from conventional machines, which run either only with a Stirling cycle or only with a Rankine cycle.
  • each heat exchanger 1 has a complete Stirling cycle process with four state changes or a complete Stirling cycle.
  • Clausius-Rankine-Keisrind with 6 state changes go through d. H.
  • Each valve 5 between the individual heat exchangers 1 and common cylinder 2 has opened and closed twice. This means for each heat exchanger 1 in each case an expansion and a compression.
  • the moving parts are a freely movable working piston 3 in a working cylinder 2 and a rotating rotor consisting of: heat exchanger 1, connecting pipes 4, valves 5, inner 14 and outer 13 sheaths and partitions 15.
  • heat exchanger 1 a freely movable working piston 3 in a working cylinder 2
  • rotating rotor consisting of: heat exchanger 1, connecting pipes 4, valves 5, inner 14 and outer 13 sheaths and partitions 15.
  • valves 5 is opened only when the warm-up or cool down process is completed. Over the shortest path, the working gas can expand into the working cylinder 2 or compressed from the working cylinder 2.
  • a difference of this heat engine to the conventional thermal power plants lies in the fact that in conventional systems, the working gas or agent, eg. B. in steam power plants, from the warm heat exchanger 1 to the cold heat exchanger 1 and moved back again, in this heat engine, however, the majority of the working gas in the same heat exchanger 1 remains there alternately warmed or cooled.
  • the working gas or agent eg. B. in steam power plants
  • the piston 3 of this free-piston engine is magnetized by permanent magnets 7 or exciting current and runs in a non-metallic working cylinder 2, around which an electric coil 8 is mounted. This converts the mechanical work directly into electrical current without detours. In addition to the friction losses of the free piston 3 occur when power generation, no further mechanical losses.
  • FIG. 19 of the drawing A possible construction of a thermal power plant according to the invention is shown in FIG. 19 of the drawing.
  • a suitable number of heat engines A e.g. A1, A2, A3, .... An, arranged in series.
  • the air 22 provided for combustion is passed through the cooled part of the individual heat engines A1, A2, A3,... An one after another and, after leaving the last heat engine, fed to a combustion process in the combustion chamber 25 as combustion air.
  • the combustion gases 30 from the combustion process in the combustion chamber 25 flows through the heated part of the individual heat engines An ... A2, A1 in the opposite direction and in the reverse order as the cooling medium 22 with a similar temperature difference but with each different temperature level at each heat engine A, as approximately shown in the diagram of Fig. 21 of the drawings.
  • the working substance in each heat engine A is selected so that it is adapted to the respective temperatures occurring there.
  • the fuel is stored in a fuel tank 26.
  • the fuel container 26 may be designed for solids (eg wood chips) as a funnel or for liquids or gases as a tank.
  • the fuel is introduced into the combustion chamber 25 by means of a conveyor 27 (as a cell sluice or screw in the case of solid substances or a pump in the case of liquids).
  • a combustion grate 28 is provided which is designed so that the fuel as optimally distributed over the surface.
  • the cooling and combustion air 22 may be pure ambient air but also cooled air or air emerging from other processes, which are suitable for burning the fuel used. It will be Blower 21 through the heat exchanger 1 of the individual heat engines A up to the combustion chamber 25 promoted.
  • the warmed up air is used after leaving the heat exchanger 1 of the last heat engine An as combustion air.
  • control valves 23 a portion of the cooling air through the combustion chamber 25 and a part passed to the combustion chamber 25 over. After combustion, the two air streams are brought together again and mixed.
  • the flaps 23 are controlled by a temperature control loop, consisting of a temperature sensor 31, controller and servo motor 24 so that a constant temperature of the combustion gases 30 is achieved.
  • These combustion gases 30 are hereinafter referred to as hot gases.
  • the hot gases 30 are introduced into the heat exchangers 1 of the heat engine An, through which the cooling air 22 was last carried out. Further, the hot gases flow through all the other heat engines A in the reverse order and direction as the cooling air. By discharging the heat to the heat exchanger 1, the temperature in each heat exchanger 1 decreases. Since the temperature decreases in the opposite direction as the cooling air increases in each heat engine A, more or less, same temperature differences occur which are required to implement the heat in work.
  • the outlet temperature of the hot gases depends on the selected number of heat engines A, the working materials, especially in the last stages and the construction of the heat engines A. It can be similar to a condensing boiler at about 50 0 C. This means that the heat of vaporization of the water in the combustion gases 30 also contributes to power generation. The upper calorific value of the fuel is uses. Also, the heat of evaporation that is consumed to evaporate the water in wet fuels is not lost.
  • the last heat engine A1 In order to use the residual heat of the hot gases after leaving the last heat engine A1 for heating purposes, it is passed through the primary side of a heat exchanger 35. Heating water for district heating 36 is circulated through the secondary side of the heat exchanger. If more heat is needed for heating purposes than the residual heat in the hot gases 30 after the last heat engine An, the last heat engine A1 can be stopped, so that the heat can pass unused. If this is insufficient for the heat demand, then the second-to-last thermal engine A2 can be stopped. This can be continued until the heat engine is stopped on and the entire heat is used only for heating purposes.
  • the hot gases are finally fed to a chimney 38.
  • a flue gas cleaning 37 between the combined heat and power plant and chimney 38 can be provided.
  • the individual heat engines A - compare Fig. 20 are equipped with a magnetized Koben 3 and the cylinder 2 is enclosed with an electric coil 8 such that the piston 3, an electric current is generated by induction.
  • each machine A produces a type of alternating current, each with different frequencies.
  • This current is converted into direct current via rectifier 40 and stored in accumulators 42 while at the same time the direct current is also converted via an inverter 43 into alternating current at mains frequency.
  • For each machine A own power drainage 41 is provided.
  • heat engine A described above is listed in several variants, different variants of the heat engine A can be used in this type of cogeneration. It would be z. B. advantageous if at very high temperatures heat engines, which are operated according to the Stirling cycle, and at low temperatures heat engines which are operated with combined Stirling Clausius Rankine cycle, are used.

Abstract

The power source heat engine uses an enclosed working gas arranged between two temperature ranges and has three heat exchangers (1A-C) each with a single connection via a pipe (4A-C) to a working cylinder (2). Each heat exchanger is connected by a valve (5A-C) to the cylinder. The heat exchangers have hot and cold surrounding flows. The working cylinder can have a piston (3) operated by expansion and compression of the working gas.

Description

Kraftwerk mit Wärmeauskoppelung Power plant with heat extraction
Technisches GebietTechnical area
Bei dieser Erfindung handelt es sich um eine Kraftanlage mit Wärmeauskoppelung, bei der mehrere der nachfolgend beschriebenen Wärmekraftmaschinen, wie sie im folgenden und an Hand der Figuren 1-18 beschrieben werden, in Reihe hintereinander eingesetzt werden, um die zur Verfügung stehende Wärme entweder größtenteils zur Stromerzeugung oder größtenteils zu ande- ren Zwecken, wie z.B. Heizung, oder gleichzeitig für beides in beliebigem Verhältnis zueinander zu nutzen.In this invention is a power unit with heat extraction, in which several of the heat engines described below, as described below and with reference to the figures 1-18, are used in series behind each other to the available heat either largely for Power generation or mostly for other purposes, such as Heating, or at the same time for both in any relationship to use.
Die, bei der vorliegenden Erfindung eingesetzte Wärmekraftmaschine, ist eine solche mit externer Wärmequelle, die nach dem Prinzip des Stirlingkreispro- zesses, in Kombination mit einem Clausius-Rankine ähnlichen Kreisprozess arbeitet. Der einzelne Kreisprozess besteht aus sechs Zustandsänderungen: zwei Isobaren, zwei Isochoren, zwei Isothermen. In dieser Wärmekraftmaschine finden mehrere des oben beschriebenen Kreisprozesses gleichzeitig, aber zeitlich versetzt, statt. Die Zustandsänderungen Expansion und Kompression der einzelnen Kreisprozesse, wirken auf einen gemeinsamen Arbeitszylinder.The heat engine used in the present invention is one having an external heat source operating on the principle of the Stirling cycle process in combination with a Clausius-Rankine cycle. The single cycle process consists of six state changes: two isobars, two isochores, two isotherms. In this heat engine several of the above-described cycle process take place simultaneously but offset in time. The state changes expansion and compression of the individual cycles, act on a common working cylinder.
Mit den zunehmenden Kosten für Primärenergie aus fossilen Brennstoffen wächst der Bedarf an Lösungen, die zur effektiveren Nutzung der Primärenergie beitragen. Durch die Erwärmung der Atmosphäre besteht der Zwang fossile Brennstoffe zu vermeiden und vermehrt regenerierbare Energie zu verwenden. Die am häufigsten eingesetzten Wärmekraftmaschinen Diesel- und Otto- Motoren werden im Straßen-, Schiffs- und Luftverkehr eingesetzt, und be- lasten die Umwelt stark durch ihren CO2-Ausstoß. Aus wirtschaftlichen Gründen verbrauchen diese Motoren in der Regel Brennstoffe fossilen Ursprungs, wie Benzin, Dieselöl, Kerosin oder Erdgas. Es wird verstärkt geforscht um diese fossilen Brennstoffe durch regenerierbare Brennstoffe ersetzen zu kön- nen. Vor allem werden Lösungen gesucht um Brennstoffe z. B. Wasserstoff, Rapsöl, Biogas oder sonstige regenerierbare Energien aus Biomasse (z. B. mit Hilfe des Fischer-Tropsch-Verfahrens) einsetzen zu können.With the increasing cost of primary energy from fossil fuels, the need for solutions that contribute to the more effective use of primary energy is growing. By warming the atmosphere, there is a compulsion to avoid fossil fuels and to increasingly use regenerable energy. The most widely used heat engines Diesel and petrol engines are used in road, ship and air transport and pollute the environment through their CO 2 emissions. For economic reasons, these engines typically consume fuels of fossil origin, such as gasoline, diesel, kerosene or natural gas. There is increasing research to be able to replace these fossil fuels with regenerable fuels. NEN. Above all, solutions are sought to fuel z. As hydrogen, rapeseed oil, biogas or other renewable energy from biomass (eg., Using the Fischer-Tropsch process) to use.
Dampf- und Gasturbinen, Blockheizkraftwerke und Stromaggregate mit Diesel oder Ottomotoren sind die zur Zeit vorwiegend zur Stromerzeugung eingesetzten Wärmekraftmaschinen. Die genannten Stromerzeuger, bis auf die Dampferzeugung für Dampfturbinen, können nur im geringen Maße mit regenerativen Brennstoffen betrieben werden.Steam and gas turbines, combined heat and power plants and generators with diesel or gasoline engines are currently used mainly for power generation heat engines. The mentioned power generators, except for steam generation for steam turbines, can only be operated to a limited extent with regenerative fuels.
Alle diese Wärmekraftmaschinen haben eines gemeinsam, sie können nur einen relativ geringen Teil der eingesetzten Energie, ca. 30- 40 %, in mechanische Arbeit und somit auch in Strom umsetzen. Die restlichen 60- 70% der Primärenergie gehen als Wärmeenergie verloren, wenn sie nicht als Heiz- wärme genutzt werden können.All of these heat engines have one thing in common, they can convert only a relatively small part of the energy used, about 30-40%, into mechanical work and thus also into electricity. The remaining 60-70% of the primary energy is lost as heat energy if it can not be used as heating heat.
Um bei nicht bestehendem Heizbedarf diese überschüssige Energie zu nutzen, wurden verschiedene Wärmekraftmaschinen entwickelt, die auch bei niederen Temperaturen mit einem hinnehmbaren Wirkungsgrad arbeiten. Zu die- sen Entwicklungen zählt auch der „Organic Rankine Cycle" (ORC), bei dem anstelle des Wassers und Wasserdampfes organische Verbindungen als Arbeitsstoff genutzt werden, deren Verdampfungstemperaturen und Dampfdrücke einen Betrieb bei niederen Temperaturen zulassen. In der jüngsten Vergangenheit sind einige ORC-Anlagen in Betrieb genommen worden. Mit den ORC-Anlagen kann auch regenerierbare Energie, wie zum Beispiel Erdwärme aus geothermischen Quellen, in Arbeit umgesetzt werden.In order to take advantage of this excess energy in the absence of heating demand, various heat engines have been developed, which operate at a low temperature with an acceptable efficiency. These developments also include the Organic Rankine Cycle (ORC), which uses organic compounds as the working substance instead of water and steam, and whose vaporization temperatures and vapor pressures allow it to operate at low temperatures. The ORC plants can also be used to convert regenerable energy, such as geothermal heat from geothermal sources.
Um fossile Brennstoffe zu sparen, wird in verstärktem Maße mit dem Stirling- motor experimentiert, da es bei dieser Wärmekraftmaschine unerheblich ist, welcher Brennstoff benutzt wird. Die Wärmeerzeugung findet unabhängig von der Krafterzeugung statt. Der Stirlingmotor wird schon durch mehrere Firmen in verschiedenen Ausführungen serienmäßig hergestellt. Er wird unter Anderem in Klein-Blockheizkraftwerken (BHKW) eingesetzt. Der Wunsch Sonnenenergie in Strom umzusetzen hat der Entwicklung von Stirlingmotoren wichtige Impulse gegeben.In order to save fossil fuels, the Stirling engine is being experimented to a greater extent, as it is immaterial in this heat engine which fuel is used. The heat generation takes place independently of the power generation. The Stirling engine is already produced as standard by several companies in various designs. It is used among other things in small combined heat and power plants (CHP). The desire to convert solar energy into electricity has given important impulses to the development of Stirling engines.
In der Stirling-Wärmekraftanlage wird eine eingeschlossene Gasmasse periodisch erwärmt und abgekühlt, die dadurch hervorgerufenen Druckänderungen werden durch einen Arbeitskolben in mechanische Arbeit umgesetzt. Der ther- modynamische Prozess besteht idealisiert aus vier Zustahdsänderungen: Kompression bei konstanter Temperatur (Isotherme), Wärmezufuhr bei kon- stantem Volumen (Isochore), Expansion bei konstanter Temperatur (Isotherme) und Wärmeabfuhr bei konstantem Volumen (Isochore). Das Arbeitsgas wird bei hohen Drücken zwischen einem warmen und einem kalten Raum hin und her geschoben. Zwischen diese Räume ist zur Verbesserung des Wirkungsgrades ein Regenerator geschaltet, an den das zur kalten Seite strö- mende Gas Wärme abgibt und beim Rückströmen Wärme aufnimmt.In the Stirling thermal power plant, an enclosed gas mass is periodically heated and cooled, the pressure changes caused thereby are converted by a working piston into mechanical work. The thermodynamic process ideally consists of four changes of state: compression at constant temperature (isotherm), heat supply at constant volume (isochore), expansion at constant temperature (isotherm) and heat removal at constant volume (isochore). The working gas is pushed at high pressures between a warm and a cold room back and forth. Between these rooms, a regenerator is connected to improve the efficiency, to which the gas flowing to the cold side releases heat and absorbs heat during the return flow.
Als Niedertemperatur-Wärmekraftanlage ist die Stirlinganlage wirtschaftlich kaum nutzbar, da der thermodynamische Nutzungsgrad sehr gering ist. Die zur Verfügung stehende Leistung wird durch die mechanischen Verluste größtenteils intern verbraucht.As a low-temperature thermal power plant, the Stirling plant is economically hardly usable, since the thermodynamic efficiency is very low. The available power is largely consumed internally by the mechanical losses.
Der Stirlingmotor als Heißgasmotor und die Dampfkraftanlagen (einschl. ORC- Anlagen) nach dem Clausius-Rankine-Vergleichsprozess sind die einzigen, serienmäßig eingesetzten Wärmekraftmaschinen mit externer Wärmeerzeugung.The Stirling engine as a hot gas engine and the steam power plants (including ORC plants) according to the Clausius-Rankine comparison process are the only heat engines with external heat generation used as standard.
Beim Clausius-Rankine Prozess wird Wasser, oder ein anderer Stoff unter hohem Druck, verdampft (Isobare). Der Dampf entspannt sich isentropisch über eine Turbine in eine niedere Druckebene und wird bei gleich bleibendem Druck (isobarisch) wieder verflüssigt. Das Kondensat wird mittels Pumpen (i- sentropisch) wieder auf die hohe Druckstufe gepumpt. Hier beginnt der Prozess wieder von vorne.In the Clausius-Rankine process, water or another substance under high pressure is evaporated (isobaric). The steam relaxes isentropically via a turbine into a lower pressure level and is liquefied again at constant pressure (isobaric). The condensate is pumped back to the high pressure stage by means of pumps (inert). Here the process starts all over again.
Der Clausius Rankine-Prozess besteht aus 2 Isobaren und 2 Isentropen. Zum Stand der Technik sei auf die Druckschriften US 4,138,847 „Heat Recu- perative Engine" und DE 26 49 941 A1 „Stirlingmaschine und Verfahren zum Betreiben derselben" hingewiesen, aus denen eine Wärmekraftmaschine mit Wärmeüberträgern bekannt ist, wobei ein Arbeitsgas jeweils eine isochore Wärmezu- und Wärmeabfuhr, sowie eine isotherme Expansion und Kompression als Zustandsänderung zwischen zwei Temperaturebenen verrichtet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde die bei vielen Prozessen anfallende Abwärme zu nutzen und zwar durch eine bessere Ausnutzung der isochori- sehen Zustandsänderungen, um gleichzeitig einen geringeren konstruktiven Aufwand zu erzielen.The Clausius Rankine process consists of 2 isobars and 2 isentropes. Reference may be made to the prior art to the documents US 4,138,847 "Heat Recursive Engine" and DE 26 49 941 A1 "Stirling engine and method for operating the same", from which a heat engine with heat exchangers is known, wherein a working gas in each case an isochoric heat. and heat dissipation, as well as an isothermal expansion and compression as a state change between two temperature levels performed. The invention is based on the object to use the heat generated in many processes waste heat through a better utilization of isochori- see changes in state, in order to achieve a lower design effort at the same time.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzte Wärmekraftmaschine weist auch im Niedertemperaturbereich einen relativ hohen Wirkungsgrad auf. Mit dieser Wärmekraftmaschine soll unter anderem ein Teil der Abwärme aus Industrie oder Kraftanlagen, die durch Fortblasen von warmer oder heiße Abluft verloren gehen würde, zurück gewonnen werden.The heat engine used according to the present invention has a relatively high efficiency even in the low temperature range. With this heat engine, among other things, a part of the waste heat from industry or power plants, which would be lost by blowing away warm or hot air, to be recovered.
In gleicher Weise kann ein Teil der Abwärme aus Flüssigkeiten, die über Rückkühlanlagen oder dergleichen an die Umwelt abgegeben würden, zurück gewonnen werden.Similarly, a portion of the waste heat from liquids that would be discharged via recooling systems or the like to the environment, be recovered.
Vor allem soll ein Teil der Wärme, welche üblicher Weise bisher wegen des niedrigen Temperatumiveaus nicht wirtschaftlich genutzt werden kann, mittels dieser Wärmekraftmaschine in Strom umgesetzt werden.Above all, a part of the heat, which usually can not be used economically because of the low temperature level, to be converted by means of this heat engine into electricity.
Das Grundprinzip dieser Wärmekraftmaschine basiert auf zwei Kreisprozessen (dem Stirling- und dem Clausius-Rankine-Kreisprozess) welche gleichzeitig ablaufen und sich gegenseitig ergänzen. Der Clausius-Rankine- Kreisprozess findet praktisch innerhalb des Stirling-Kreisprozesses in solch eine Weise statt, dass die Isentropen des Clausius-Rankine-Prozesses in den Isothermen des Stirling-Kreislaufes aufgehen. Der Clausius-Rankine - Kreisprozess besteht in diesem Fall aus zwei Isobaren und zwei Isothermen, wobei diese Isothermen Bestandteil beider Kreisprozesse sind, (vergl. Fig.16 bis 18 in der Zeichnung) Um die Möglichkeit zu schaffen, dass Verdampfung und Verflüssigung stattfinden können, wird ein Arbeitsstoff gewählt, dessen Siedepunkt sich bei entsprechend gewähltem Druck, zwischen den beiden für den Betrieb der Wär- mekraftmaschine erforderlichen Temperaturebenen befindet.The basic principle of this heat engine is based on two cycle processes (the Stirling cycle and the Clausius-Rankine cycle) which run simultaneously and complement each other. The Clausius-Rankine cycle process takes place practically within the Stirling cycle in such a way that the isentropes of the Clausius-Rankine process merge into the isotherms of the Stirling cycle. The Clausius-Rankine cycle consists in this case of two isobars and two isotherms, these isotherms being part of both cycles (see Figs. 16 to 18 in the drawing). In order to make it possible for vaporization and liquefaction to take place, an agent is selected whose boiling point is at a correspondingly selected pressure between the two temperature levels required for the operation of the heat engine.
Die zum Einsatz kommenden Wärmeüberträger (geschlossener Behälter mit großer Wärmeübertragungsfläche) werden zweigeteilt. Die beiden Hälften werden mittels einer Isolierschicht so miteinander verbunden, dass der Wär- mefluss über deren Hülle von der einen Hälfte in die andere minimiert wird. Der Arbeitsstoff kann als Flüssigkeit oder Gas jedoch ungehindert von einer Hälfte in die andere fließen bzw. strömen.The heat exchangers used (closed container with large heat transfer surface) are divided into two parts. The two halves are connected together by means of an insulating layer in such a way that the heat flow through their sheath is minimized from one half to the other. However, as a liquid or gas, the working substance can flow unimpeded from one half to the other.
In einem Arbeitszylinder mit einem Freikolben werden die Zustandsänderun- gen des Arbeitsstoffes in Arbeit umgesetzt. Über Verbindungsrohre mit integrierten Ventilen werden die Wärmeüberträger mit dem Arbeitszylinder verbunden, über welche ein Austausch des Arbeitsstoffes zwischen Wärmeüberträger und Arbeitszylinder erfolgen kann. Wegen des freilaufenden Kolbens, (d. h. der Kolben ist nicht über einen Pleuel mit einer Kurbelwelle oder derglei- chen verbunden) können auf beiden Seiten des Kolbens Wärmeüberträger mit dem Zylinder verbunden werden.In a working cylinder with a free piston, the changes in the state of the working substance are converted into work. Via connecting pipes with integrated valves, the heat exchangers are connected to the working cylinder, via which an exchange of the working material between the heat exchanger and the working cylinder can take place. Because of the freewheeling piston (i.e., the piston is not connected to a crankshaft or the like via a connecting rod), heat exchangers can be connected to the cylinder on both sides of the piston.
Da bei dieser Wärmekraftmaschine mehrere Kreisprozesse gleichzeitig ablaufen, sind mehrere Wärmeüberträger erforderlich. Die Mindestanzahl ist 3 bei einseitigem Anschluss an den Arbeitszylinder. Mindestens 6 Wärmeüberträger sind erforderlich bei beidseitigem Anschluss an den Arbeitszylinder, 3 auf jeder Seite. Die Anzahl der Wärmeüberträger ist nicht begrenzt. An jeder Seite des Arbeitszylinders darf nur eine ungerade Anzahl von Wärmeüberträgern angeschlossen sein. Die Anzahl beider Seiten muss sich entsprechen.Since several cycle processes take place simultaneously in this heat engine, several heat exchangers are required. The minimum number is 3 with one-sided connection to the working cylinder. At least 6 heat exchangers are required with two-sided connection to the working cylinder, 3 on each side. The number of heat exchangers is not limited. On each side of the working cylinder, only an odd number of heat exchangers may be connected. The number of both sides must be equal.
In jedem Verbindungsrohr befindet sich ein Ventil, welches über eine Ventilsteuerung (z.B. Nockenscheibe oder mittels elektrischem Antrieb) während eines bestimmten Zeitraumes geöffnet wird. Im Verlauf des Kreisprozesses erfolgt das Öffnen und Schließen des Ventils zweimal, einmal für die Kompression und einmal für die Expansion.In each connecting pipe there is a valve which is opened by a valve control (eg cam disk or by means of electric drive) during a certain period of time. In the course of the cycle the valve is opened and closed twice, once for compression and once for expansion.
Die Wärmeüberträger sind sternförmig um den Arbeitszylinder angeordnet und starr mit diesem verbunden. Sie bilden zusammen mit dem Arbeitszylinder einen Rotor, der sich ständig um die eigene Längsachse dreht. Bei einer vollständigen Umdrehung ist in jedem Wärmeüberträger ein kompletter Kreispro- zess abgelaufen.The heat exchangers are arranged in a star shape around the working cylinder and rigidly connected thereto. Together with the working cylinder, they form a rotor, which constantly turns around its own longitudinal axis. In one complete revolution, a complete cycle has taken place in each heat exchanger.
Der Kolben im Arbeitszylinder ist freilaufend. Die Kreisprozesse wirken von beiden Seiten auf den Kolben. Während eine Kompression auf der einen Seite, findet gleichzeitig eine Expansion auf der anderen Seite statt.The piston in the working cylinder is free-running. The circular processes act on both sides of the piston. While compression on one side, expansion on the other side takes place at the same time.
Die sechs Zustandsänderungen verlaufen in folgender Reihenfolge (vgl. Fig. 17, P-v-Diagram oder Fig. 18, t-s-Diagram).The six state changes are in the following order (see Fig. 17, P-v diagram or Fig. 18, t-s diagram).
1. Isochorische Wärmeentnahme1. Isochoric heat extraction
Der Arbeitsstoff wird bei konstantem Volumen in einem Wärmeüberträger gekühlt. Der Wärmeüberträger selbst besteht aus 2 Hälften, die in der Mitte mit- tels Isolierschicht thermisch entkoppelt sind. Nur eine Hälfte des Wärmeüberträgers wird auf Kondensationstemperatur des Arbeitsstoffes herabgekühlt.The working substance is cooled at a constant volume in a heat exchanger. The heat exchanger itself consists of 2 halves, which are thermally decoupled in the middle by means of insulating layer. Only one half of the heat exchanger is cooled down to the condensation temperature of the working substance.
2. Isobarische Kondensation2. Isobaric condensation
Ist die Kondensationstemperatur erreicht, verflüssigt sich der Arbeitsstoff bei konstantem Druck und Temperatur. Das Ventil zwischen Arbeitszylinder undWhen the condensation temperature is reached, the working fluid liquefies at constant pressure and temperature. The valve between working cylinder and
Wärmeüberträger öffnet sich und weiterer Dampf des Arbeitsstoffes strömt, bedingt durch die Kompression, in den Wärmeüberträger ein, teils durch denHeat exchanger opens and further vapor of the working fluid flows, due to the compression, in the heat exchanger on, partly by the
Unterdruck in selbigem Wärmeüberträger, teils durch externen Druck auf denLow pressure in selbigem heat exchanger, partly by external pressure on the
Kolben im Arbeitszylinder. Wegen der fortlaufenden Kühlung wird weiterer Dampf des Arbeitsstoffes verflüssigt.Piston in the working cylinder. Because of the continuous cooling further vapor of the working fluid is liquefied.
3. Isotherme Kompression Während das Arbeitsgas aus dem Arbeitszylinder in den Wärmeüberträger einströmt, wird dem Wärmeüberträger Wärme entzogen. Der Dampf des Arbeitsstoffes kondensiert nicht vollständig, wird aber verdichtet bei gleichzeitiger Wärmeentnahme. Das Ventil schließt.3. Isothermal compression While the working gas flows from the working cylinder in the heat exchanger, heat is removed from the heat exchanger. The vapor of the working fluid does not completely condense, but is compressed with simultaneous heat removal. The valve closes.
4. Isochorische Wärmezuführung4. Isochoric heat supply
Im Wärmeüberträger befindet sich jetzt durch die isothermische Kompression eine größere Masse des Arbeitsstoffes. Während der fortlaufenden Drehung läuft das Kondensat des Arbeitsstoffes von der gekühlten Hälfte in die andere Hälfte des Wärmeüberträgers und wird hier durch das Heizmedium auf die obere Temperaturebene aufgeheizt. Diese Temperatur ist höher als der Siedepunkt des Arbeitsstoffes. Ein Teil des Arbeitsstoffes verdampft. Um gleichzeitige Kondensation im gekühlten Teil des Wärmeüberträgers zu vermeiden, wird die Verbindungsöffnung zwischen beiden Hälften mechanisch geschlos- sen oder der gekühlte Teil des Wärmeüberträgers wird über ein Regenerationsverfahren aufgeheizt.In the heat exchanger is now due to the isothermal compression a larger mass of the working substance. During the continuous rotation, the condensate of the working fluid passes from the cooled half in the other half of the heat exchanger and is heated by the heating medium to the upper temperature level here. This temperature is higher than the boiling point of the working substance. Part of the working substance evaporates. In order to avoid simultaneous condensation in the cooled part of the heat exchanger, the connection opening between the two halves is mechanically closed or the cooled part of the heat exchanger is heated by a regeneration process.
5. Isobarische Verdampfung5. Isobaric evaporation
Durch das Heizen des Wärmeüberträgers auf die obere Temperaturebene verdampft der Arbeitsstoff. Das Kondensat des Arbeitsstoffes verdampft solange, bis der Druck innerhalb des Wärmeüberträgers den Dampfdruck des Arbeitsstoffes bei dieser Temperatur erreicht hat. Das Ventil wird wieder geöffnet. Wegen des Druckes strömt der Arbeitsstoff aus dem Wärmeüberträger in den Arbeitszylinder, während dem Wärmeüberträger weitere Wärme zuge- führt wird. Durch den abfallenden Druck und fortlaufende Wärmezufuhr verdampft ein weiterer Teil des Kondensates bei gleichbleibendem Dampfdruck.By heating the heat exchanger to the upper temperature level, the working material evaporates. The condensate of the working material evaporates until the pressure within the heat exchanger has reached the vapor pressure of the working substance at this temperature. The valve is opened again. Because of the pressure, the working fluid flows from the heat exchanger into the working cylinder, while the heat exchanger is supplied with further heat. Due to the falling pressure and continuous heat supply, another part of the condensate evaporates at constant steam pressure.
6. Isothermische Expansion6. Isothermal expansion
Nachdem der restliche Teil des Kondensates verdampft ist, entspannt sich der Dampf des Arbeitsstoffes weiter in den Arbeitszylinder bei gleichzeitiger Wärmezufuhr. Das Ventil schließt. Es sind mehrere Wärmeüberträger jeweils über ein Verbindungsrohr (4) mit dem Arbeitszylinder verbunden. In jedem Wärmeüberträger findet der gleiche Prozess statt. Die einzelnen Prozesse (als Stirling-Vergleichsprozess dargestellt) der verschiedenen Wärmeüberträger finden zeitlich versetzt statt. In Fig. 13A, 13B und 13C ist dieser Ablauf der verschiedenen Prozesse und deren Beziehung zueinander schematisch dargestellt.After the remaining part of the condensate has evaporated, the vapor of the working fluid continues to relax in the working cylinder with simultaneous supply of heat. The valve closes. There are several heat exchangers each connected via a connecting pipe (4) with the working cylinder. In every heat exchanger, the same process takes place. The individual processes (shown as Stirling comparison process) of the various heat exchangers take place at different times. FIGS. 13A, 13B and 13C schematically illustrate this sequence of the various processes and their relationship to one another.
In Fig. 12 ist ein mögliches Model dieser Wärmekraftmaschine, in dem sowohl der Stirling- als auch der Clausius-Rankine-Kreislauf realisiert werden können, schematisch dargestellt.In Fig. 12 is a possible model of this heat engine, in which both the Stirling and the Clausius-Rankine cycle can be realized schematically shown.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftmaschine, aber insbesondere auf eine unter Bezugnahme auf Figuren 19 bis 21 beschriebene Kraftanlage mit Wärmeauskoppelung.The present invention relates to a heat engine, but more particularly to a power plant with heat extraction described with reference to FIGS. 19 to 21.
Stand der TechnikState of the art
Zur besseren Nutzung von Energie werden Wärmekraftkoppelungen in sehr vielen großen und kleinen Kraftwerken eingesetzt. In Heizkraftwerken welche nach dem Clausius-Rankine-Kreislauf betrieben werden, wird der Dampf nach verlassen der Turbinen zuerst über Wärmetauscher teilweise oder ganz kondensiert, der restliche Dampf wird dann im Kühlturm, Luftkondensatoren oder in anderen Prozessen kondensiert. Die über die Wärmetauscher zurück gewonnene Wärme steht dann für Heizungszwecke in Fernheizungen oder an- deren Anwendungen zur Verfügung.For the better use of energy, thermal power couplings are used in many large and small power plants. In cogeneration plants which are operated according to the Rankine cycle, the steam after leaving the turbines is first partially or completely condensed via heat exchangers, the remaining steam is then condensed in the cooling tower, air condensers or in other processes. The heat recovered via the heat exchangers is then available for heating purposes in district heating or other applications.
Bei Organic-Rankine-Cycle-Anlagen wird ein Teil der Wärme, welche aus Verbrennungsprozessen erzeugt wird, in einen Thermoölkreislauf abgezweigt, mit dem wiederum der organische Arbeitsstoff in der Organic-Rankine-Cycle- Anlagen verdampft wird, um dort in einem Clausius-Rankine-Kreislauf eine Turbine und Stromgenerator anzutreiben. Die bei der Kondensation des Arbeitsstoffes anfallende Wärme wird zur Aufheizung des Heizungswasser- Rücklaufes benutzt oder über einen Luftkondensator an die Atmosphäre abgegeben.In Organic Rankine cycle plants, part of the heat that is generated from combustion processes is diverted into a thermal oil cycle, which in turn evaporates the organic agent in the Organic Rankine Cycle plants, there in a Clausius Rankine Cycle a turbine and power generator to power. The heat generated during the condensation of the working substance is used to heat the heating water Return used or delivered via an air condenser to the atmosphere.
In Blockheizkraftwerken mit Verbrennungsmotoren wird die Abwärme aus Kühlwasser, Ölkühler und von den Verbrennungsgasen für Heizungszwecke oder andere Zwecke genutzt.In combined heat and power plants with internal combustion engines, the waste heat from cooling water, oil cooler and from the combustion gases is used for heating purposes or other purposes.
Zum Stand der Technik sei auch auf Heizungsanlagen hingewiesen bei denen mittels Stirlingmotoren ein Teil der erzeugten Heizungswärme in Strom um- gewandelt wird.The state of the art is also referred to heating systems in which by means of Stirling engines, a part of the heating heat generated is converted into electricity.
Werden die oben beschriebenen Anlagen wärmeorientiert gefahren, d.h. nur dem Wärmebedarf entsprechend gefahren, kann ein hoher Jahreswirkungsgrad aber ein geringerer Jahresnutzungsgrad erreicht werden. Wird die Kraft- Wärmekopplungsanlage (KWK-Anlage) stromorientiert gefahren, fallen, in der Zeit, bei der die Restwärme nicht vollkommen genutzt werden kann und über Kühltürme oder Luftkühler an die Atmosphäre abgegeben werden muss, Verluste an. Diese Verluste verringern den Jahreswirkungs- und -nutzungsgrad.If the plants described above are driven in a heat-oriented manner, i. only driven by the heat requirement, a high annual efficiency but a lower annual efficiency can be achieved. If the combined heat and power plant (CHP plant) is driven in a stream-oriented manner, losses will be lost during the time during which the residual heat can not be fully utilized and must be released to the atmosphere via cooling towers or air coolers. These losses reduce the annual impact and efficiency.
Mit der vorliegenden Erfindung kann die Kraftwärmekopplungsanlage über das ganze Jahr mit Voillast betrieben werden, weil mit fast gleichem Wirkungsgrad Strom oder Wärme oder beides zusammen erzeugt werden kann. Hierdurch wird ein viel höherer Jahreswirkungs- und -nutzungsgrad erreicht. Strom kann mit dieser Erfindung auch aus anfallender Prozessabwärme aus- gekoppelt werden.With the present invention, the combined heat and power plant can be operated with full load throughout the year because electricity or heat, or both, can be generated together with almost the same efficiency. This achieves a much higher level of annual impact and efficiency. Electricity can also be coupled out of accumulating process waste heat with this invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung des Grundmoduls der Wärmekraftmaschine, in der die wesentlichen Komponenten und deren Beziehung zueinander aufgezeigt werden, um die Realisierung des Stirlingkreislaufes darzustellen. Fig. 2 Einzelheiten der Ventilsteuerung 5 und 6.1 shows a schematic representation of the basic module of the heat engine, in which the essential components and their relationship to each other are shown in order to illustrate the realization of the Stirling cycle. Fig. 2 details of the valve control 5 and 6th
Fig. 3 das Grundmodul der Fig. 1 , ergänzt durch elektrische Spule 8 und Magnet 7 zur direkten Stromerzeugung.Fig. 3 shows the basic module of FIG. 1, supplemented by electric coil 8 and magnet 7 for direct power generation.
Fig. 4 das Grundmodul der Fig. 1 , ergänzt mit einem Druckausgleichsbehälter 9, für einen unbestimmten Betriebsdruck des Arbeitsgases.Fig. 4, the basic module of Fig. 1, supplemented with a pressure equalization tank 9, for an indeterminate operating pressure of the working gas.
Fig. 5 eine andere Ausführungsform des Grundmoduls, wobei der Wärmeüberträger 1 , Verbindungsrohre 4, Ventile 5 und Ventilsteuerung 6 beidseitig des Arbeitszylinders 2 angeordnet sind.Fig. 5 shows another embodiment of the basic module, wherein the heat exchanger 1, connecting pipes 4, valves 5 and valve control 6 are arranged on both sides of the working cylinder 2.
Fig. 6 eine schematische Darstellung wie in Fig. 5, mit Darstellung des Medienflusses, der gleichzeitig durch gegenüberliegende Wärmeträger 1 strömt.Fig. 6 is a schematic representation as in Fig. 5, with representation of the media flow, which simultaneously flows through opposite heat transfer medium 1.
Fig. 7 eine schematische Darstellung, bei der an bestimmten Wärmeübertragern 1 mehrere Module, bestehend aus Verbindungsrohren 4, Ventilen 5, Arbeitszylinder 2 und Arbeitskolben 3 angeschlossen sind.Fig. 7 is a schematic representation in which at certain heat exchangers 1 several modules consisting of connecting pipes 4, valves 5, working cylinder 2 and working piston 3 are connected.
Fig. 8 ein schematisches Modell des Grundmoduls in einer Ausführung bei der die Wärmeüberträger 1 sternförmig um den Arbeitszylinder 2 angeordnet sind und somit einen Rotor bilden. Zusammen drehen sie um die gemeinsame Längsachse. In der Darstellung sind die Anordnung und Funktion der Verbindungsrohre 4, die Ventile 5 sowie die Ventilsteuerung 6 hervorgehoben. Die Heiz- und Kühlstrecken der Wärmeüberträger 1 sind ausgewiesen.Fig. 8 is a schematic model of the basic module in an embodiment in which the heat exchanger 1 are arranged in a star shape around the working cylinder 2 and thus form a rotor. Together they rotate around the common longitudinal axis. In the illustration, the arrangement and function of the connecting pipes 4, the valves 5 and the valve control 6 are highlighted. The heating and cooling sections of the heat exchanger 1 are identified.
Fig. 9A „Symbolbeschreibung" und die dazu gehörenden Fig. 9B „Darstellung Takt 1 bis Takt 4" und 9C „Darstellung Takt 5 bis Takt 6".eine Darstellung des Prozessablaufes auf der Basis des in Fig. 8 darge- stellten Modells. Die jeweilige Kolbenbewegung, die Ventilstellung und der Fortschritt des einzelnen Wärmeüberträgers im Stirling- Vergleichsprozess, sind schematisch dargestellt.9A "Symbol description" and the associated FIG. 9B "Representation of clock 1 to clock 4" and FIG. 9C "Representation of clock 5 to clock 6". A representation of the process sequence on the basis of FIG. set model. The respective piston movement, the valve position and the progress of the individual heat exchanger in the Stirling comparison process are shown schematically.
Fig. 10 ein schematisches Modell des Grundmoduls in einer Ausführung bei der jeweils 3 Stück Wärmeüberträger 1 an beiden Seiten des Arbeitszylinders 2 angeschlossen sind. Auch in diesem Modell sind die Wärmeüberträger 1 sternförmig um den Arbeitszylinder 2 angeordnet und bilden somit einen Rotor. Zusammen drehen sie sich um die gemeinsame Längsachse. Die Heiz- und Kühlstrecken derFig. 10 is a schematic model of the basic module in an embodiment in which each 3 pieces heat exchanger 1 are connected to both sides of the working cylinder 2. Also in this model, the heat exchanger 1 are arranged in a star shape around the working cylinder 2 and thus form a rotor. Together they rotate around the common longitudinal axis. The heating and cooling sections of
Wärmeüberträger 1 sind ausgewiesen.Heat exchanger 1 are reported.
Fig. 11 Modell wie in Fig. 10 dargestellt, ergänzt mit einem Regenerator bestehend aus Umluftgebläse 10 bzw. Umwälzpumpe 10 mit Umluftleitungen 11 bzw. Umwälzleitungen 11 (bei Flüssigkeiten).11 Model as shown in Fig. 10, supplemented with a regenerator consisting of circulating air blower 10 and circulating pump 10 with circulating air lines 11 and Umwälzleitungen 11 (for liquids).
Fig. 12 eine schematische Darstellung des Rotors mit dem kombinierten Stirling-Clausius-Rankine-Kreisprozess, mit 10 Stück Wärmeüberträgern 1 , die sternförmig um den Arbeitszylinder 2 angeordnet sind. Die Hälfte der Wärmeüberträger 1 ist an der Vorderseite und die andere Hälfte auf der Rückseite am Arbeitszylinder 2 angeschlossen. Die Heiz-, Kühl- und Regenerationsstrecken (Umluft) sind ausgewiesen.12 is a schematic representation of the rotor with the combined Stirling-Clausius-Rankine cycle, with 10 pieces of heat exchangers 1, which are arranged in a star shape around the working cylinder 2. Half of the heat exchanger 1 is connected to the front and the other half on the back of the cylinder 2. The heating, cooling and regeneration sections (circulating air) are indicated.
Fig. 13A „Symbolbeschreibung" und die dazu gehörenden Fig. 13B „Darstellung Takt 1 bis Takt 4" und 13C „Darstellung Takt 5 bis Takt 7" eine Darstellung der ersten 7 Takte von 10 Takten des Prozessablaufes auf Basis des in Fig. 6 dargestellten Modells, jedoch mit jeweils 5 Stück Wärmeüberträgern 1 auf jeder Seite des Arbeitszylin- ders 2.FIG. 13A "Symbol description" and the associated FIG. 13B "Representation of clock 1 to clock 4" and 13C "Representation of clock 5 to clock 7" a representation of the first 7 clocks of 10 clocks of the process flow based on that shown in Fig. 6 Model, however, each with 5 heat exchangers 1 on each side of the working cylinder 2.
Fig. 14A „Symbolbeschreibung" und die dazu gehörenden Fig. 14B „Darstellung Takt 1 bis Takt 4" und 14C „Darstellung Takt 5 bis Takt 7" eine schematische Darstellung des Prozessablaufes, bei dem alle Wärmeüberträger 1 sternförmig um die Mittelachse angeordnet sind, aber abwechselnd an der einen oder anderen Seite des Arbeitszylinders 2 angeschlossen sind.14A "Symbol Description" and the associated FIG. 14B "Representation of clock 1 to clock 4" and 14C "Representation of clock 5 to clock 7" a schematic representation of the process flow, in which all the heat exchanger 1 are arranged in a star shape around the central axis, but are alternately connected to one or the other side of the working cylinder 2.
Fig. 15 eine schematische Darstellung des Grundmoduls, mit Wärmeüberträger 1 in Form eines Strahlungsabsorbers, wobei eine mögliche Konstruktion des Beschattungselementes und der Einhausung der bestrahlten Absorberfläche schematisch dargestellt ist.Fig. 15 is a schematic representation of the basic module, with heat exchanger 1 in the form of a radiation absorber, wherein a possible construction of the shading element and the housing of the irradiated absorber surface is shown schematically.
Fig. 16. Druck-Enthalpie-Diagramm mit CCI2Fb, Frigen R12 als Arbeitsstoff.Fig. 16. Pressure-enthalpy diagram with CCI 2 Fb, Frigen R12 as working substance.
Fig. 17 P-v-Diagramm bezogen auf in Fig. 16 dargestelltem P-h-Diagramm.Fig. 17 P-v diagram with respect to shown in Fig. 16 P-h diagram.
Fig. 18 t-s-Diagramm bezogen auf in Fig. 16 dargestelltem P-h-Diagramm.Fig. 18 t-s diagram based on in Fig. 16 P-h diagram shown.
Fig. 19 möglicher Aufbau einer erfindungsgemäßen Wärmekraftkopplungs- anlage, schematisch dargestellt.Fig. 19 possible construction of a thermal power plant according to the invention, shown schematically.
Fig. 20 nachfolgend detailliert beschriebene und in den Figuren 1 bis 18 dargestellte Wärmekraftmaschine schematisch dargestelltFig. 20 schematically described below in detail and shown in Figures 1 to 18 heat engine
Fig. 21 Diagram, in dem der ungefähre Temperaturverlauf des Kühl- undFig. 21 Diagram, in which the approximate temperature profile of the cooling and
Heizmediums annähernd dargestellt istHeating medium is shown approximately
Begriffsbestimmung:definition:
In der nachfolgenden Beschreibung wird das Medium mit der tieferen Temperatur als "Kühlmedium" und das mit der höheren Temperatur als „Heizmedium" bezeichnet.In the following description, the lower temperature medium is referred to as the "cooling medium" and the higher temperature medium is referred to as the "heating medium".
Der Begriff „heizen" wird in der nachfolgenden Beschreibung sowohl für die Vorgänge „wärmen" als auch „heizen" eingesetzt. Beschreibung des Kreislaufes nach dem „Stirlinq"- VerqleichsprozessThe term "heat" is used in the following description for both the "warm" and "heat" operations. Description of the cycle after the "Stirlinq" comparison process
Der thermodynamische Prozess besteht aus 4 Zustandsänderungen, welche ähnlich dem Stirling-Vergleichsprozess ablaufen.The thermodynamic process consists of 4 state changes, which are similar to the Stirling comparison process.
Das in einem geschlossenen Raum mit großer Wärmeaustauschfläche (nachfolgend Wärmeüberträger 1 genannt) befindliche Arbeitsgas, wird periodisch durch ein den geschlossenen Raum umströmendes Medium (Flüssigkeit oder Gas) aufgeheizt oder gekühlt. Auch eine Erwärmung des Arbeitsgases durch Strahlungsenergie (z.B. Solarenergie) ist möglich. Die durch Erwärmung bzw. Kühlung hervorgerufenen Druckänderungen werden auf einen Arbeitskolben 3 übertragen, nachdem ein Ventil 5 zwischen geschlossenem Wärmeüberträger 1 und Hubraum des Arbeitszylinders 2 geöffnet wird.In a closed room with a large heat exchange surface (hereinafter called heat exchanger 1) located working gas is periodically heated or cooled by a medium flowing around the closed space (liquid or gas). Also, heating of the working gas by radiant energy (e.g., solar energy) is possible. The caused by heating or cooling pressure changes are transmitted to a working piston 3, after a valve 5 between the closed heat exchanger 1 and the displacement of the working cylinder 2 is opened.
Die vier Zustandsänderungen des Arbeitgases sind:The four state changes of the working gas are:
1. Wärmezufuhr bei konstantem Volumen (Isochore) - Ventil 5 ist geschlossen.1. Heat supply at constant volume (Isochore) - valve 5 is closed.
2. Expansion bei konstanter Temperatur (Isotherme) (mit Wärmezufuhr) - Ventil 5 ist geöffnet.2. Expansion at constant temperature (isotherm) (with heat input) - Valve 5 is open.
3. Wärmeentzug bei konstantem Volumen (Isochore) - Ventil 5 ist geschlossen.3. Heat extraction at constant volume (Isochore) - valve 5 is closed.
4. Kompression bei konstanter Temperatur (Isotherme) (mit Wärmeentzug) - Ventil 5 ist geöffnet.4. Compression at constant temperature (isotherm) (with heat removal) - Valve 5 is open.
Der Hauptunterschied zwischen dem Stirlingmotor und dieser Wärmekraftmaschine besteht darin, dass der dem Expansionshub des Kolbens 3 folgende Kompressionshub nicht aus ein- und demselben Wärmeüberträger 1 erfolgt. Es sind mindestens drei Wärmeüberträger 1 erforderlich, die abwechselnd und periodisch gewärmt oder gekühlt werden.The main difference between the Stirling engine and this heat engine is that the compression stroke following the expansion stroke of the piston 3 does not occur from one and the same heat exchanger 1. At least three heat exchangers 1 are required, which are alternately and periodically warmed or cooled.
In jedem einzelnen Wärmeüberträger 1 zusammen mit dem gemeinsamen Arbeitszylinder 2 und Kolben 3 findet, zeitlich versetz zu allen anderen Wärme- Überträgern 1 , ein eigener Kreisprozess statt. Die einzelnen Stirlingkreispro- zesse sind so aufeinander abgestimmt, dass im gemeinsamen Arbeitszylinder 2 nach einer isothermen Expansion aus einem Wärmeüberträger 1 , eine isotherme Kompression eines anderen Wärmeüberträgers 1 folgt. Nach dieser Kompression folgt wieder eine isothermische Expansion eines weiteren Wärmeüberträgers 1 usw.In each individual heat exchanger 1 together with the common working cylinder 2 and piston 3 takes place, offset in time to all other heat Transmitters 1, a separate cycle process instead. The individual Stirling cycle processes are coordinated with one another in such a way that, following isothermal expansion from a heat exchanger 1, isothermal compression of another heat exchanger 1 follows in the common working cylinder 2. After this compression is followed again by an isothermal expansion of another heat exchanger 1, etc.
Wie bei einem Stirlingmotor findet keine innere Verbrennung statt. Wärme und Kraft werden getrennt erzeugt. Diese Wärmekraftmaschine kann folglich auch mit einer eigenen, externen Wärmequelle betrieben werden und somit eine autarke Anlage darstellen. Als Primärenergie kann alles was Wärme erzeugt genutzt werden.As with a Stirling engine, there is no internal combustion. Heat and power are generated separately. Consequently, this heat engine can also be operated with its own, external heat source and thus represent a self-sufficient system. As primary energy, everything that generates heat can be used.
Da Kompression und Expansion hauptsächlich außerhalb des Hubraumes stattfinden, ist kein Schwungrad oder dergleichen erforderlich. Ein mit Reibungsverlusten behaftetes mechanisches Gestänge, welches den Wirkungsgrad der Maschine beeinträchtigt, ist nicht erforderlich. Entgegen herkömmlichen Wärmekraftmaschinen kann die Bewegung des Kolbens 3 direkt in e- lektrische Energie umgesetzt werden. Hierfür sind elektrische Wicklungen um einen Arbeitszylinder 2 aus Nichtmetall und ein magnetisierter Kolben 3 erforderlich.Since compression and expansion take place mainly outside the displacement, no flywheel or the like is required. A fraught with friction losses mechanical linkage, which affects the efficiency of the machine is not required. Contrary to conventional heat engines, the movement of the piston 3 can be converted directly into e- lectric energy. For this purpose, electrical windings are required around a working cylinder 2 made of non-metal and a magnetized piston 3.
Anlagenaufbau des GrundmodulsPlant structure of the basic module
Schematisch ist die Wärmekraftmaschine in Fig. 1 , 2 und 8 dargestellt.Schematically, the heat engine in Fig. 1, 2 and 8 is shown.
Im Wesentlichen besteht die dargestellte Wärmekraftmaschine aus: 1. Wärmeüberträgern 1A, 1B und 1C, die sternförmig in Form eines Rotors um einen Arbeitszylinder 2 angeordnet sind und sich mit diesem um sei- ne Längsachse drehen. Auf die Wärmeüberträger 1A, 1 B, 1C usw. wird insgesamt mit 1 Bezug genommen. Durch die Drehbewegung werden die Wärmeüberträger 1 jeweils zur Hälfte einer Umdrehung durch den Kühlmedium-Strom (Kühlstrecke) und zur Hälfte durch den Heizmedium- Strom (Heizstrecke) geführt, so dass sie abwechselnd mit Kühl- und Heizmedium umströmt werden.Essentially, the illustrated heat engine consists of: 1. Heat exchangers 1A, 1B and 1C, which are arranged in the shape of a star in the form of a rotor around a working cylinder 2 and rotate with it about its longitudinal axis. The heat exchangers 1A, 1B, 1C, etc. are referenced 1 in their entirety. As a result of the rotational movement, the heat exchangers 1 are each rotated by one half of the cooling medium flow (cooling section) and half by the heating medium. Current (heating section) out, so that they are alternately flows around with cooling and heating medium.
Wärmeüberträger 1 sind geschlossene Räume mit einer Verbindung zu dem Arbeitszylinder 2. Die Wärmeüberträger 1 befinden sich in einemHeat exchanger 1 are closed spaces with a connection to the working cylinder 2. The heat exchanger 1 are in one
Rohr, das die Wärmeüberträger 1 außen herum umgibt und so eine äußere Hülle13 (Fig. 10) bildet. Ebenso ist innen zwischen Wärmeüberträger 1 und Arbeitszylinder 2 ein Rohr vorgesehen, dass eine innere Hülle 14 bildet. Diese Hüllen 13 und 14 sind so lang wie die Wärmeüberträger 1. Sie bilden einen kreisringförmigen Kanal, in dem sich die Wärmeberträger 1 befinden. Zwischen den einzelnen Wärmeüberträgern 1 sind Trennstege 15 vorgesehen, die von der äußeren bis zur inneren Hülle reichen. Somit befindet sich jeder Wärmeüberträger 1 in einem Kanal, durch den das Heiz- und Kühlmedium hindurch geführt wird und somit den einzelnen Wärmeüberträger 1 umspült.Pipe surrounding the heat exchanger 1 on the outside and so forms an outer shell 13 (Fig. 10). Likewise, a tube is provided internally between the heat exchanger 1 and the working cylinder 2 that forms an inner shell 14. These shells 13 and 14 are as long as the heat exchanger 1. They form an annular channel in which the heat carrier 1 are located. Between the individual heat exchangers 1 dividers 15 are provided which extend from the outer to the inner shell. Thus, each heat exchanger 1 is located in a channel through which the heating and cooling medium is passed and thus flows around the individual heat exchanger 1.
Jeder Wärmeüberträger 1 ist, bis auf eine Öffnung innen, geschlossen. Die Öffnung ist mit einem Verbindungsrohr 4 und über ein Ventil 5 mit dem Arbeitszylinder 2 verbunden, durch welches das eingeschlossene Arbeitsgas aus- und einströmen kann.Each heat exchanger 1 is closed, except for an opening inside. The opening is connected to a connecting pipe 4 and via a valve 5 to the working cylinder 2, through which the trapped working gas can flow out and in.
Die Wärmeüberträger 1 sind aus einem Material mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit (z. B. Ag, Cu oder AI) hergestellt.The heat exchangers 1 are made of a material with very good thermal conductivity (eg Ag, Cu or Al).
2. In einem Arbeitszylinder 2 kann sich ein Kolben 3 frei hin und her bewe- gen. Für einen guten Wirkungsgrad ist auf der Innenseite eine Oberfläche mit niedriger Wärmekapazität und schlechter Wärmeleitfähigkeit sowie guter Gleiteigenschaft (z. B. Teflon) erforderlich. (Es soll möglichst wenig Wärme vom Arbeitsgas auf den Arbeitszylinder 2 oder umgekehrt übertragen werden). Um den Arbeitszylinder 2 ist eine elektrische Spule 8 zur Stromerzeugung gelegt. Der Arbeitszylinder 2 ist aus einem nicht metallischen Material (Glas, Keramik, Kunststoff oder Ähnlichem) hergestellt. An einer oder an beiden Seiten sind Öffnungen, an denen die Verbindungsrohre 4 mit dem Hubraum des Arbeitszylinders 2 verbunden sind.2. In a working cylinder 2, a piston 3 can move freely back and forth. For good efficiency on the inside of a surface with low heat capacity and poor thermal conductivity and good sliding property (eg Teflon) is required. (As little heat as possible should be transferred from the working gas to the working cylinder 2 or vice versa). To the working cylinder 2, an electric coil 8 is set to generate electricity. The working cylinder 2 is made of a non-metallic material (glass, ceramic, plastic or the like). On one or both sides are openings at which the connecting pipes 4 are connected to the displacement of the working cylinder 2.
3. Ein Kolben 3 frei laufend ohne Pleuel oder sonstige mechanische Ver- bindung. Er kann sich frei im Arbeitszylinder 2 hin und her bewegen.3. A piston 3 free running without connecting rod or other mechanical connection. He can move freely in the working cylinder 2 back and forth.
Ähnlich wie bei einem Benzinmotor ist der Kolben 3 gegenüber den Arbeitszylinderwänden 2 abgedichtet.Similar to a gasoline engine, the piston 3 is sealed against the working cylinder walls 2.
Um den Wirkungsgrad zu verbessern sind Flächen des Kolbens 3, die mit dem Arbeitsgas in Berührung kommen, mit einer Oberfläche niedriger Wärmekapazität und schlechter Wärmeleitfähigkeit zu versehen.In order to improve the efficiency surfaces of the piston 3, which come into contact with the working gas, to be provided with a surface of low heat capacity and poor thermal conductivity.
Es ist vorteilhaft die Masse des Kolbens 3 so gering wie möglich zu halten, um Beschleunigungsarbeit zu minimieren.It is advantageous to keep the mass of the piston 3 as low as possible in order to minimize acceleration work.
Um direkt aus der Kolbenbewegung elektrischen Strom erzeugen zu können, muss der Kolben 3 magnetisiert sein. Diese Magnetisierung ist unter Ziffer 7 beschrieben.In order to generate electrical current directly from the piston movement, the piston 3 must be magnetized. This magnetization is described under point 7.
4. Verbindungen insbesondere Verbindungsrohre 4A, 4B und 4C sind Verbindungen welche die einzelnen Wärmeüberträger 1A, 1 B und 1C und Arbeitszylinder 2 räumlich verbinden. Auf Verbindungen 4A, 4B, 4C usw. wird insgesamt mit 4 Bezug genommen. Diese Verbindungsrohre 4 werden, um unnötigen Todraum zu vermeiden, so kurz wie möglich gehalten. Soweit möglich haben die Verbindungsrohre 4 eine geringe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit. Dort, wo diese Verbindungsrohre 4 nicht von Kühl-/Heizmedium umströmt werden, sind sie gegen Wärmeaustausch mit der Umwelt isoliert. In diesen Verbindungsrohren 4 sind Steuerventile 5 eingebaut, soweit sie nicht im Arbeitzylinder 2 integriert sind.4. Connections in particular connecting pipes 4A, 4B and 4C are connections which spatially connect the individual heat exchangers 1A, 1B and 1C and working cylinder 2. 4A, 4B, 4C, etc. are referenced 4 in their entirety. These connecting pipes 4 are kept as short as possible in order to avoid unnecessary dead space. As far as possible, the connecting pipes 4 have a low heat capacity and thermal conductivity. Where these connecting pipes 4 are not flowed around by cooling / heating medium, they are isolated from heat exchange with the environment. In these connecting tubes 4 control valves 5 are installed, as far as they are not integrated in the working cylinder 2.
5. Steuerventile 5, bestehend aus einzelnen Ventilen 5, die sich jeweils im Verbindungsrohr 4 zwischen Wärmeüberträger 1 und Arbeitszylinder 2 befinden und den eigentlichen Prozess steuern. Der Einsatz dieser Ven- tile 5, nicht aber ihre Ausführung, ist ein wesentliches Merkmal dieser Wärmekraftmaschine.5. control valves 5, consisting of individual valves 5, which are located in the connecting pipe 4 between the heat exchanger 1 and cylinder 2 and control the actual process. The use of these Ven- tile 5, but not their design, is an essential feature of this heat engine.
Für jeden Wärmeüberträger 1A,1 B und 1C ist ein Ventil 5A, 5B und 5C vorgesehen. Auf Ventile 5A, 5B, 5C usw. wird insgesamt mit 5 Bezug genommen. Die Ventile 5 werden abwechselnd geöffnet und geschlossen, um den in den einzelnen Wärmeüberträgern 1 eingeschlossenen Raum mit dem Arbeitszylinder 2 zu verbinden oder zu trennen. Der Raum in jedem Wärmeüberträger 1 ist bei geöffnetem Ventil 5 direkt mit dem Arbeitszylinder 2 verbunden. Die Ventile 5 sind dichtschließend und sind für die maximale Druckdifferenz zwischen Wärmeüberträger 1 und Arbeitszylinder 2 ausgelegt.For each heat exchanger 1A, 1B and 1C, a valve 5A, 5B and 5C is provided. Valves 5A, 5B, 5C, etc. are referenced 5 in their entirety. The valves 5 are alternately opened and closed in order to connect or separate the space enclosed in the individual heat exchangers 1 with the working cylinder 2. The space in each heat exchanger 1 is connected directly to the working cylinder 2 when the valve 5 is open. The valves 5 are sealed and are designed for the maximum pressure difference between the heat exchanger 1 and cylinder 2.
6. Eine Ventilsteuerung 6 wird zum Öffnen und Schließen der Ventile 5, im richtigen Moment, vorgesehen. Die Ventilsteuerung 6 kann mechanisch (z.B. mit einer Nockenwelle/ -Scheibe) oder elektrisch/elektronisch erfolgen.6. A valve control 6 is provided for opening and closing the valves 5, at the right moment. The valve controller 6 may be mechanical (e.g., with a camshaft) or electrically / electronically.
Die Ventile 5 werden im gleichen Rhythmus, wie das Erwärmen und Kühlen der Wärmeüberträger 1 erfolgt, geöffnet und geschlossen. Am Ende eines Heiz- oder Kühlvorganges an einem Wärmeüberträger 1 öffnet das dem Wärmeüberträger 1 zugeordnete Ventil 5 und löst damit die Expansion bzw. Kompression aus. Das Ventil 5 schließt nach erfolgter Expansion bzw. Kompression, aber bevor der Wärmeüberträger 1 vom Heizauf das Kühlmedium, oder umgekehrt, wechselt.The valves 5 are opened and closed in the same rhythm as the heating and cooling of the heat exchanger 1 takes place. At the end of a heating or cooling process on a heat exchanger 1 opens the heat exchanger 1 associated valve 5 and thus triggers the expansion or compression. The valve 5 closes after expansion or compression, but before the heat exchanger 1 from Heizauf the cooling medium, or vice versa, changes.
7. Eine Magnetisierung des Arbeitskolbens 3 mit Permanentmagneten 7 oder mit erregter Spule. Der Erregerstrom wird mittels Schleifkontakten vom Zylinder 2 an den Kolben 3 übertragen.7. A magnetization of the working piston 3 with permanent magnets 7 or excited coil. The field current is transmitted by means of sliding contacts from the cylinder 2 to the piston 3.
8. Eine elektrische Spule 8, welche um den Arbeitszylinder 2 gelegt ist, in der, durch die Bewegung des magnetisierten Kolbens 3, Strom erzeugt wird. 9. Ein Druckausgleichsbehälter 9, welcher nur bei solchen Arbeitzylindern 2 angewendet wird, an denen nur auf einer Seite Wärmeüberträger 1 angeschlossen sind. Ein druckbeständiger Behälter in dem sich Arbeitsgas befindet und der dem Druckausgleich dient, wenn der Ruhedruck in den Wärmeüberträgern 1 vom atmosphärischen Druck abweicht.8. An electric coil 8, which is placed around the working cylinder 2, in which, by the movement of the magnetized piston 3, power is generated. 9. A pressure equalization tank 9, which is used only in such work cylinders 2, where only one side heat exchanger 1 are connected. A pressure-resistant container in which working gas is located and which serves to equalize the pressure when the static pressure in the heat exchangers 1 deviates from the atmospheric pressure.
10. Ein Umluftgebläse 10 oder eine Umwälzpumpe 10, welche zum Umwälzen des Mediums von den aufgeheizten Wärmeüberträgern 1 , unmittelbar nach dem Expansionsvorgang (nach Schließen des Ventils 5) zu den gekühlten Wärmeüberträgern 1 am Ende des Kompressionsvorganges10. A circulating air blower 10 or a circulating pump 10, which for circulating the medium of the heated heat exchangers 1, immediately after the expansion process (after closing the valve 5) to the cooled heat exchangers 1 at the end of the compression process
(nach Schließen des Ventils 5) eingesetzt wird. Mit dieser Umwälzung wird ein Teil der Wärme, die in den Wärmeüberträgerhüllen gespeichert ist, ausgetauscht, um die gekühlten Wärmeüberträger 1 aufzuheizen und die beheizten abzukühlen. Durch diesen Regenerationsprozess steht mehr Wärme aus dem Heizmedium zur Aufheizung des Arbeitsgases zur(after closing the valve 5) is used. With this circulation, a part of the heat stored in the heat exchanger shells is exchanged to heat the cooled heat exchangers 1 and to cool the heated ones. By this regeneration process is more heat from the heating medium for heating the working gas to
Verfügung.Available.
11. Umlenkleitungen 11 , um das Heiz-/Kühlmedium von den aufgeheizten Wärmüberträgem 1 zu den gekühlten Wärmeüberträgern 1 und von dort zum Gebläse/Pumpe 10 und zurück zu den geheizten Wärmeüberträgern11. Umlenkleitungen 11 to the heating / cooling medium of the heated heat transfer 1 to the cooled heat exchanger 1 and from there to the blower / pump 10 and back to the heated heat transferors
1 zu lenken, (vergleiche Fig. 11 )1, (see Fig. 11)
12. Eine isolierte Trennung, welche sich zwischen dem warmen und dem kalten Bereich befindet (vergleiche Fig. 12), und welche rohrartig ausge- bildet ist, um das Heizmedium vom Kühlmedium innerhalb des Rotors zu trennen.12. An isolated separation, which is located between the hot and the cold area (see Fig. 12), and which is formed like a tube to separate the heating medium from the cooling medium within the rotor.
13. Eine äußere Hülle 13 um die Wärmeüberträger 1 , als Bestandteil der Kanäle mit denen das Heiz-/Kühlmedium um die Wärmeüberträger 1 ge- lenkt wird, die Wärmeüberträger 1 umhüllt. Zusammen mit der Innenhül-13. An outer shell 13 around the heat exchanger 1, as part of the channels with which the heating / cooling medium is deflected to the heat exchanger 1, the heat exchanger 1 wrapped. Together with the inner sleeve
Ie14 und dem Trennstege 15 bildet die äußere Hülle 13 einen Kanal um jeden einzelnen Wärmeüberträger 1. 14. Eine innere Hülle 14 um eine rohrförmige Abgrenzung des Medienkanals zum Arbeitszylinder 2 herzustellen. Die Innenhülle bildet zusammen mit der Außenhülle13 und dem Trennsteg 15 einen Kanal um jeden einzelnen Wärmeüberträger 1.Ie14 and the separator 15, the outer shell 13 forms a channel around each heat exchanger. 1 14. An inner shell 14 to produce a tubular boundary of the media channel to the working cylinder 2. The inner shell, together with the outer shell 13 and the separating web 15, forms a channel around each individual heat exchanger 1.
15 Die Trennstege 15 sind Abgrenzungen zwischen den einzelnen Wärmeüberträgern 1. Zusammen mit der Innenhülle 14 und Außenhülle 13 lenken sie das Heiz-/Kühlmedium während der Rotation um die jeweiligen Wärmeüberträger 1.The separating webs 15 are delimitations between the individual heat exchangers 1. Together with the inner shell 14 and outer shell 13, they guide the heating / cooling medium during the rotation around the respective heat transfer medium 1.
Beschreibung des Prozessesablaufes am Grundmodul:Description of the process flow at the basic module:
Der Prozessablauf wird anhand eines Modells, mit warmer Luft als Energie- quelle, dargestellt. Dieses Modell ist schematisch in Fig. 8 dargestellt. Der Prozessablauf ist schematisch in Fig. 9A, 9B und 9C dargestellt.The process flow is shown using a model with warm air as the energy source. This model is shown schematically in FIG. 8. The process flow is shown schematically in FIGS. 9A, 9B and 9C.
Das Modell besteht aus 3 Wärmeüberträgern 1 , die sternförmig um den Arbeitszylinder 2 angeordnet sind. Der Winkel zwischen den benachbarten Wärmeübertragern 1 beträgt jeweils 120°. Die Wärmeüberträger 1 sind starr mit dem Arbeitszylinder 2 verbunden und rotieren mit diesem, sowie mit der äußeren Hülle 13 und inneren Hülle 14, um dessen Längsachse. Die Wärmeüberträger 1 bewegen sich abwechselnd in einem mit Heiz- oder Kühlmedium durchströmten Bereich, in Fig. 8 als Heiz- und Kühlstrecke be- zeichnet. Kühl- und Heizmedium führende Leitungen sind am Ein- und Austritt der Wärmeüberträger 1 angeschlossen. Jede der beiden Medienarten belegt die Hälfte des kreisringförmigen Kanals, in dem sich die Wärmeüberträger 1 befinden.The model consists of 3 heat exchangers 1, which are arranged in a star shape around the working cylinder 2. The angle between the adjacent heat exchangers 1 is 120 ° in each case. The heat exchanger 1 are rigidly connected to the working cylinder 2 and rotate with this, as well as with the outer shell 13 and inner shell 14, about its longitudinal axis. The heat exchangers 1 move alternately in a region through which heating or cooling medium flows, designated in FIG. 8 as a heating and cooling section. Cooling and heating medium leading lines are connected to the inlet and outlet of the heat exchanger 1. Each of the two types of media occupies half of the annular channel in which the heat exchanger 1 are located.
Die Ventilsteuerung 6 ist in diesem Modell als Nockenscheibe dargestellt und ist so angeordnet, dass die Stößel der Ventile 5 bei der Rotation den Konturen der Nockenscheibe 6 folgen. Die Nockenscheibe selbst ist feststehend. Die Nockenscheibe hat zwei gegenüberliegende Nocken. Sie sind so angeordnet, dass die Ventile 5 dann geöffnet werden, wenn der dazu gehörende Wärmeüberträger 1 ca. 2/3 der jeweiligen Kühl- oder Wärmestrecke zurückgelegt hat. Das Ventil 5 schließt kurz bevor der Wärmeüberträger 1 vom Kühlmedium in das Heizmedium (oder anders herum) übertritt. Der Prozessablauf in den einzelnen Wärmeüberträgern 1 verläuft wie in Fig. 9A bis 9C schematisch dargestellt.The valve control 6 is shown in this model as a cam and is arranged so that the plungers of the valves 5 follow the contours of the cam 6 during rotation. The cam itself is fixed. The cam has two opposed cams. They are arranged that the valves 5 are opened when the associated heat exchanger 1 has covered about 2/3 of the respective cooling or heating distance. The valve 5 closes shortly before the heat exchanger 1 from the cooling medium in the heating medium (or vice versa) passes. The process sequence in the individual heat exchangers 1 runs as shown schematically in FIGS. 9A to 9C.
In diesem Modell wird davon ausgegangen, dass die Rotation der Wärmeüberträger 1 und Arbeitszylinder 2 durch einen externen Antrieb erfolgt.In this model it is assumed that the rotation of the heat exchanger 1 and cylinder 2 is performed by an external drive.
Takt 1 :Clock 1:
Der Wärmeüberträger 1A ist bereits mit Warmluft durchströmt und das eingeschlossene Arbeitsgas ist bereits erwärmt. Durch die Erwärmung und das begrenzte Volumen hat sich der Druck im Wärmeüberträger 1A bei gleichem Volumen (Isochore) erhöht. Durch die Rotation über den Nockenteller 6, öffnet sich das Ventil 5A und das unter Druck stehende Arbeitsgas expandiert in den Arbeitszylinder 2 und verrichtet mit dem Kolben 3 Arbeit. Während der Expansion wird der Wärmeüberträger 1A immer noch mit Warmluft umströmt. Es findet somit eine isotherme Expansion statt.The heat exchanger 1A is already flowed through with hot air and the trapped working gas is already heated. Due to the heating and the limited volume, the pressure in the heat exchanger 1A has increased at the same volume (Isochore). By rotating over the cam plate 6, the valve 5A opens and the pressurized working gas expands into the working cylinder 2 and performs work with the piston 3. During the expansion of the heat exchanger 1A is still flowing around with hot air. There is thus an isothermal expansion.
Takt 2:Bar 2:
Während der Kolben 3 sich vom Ventil 5A weg bewegt, rotieren Arbeitszylinder 2 und Wärmeüberträger 1 weiter und Ventil 5A schließt. Gleichzeitig öffnet sich ein anderes Ventil 5B, welches den Luftraum im Arbeitszylinder 2 mit dem des Wärmeüberträgers 1B verbindet. Dieser wurde zuvor mit Kühlmedi- um umströmt. Im betroffenen Wärmeüberträger 1 B wurde das eingeschlossene Gas, bei konstantem Volumen, abgekühlt und es entstand dadurch ein Unterdruck. Beim Öffnen des Ventils 5B komprimiert sich die Luft aus dem Arbeitszylinder 2, in den Wärmeüberträger 1B und der Kolben 3 bewegt sich durch die Druckdifferenz zurück zum Ventil 5. Da während dieses Kompressi- onsvorganges der Wärmeüberträger 1B noch ständig mit Kühlmedium durchströmt und dem Arbeitsgas bei der Komprimierung Wärme entzogen wird , handelt es sich um eine isotherme Kompression. Wärmeübertrager 1A wird zu diesem Zeitpunkt schon teilweise mit kalter Luft durchströmt.As the piston 3 moves away from the valve 5A, the power cylinder 2 and heat exchanger 1 continue to rotate and valve 5A closes. At the same time, another valve 5B opens, which connects the air space in the working cylinder 2 with that of the heat exchanger 1B. This was previously circulated with cooling medium. In the affected heat exchanger 1 B, the trapped gas was cooled, at a constant volume, and there was thus a negative pressure. When the valve 5B is opened, the air from the working cylinder 2 compresses into the heat exchanger 1B and the piston 3 moves back to the valve 5 due to the pressure difference. During this compression process, the heat exchanger 1B still constantly flows through cooling medium and into the working gas heat is extracted from the compression, it is an isothermal compression. Heat exchanger 1A is already partially traversed by cold air at this time.
Takt 3: Durch die Rotation wurde der dritte Wärmeüberträger 1C, in der Zeit während sich der Kolben 3 hin und zurück bewegte, mit Heizmedium durchströmt. Bei gleich bleibendem Volumen erhöhte sich der Druck des Arbeitsmediums im Wärmeüberträger 1C. Mit Öffnung des Ventils 5C, expandiert das Arbeitsgas isothermisch aus Wärmeüberträger 1 C in den Arbeitszylinder 2 und schiebt den Kolben 3 wieder vom Ventil 5 weg.Cycle 3: The rotation of the third heat exchanger 1 C, in the time during which the piston 3 moved back and forth, flowed through with heating medium. With a constant volume, the pressure of the working medium in the heat exchanger 1C increased. With opening of the valve 5C, the working gas expands isothermally from heat exchanger 1 C in the working cylinder 2 and pushes the piston 3 away from the valve 5 again.
Takt 4:Clock 4:
Während sich der Kolben 3 weg bewegt, wurde durch die Rotation der Wärmeüberträger 1A dieses mal mit Kühlmedium durchströmt. Da das Ventil 5A geschlossen ist, wurde dem Arbeitsgas im geschlossenen Raum Wärme entzogen (Isochore). Hierdurch entstand ein Unterdruck des Arbeitsgases im Wärmeüberträger 1A. Nach weiterer Rotation öffnet sich das Ventil 5A und der Kolben 3 wird durch den Unterdruck wieder zurückgeholt.While the piston 3 moves away, was through the rotation of the heat exchanger 1A this time traversed with cooling medium. Since the valve 5A is closed, heat was extracted from the working gas in the closed space (isochore). This created a negative pressure of the working gas in the heat exchanger 1A. After further rotation, the valve 5A opens and the piston 3 is brought back by the negative pressure.
Takt 5:Clock 5:
Die, durch das Heizmedium dem Arbeitsgas im Wärmeüberträger 1 B, zugeführte Wärme hat bei konstantem Volumen im Wärmeüberträger 1B einen Ü- berdruck erzeugt, der sich beim Öffnen des Ventils 5B in den Arbeitszylinder 2 entspannen kann. Durch diese (isothermische) Expansion wird der Kolben 3 wieder weggedrückt.The, by the heating medium to the working gas in the heat exchanger 1 B, heat supplied at constant volume in the heat exchanger 1B has an overpressure generated, which can relax when opening the valve 5 B in the working cylinder 2. By this (isothermal) expansion of the piston 3 is pushed away again.
Takt 6:Bar 6:
Die, durch den dieses mal kalten Luftstrom dem Arbeitsgas im Wärmeüberträger 1C, abgeführte Wärme hat bei konstantem Volumen im Wärmeüberträger 1C einen Unterdruck erzeugt. Beim Öffnen des Ventils 5C wird sich das Arbeitsgas aus dem Arbeitszylinder 2 in den Wärmeüberträger 1C komprimieren. Durch diese (isothermische) Kompression wird der Kolben 3 wieder zurückgeholt. Nach Abschluss von Takt 6 wiederholt sich der Vorgang ab Takt 1. Für jede vollständige Umdrehung des Rotors muss jeder Wärmeüberträger 1 zweimal über die Ventile 5 mit dem Arbeitszylinder 2 verbunden sein, d.h. einmal für die Expansion und einmal für die Kompression.The, by this time cold air flow to the working gas in the heat exchanger 1C, dissipated heat has generated a negative pressure at constant volume in the heat exchanger 1C. When opening the valve 5C, the working gas from the working cylinder 2 will compress into the heat exchanger 1C. By this (isothermal) compression of the piston 3 is brought back again. After completion of cycle 6, the process is repeated from clock 1. For each complete revolution of the rotor, each heat exchanger 1 must be connected twice via the valves 5 to the working cylinder 2, ie once for the expansion and once for the compression.
Durch den externen Antrieb des Rotors ist eine Drehzahlregelung möglich, um die Leistung der einzelnen Kreisprozesse zu optimieren, z. B. bei verändertenDue to the external drive of the rotor, a speed control is possible to optimize the performance of the individual cycle processes, for. B. changed
Parametern des Heiz- oder Kühlmediums.Parameters of the heating or cooling medium.
Erste Variante des GrundmodulsFirst variant of the basic module
(Siehe Fig.3)(See Fig.3)
Wärmekraftmaschine, wie für das Grundmodul beschrieben, bei welcher derHeat engine, as described for the basic module, wherein the
Arbeitszylinder 2 aus einem nicht metallischen Material (Glas, Keramik, Kunststoff oder Ähnlichem) hergestellt ist. Um den Arbeitszylinder 2 ist eineWorking cylinder 2 is made of a non-metallic material (glass, ceramic, plastic or the like). To the working cylinder 2 is a
Spule 8 mit Drahtwicklungen zur Stromerzeugung gelegt.Coil 8 is laid with wire windings for power generation.
Der frei bewegliche Kolben 3 ist magnetisiert durch Permanentmagnete 7, o- der mittels Erregerstrom. Durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens 3 wird in der Spule 8 um den Arbeitszylinder 2 Strom erzeugt.The freely movable piston 3 is magnetized by permanent magnets 7, o- means of excitation current. By the reciprocation of the piston 3 2 power is generated in the coil 8 to the working cylinder.
Zweite Variante des GrundmodulsSecond variant of the basic module
(Siehe Fig. 4)(See Fig. 4)
Ist der Arbeitszylinder 2 zur Atmosphäre hin offen, kann eine einseitige Belas- tung des Kolbens 3 durch das Arbeitsgas entstehen, sobald der Ruhedruck des Arbeitsgases vom atmosphärischen Druck abweicht. Dieses schränkt die Wahl des Arbeitsgases erheblich ein. Sollte es erforderlich sein mit Drücken arbeiten zu müssen, die vom atmosphärischen Druck abweichen, wird an der offenen Seite des Kolbens 3 ein Druckausgleichsbehälter 9 angeschlossen, der den erforderlichen Gegendruck aufbringt.If the working cylinder 2 is open to the atmosphere, one-sided loading of the piston 3 by the working gas can occur as soon as the static pressure of the working gas deviates from the atmospheric pressure. This considerably restricts the choice of the working gas. Should it be necessary to work with pressures that deviate from the atmospheric pressure, a surge tank 9 is connected to the open side of the piston 3, which applies the required back pressure.
Dritte Variante des Grundmoduls (Siehe Fig. 5 und Fig. 13) Es bietet sich an, anstelle des vorher beschriebenen Druckausgleichbehälters 9, auf beiden Seiten des Arbeitzylinders 2 Wärmeüberträger 1 , Verbindungsrohre 4 und Ventile 5 symmetrisch aufzubauen. Hierbei ist die Abfolge der Ventile 5 auf den beiden Seiten des Arbeitskolbens 3 so auf einander abge- stimmt, dass gleichzeitig auf einer Seite des Kolbens 3 eine Expansion, auf der anderen Seite eine Kompression stattfindet.Third Variant of the Basic Module (See FIGS. 5 and 13) It makes sense, instead of the previously described pressure equalization tank 9, 2 heat exchanger 1, connecting pipes 4 and valves 5 symmetrically build on both sides of the working cylinder. In this case, the sequence of valves 5 on the two sides of the working piston 3 is matched to one another such that an expansion takes place simultaneously on one side of the piston 3 and a compression on the other side.
In der Fig. 13 ist der Prozessablauf für ein solches Doppelaggregat dargestellt, allerdings mit 5 Wärmeüberträgern auf jeder Seite des Arbeitszylinders 2.FIG. 13 shows the process sequence for such a double unit, but with 5 heat exchangers on each side of the working cylinder 2.
Vierte Variante des Grundmoduls (Siehe Fig. 6, und Fig. 13)Fourth Variant of the Basic Module (See Fig. 6, and Fig. 13)
Diese Variante entspricht im wesentlichen der Dritten Variante mit dem Unterschied, dass die Wärmeüberträger 1 , welche an der Rückseite des Arbeitszy- linders 2 angeschlossen sind, sich direkt hinter denen befinden, die an der Vorderseite angeschlossen sind, so dass das Heiz-/Kühlmedium nach dem Passieren der Wärmeüberträger 1 der vorderen Seite, diejenigen auf der Rückseite ebenfalls passiert. Dabei wird das Heiz- und Kühlmedium immer gleichzeitig durch die direkt hintereinander liegenden Wärmeüberträger 1 ge- führt. (Fig. 13)This variant corresponds essentially to the third variant with the difference that the heat exchanger 1, which are connected to the back of Arbeitszy- Linders 2, are located directly behind those that are connected to the front, so that the heating / cooling medium after passing the heat exchanger 1 of the front side, those on the back also happened. In this case, the heating and cooling medium is always guided simultaneously through the directly successive heat exchanger 1. (Fig. 13)
Fünfte Variante des GrundmodulsFifth variant of the basic module
(Siehe Fig. 10 und 14)(See Figs. 10 and 14)
Bezüglich der Arbeitszylinder 2 und Kolben 3, einschließlich der Anschlüsse der Wärmeüberträger 1 , entspricht diese Variante denen der dritten und vierten. Bei dieser Variante sind alle Wärmeüberträger 1 sternförmig um den Arbeitszylinder 2 angeordnet. Auf jeder Seite des Arbeitszylinders 2 ist eine Ventilsteuerung 6 erforderlich. Die Wärmeüberträger 1 sind abwechselnd mal auf der vorderen, mal auf der hinteren Seite des Arbeitszylinders 2 ange- schlössen. Wenn die Hälfte der Summe aller Wärmeüberträger 1 einer ungeraden Zahl entspricht, werden bei jedem Drehwinkel des Rotors immer ein Wärmeüberträger 1 mit der einen Seite des Arbeitszylinders 2 und ein anderer Wärmeüberträger 1 mit der gegenüberliegenden Seite mit dem Arbeitszylinder 2 verbunden sein. Wie aus Fig. 14 hervorgeht, werden die Ventile 5 auch immer Wärmeüberträger 1 mit unterschiedlichen Zuständen des Arbeitgases mit dem Arbeitszylinder 2 verbinden. Der Prozessablauf erfolgt wie in Fig. 14 dargestellt.With respect to the working cylinder 2 and piston 3, including the connections of the heat exchanger 1, this variant corresponds to those of the third and fourth. In this variant, all heat exchangers 1 are arranged in a star shape around the working cylinder 2. On each side of the working cylinder 2, a valve control 6 is required. The heat exchangers 1 are connected alternately times on the front, sometimes on the rear side of the working cylinder 2. If half of the sum of all heat exchangers 1 corresponds to an odd number, at each angle of rotation of the rotor always a heat exchanger 1 with the one side of the working cylinder 2 and another heat exchanger 1 with the opposite side to the working cylinder 2 connected. As is apparent from Fig. 14, the valves 5 will always connect heat exchanger 1 with different states of the working gas with the working cylinder 2. The process flow is as shown in FIG. 14.
Sechste Variante des Grundmoduls (siehe Fig. 11)Sixth Variant of the Basic Module (See Fig. 11)
Den Wärmeüberträger 1 selbst, die eigentliche Umhüllung des Arbeitsgases, abwechselnd aufzuheizen und abzukühlen, erfordert einen erheblich höheren Energieaufwand, als den, der erforderlich ist, das Arbeitsgas aufzuheizen o- der abzukühlen. Deshalb geht sehr viel der Energie verloren, die eigentlich zurück gewonnen werden sollte. Um diesen Verlust zu reduzieren wird bei einem Modul, wie in der fünften Variante beschrieben, ein Regenerator vorgesehen. Der Regenerator ist ein Umwälzungssystem welches, durch Umwälzen des Kühl-/Heizmediums, die Wärme der aufgeheizten Wärmeüberträger 1 nutzt, um die gekühlten Wärmeüberträger 1 aufzuwärmen und gleichzeitig mit der, durch die gekühlten Wärmeübertragern 1 abgekühlte, Luft selbst gekühlt zu werden.The heat exchanger 1 itself, the actual envelope of the working gas, alternately heat up and cool down, requires a considerably higher energy expenditure than that which is required to heat the working gas or to cool it. So much of the energy that should be recovered is lost. In order to reduce this loss, a regenerator is provided in a module as described in the fifth variant. The regenerator is a circulation system which, by circulating the cooling / heating medium, uses the heat of the heated heat exchanger 1 to heat the cooled heat exchanger 1 and simultaneously cooled with the cooled by the cooled heat exchangers 1, air itself.
Der Regenerator besteht aus einem Ventilator bei gasförmigen Heiz- /Kühlmedien, oder aus einer Pumpe 10 bei flüssigen Medien und Umlenkka- nälen bzw. Rohren 11 , die das Medium von einem Segment des Rotors direkt nach der Heizstrecke, zu einem anderen Segment des Rotors direkt nach der Kühlstrecke und wieder zurück führen.The regenerator consists of a fan for gaseous heating / cooling media, or a pump 10 for liquid media and Umlenkka- channels or tubes 11, the medium from one segment of the rotor directly after the heating line, directly to another segment of the rotor after the cooling section and back again.
Siebte Variante des Grundmoduls mit Strahlungsenergie als Primärenergie (Siehe Fig. 15)Seventh Variant of the Basic Module with Radiation Energy as Primary Energy (See FIG. 15)
Das Prinzip des Grundmoduls wird beibehalten. Anstelle der Kanäle für Heiz- und Kühlmedien sind die Wärmeüberträger 1 als Strahlungsabsorber ausgebildet. Arbeitszylinder 2, Kolben 3 und Ventile 5 behalten ihre Funktion, wie für das Grundmodul beschrieben. Die Wärmeüberträger 1 (als Absorber) werden so ausgerichtet, dass die zur Verfügung stehende Strahlungswärme optimal absorbiert werden kann. Sie haben eine flache Form und sind mit einer absorbierenden Oberfläche beschichtet. Da die aufgenommene Wärme wieder an die Umgebung abgegeben werden muss, bietet sich eine Konstruktion an, die eine optimierte Konvektion zulässt.The principle of the basic module is retained. Instead of the channels for heating and cooling media, the heat exchanger 1 are formed as a radiation absorber. Working cylinder 2, piston 3 and valves 5 retain their function, as described for the basic module. The heat exchanger 1 (as absorber) are aligned so that the available radiant heat can be optimally absorbed. They have a flat shape and are coated with an absorbent surface. As the heat absorbed back to the environment must be a construction that allows for optimized convection.
Ähnlich wie beim Grundmodul wird nur die halbe Absorberfläche der Wärmeüberträger 1 einer Strahlung ausgesetzt. Die andere Hälfte wird beschattet. Die Hälfte der Wärmeüberträger 1 , welche der Strahlung ausgesetzt ist, soll möglichst viel der Wärme aufnehmen und deshalb vor Verlust durch Konvektion geschützt werdenSimilar to the basic module only half the absorber surface of the heat exchanger 1 is exposed to radiation. The other half is shadowed. Half of the heat exchanger 1, which is exposed to the radiation should absorb as much of the heat and therefore be protected against loss by convection
Die Wärmeüberträger 1 mit Arbeitszylinder 2, Verbindungsrohren 4 und Ventilen 5 rotieren um die Längsachse des Arbeitszylinders 2 wie im Grundmodul beschrieben. Dadurch werden die Wärmeüberträger 1 abwechselnd durch die Strahlung aufgeheizt und, durch Abgabe der Wärme an die Umgebung, wieder abgekühlt.The heat exchanger 1 with working cylinder 2, connecting pipes 4 and valves 5 rotate about the longitudinal axis of the working cylinder 2 as described in the basic module. As a result, the heat exchanger 1 are alternately heated by the radiation and, by releasing the heat to the environment, cooled again.
Die Ventile 5, wie im Grundmodul beschrieben, werden so betrieben, dass abwechselnd ein gekühlter und erwärmter Wärmeüberträger 1 mit dem Ar- beitszylinder 2 verbunden werden, um durch Expansion oder Kompression Arbeit zu verrichten.The valves 5, as described in the basic module, are operated so that alternately a cooled and heated heat exchanger 1 are connected to the working cylinder 2 in order to perform work by expansion or compression.
Achte Variante des Grundmoduls mit Strahlungsenerqie als Primärenergie (Siehe Fig. 14 und 15) Wärmekraftmaschine wie in Variante Sieben beschrieben nur, dass jeweils die Hälfte der Wärmeüberträger 1 auf der einen, die andere Hälfte auf der anderen Seiten des Arbeitzylinders 2 angeschlossen sind. Die Wärmeüberträger 1 befinden sich alle auf der gleichen Seite des Arbeitszylinders 2 und sind sternförmig in Form einer Scheibe angeordnet. Der Prozessablauf entspricht dem, der in der Variante Fünf beschrieben und in Fig. 14 dargestellt ist.Eighth variant of the basic module with Strahlungsenerqie as primary energy (See Fig. 14 and 15) heat engine as described in variant Seven only that each half of the heat exchanger 1 are connected to one, the other half on the other sides of the working cylinder 2. The heat exchanger 1 are all located on the same side of the working cylinder 2 and are arranged in a star shape in the form of a disc. The process flow corresponds to that described in variant five and illustrated in FIG. 14.
Neunte Variante des Grundmoduls Der Clausius-Rankine-KreisprozessNinth variant of the basic module The Clausius-Rankine cycle
Wegen der im Vergleich zum Arbeitsstoff erheblich größeren Energiemenge, die erforderlich ist die Arbeitsstoffumhüllung aufzuheizen oder abzukühlen, wird Verdampfungswärme, die ein Vielfaches der Wärmekapazität des Ar- beitsstoffes darstellt, genutzt. Den Arbeitsstoff an der Wärmetauscherwand zu kondensieren bzw. zu verdampfen, erfordert einen erheblich größeren Ener- giefluss, als den Arbeitsstoff zu heizen bzw. zu kühlen. Es besteht die Möglichkeit das Kondensat, welches ein wesentlich kleineres spezifisches Volumen hat als das gasförmige Aggregat, von der kalten Zone in die warme zu fördern. ( Wie beim Clausius-Rankine-Prozess, bei dem das Kondensat in die Hochdruckzone gepumpt wird.)Due to the considerably larger amount of energy compared to the working substance, which is required to heat up or cool down the working substance envelope, heat of evaporation, which is a multiple of the heat capacity of the working medium, is generated. used. Condensing or vaporizing the working substance on the heat exchanger wall requires a considerably greater flow of energy than heating or cooling the working substance. It is possible, the condensate, which has a much smaller specific volume than the gaseous aggregate to promote from the cold zone to the warm. (Like the Rankine process, where the condensate is pumped into the high-pressure zone.)
Im Hochdruckbereich wird die Volumenvergrößerung durch die Verdampfung genutzt um Arbeit zu verrichten. Um den Clausius-Rankine-Prozess in den bereits beschriebenen Stirling- Kreislauf zu integrieren, müssen einige Änderungen an den Wärmeüberträgern 1 vorgenommen werden.In the high pressure area, the volume increase is used by the evaporation to do work. In order to integrate the Clausius-Rankine process into the already described Stirling cycle, some changes have to be made to the heat exchangers 1.
Jeder einzelne Wärmeüberträger 1 wird in zwei Hälften geteilt (siehe Fig. 12). Die beiden Hälften werden in der Mitte mit einer zwischengelegten Isolier- schicht verbunden. Die Isolierschicht bildet eine thermische Entkoppelung der beiden Hälften, damit die Wärme nicht über die Metall-Wand des Wärmeüberträgers von der einen Hälfte, zur anderen übertragen wird. Die Wärmeüberträger 1 werden, wie in der Sechsten Variante beschrieben, sternförmig um den Arbeitszylinder 2 angeordnet und abwechselnd an der Vorder- und Rückseite des Arbeitszylinders 2 angeschlossen.Each individual heat exchanger 1 is divided into two halves (see Fig. 12). The two halves are connected in the middle with an intermediate insulating layer. The insulating layer forms a thermal decoupling of the two halves, so that the heat is not transferred via the metal wall of the heat exchanger from one half to the other. The heat exchanger 1, as described in the sixth variant, arranged in a star shape around the working cylinder 2 and alternately connected to the front and back of the working cylinder 2.
Auch in dieser Variante rotieren die Wärmeüberträger 1 zusammen mit dem Arbeitszylinder 2 um die Längsachse und bilden somit einen s.g. Rotor. Genau wie in der sechsten Variante beschrieben, wird auf jeder Seite abwechselnd eine Kompression und eine Expansion mittels Ventilsteuerung 6 ausge- löst. Ebenso wird, wenn auf der Vorderseite eine Kompression, auf der Rückseite eine Expansion oder umgekehrt, stattfinden.Also in this variant, the heat exchanger 1 rotate together with the working cylinder 2 about the longitudinal axis and thus form a s.g. Rotor. Just as described in the sixth variant, a compression and an expansion by means of valve control 6 is triggered alternately on each side. Likewise, if there is compression on the front, expansion on the back, or vice versa.
Die in dieser Variante eingesetzten, geteilten Wärmeüberträger 1 werden so eingebaut, dass die äußere Hälfte der einzelnen Wärmeüberträger 1 dem kalten Medienstrom, die innere (dem Arbeitszylinder 2 zugewandte) Hälfte dem warmen Medienstrom ausgesetzt werden.The used in this variant, split heat exchanger 1 are installed so that the outer half of the individual heat exchanger 1 the cold media flow, the inner (the working cylinder 2 facing) half are exposed to the warm media flow.
In den Räumen zwischen den Wärmeüberträgern 1 befindet sich eine zylindrische Trennung 12, mit welcher das Heizmedium vom Kühlmedium, innerhalb des Rotors getrennt wird, eingefügt. Außen um die Wärmeträger 1 herum so- wie innen (zwischen Wärmeüberträger 1 und Arbeitszylinder 2) befinden sich ebenfalls konzentrisch angeordnete Rohre (13 und 14), die zusammen mit der Trennung zwischen den Wärmeüberträgern 1 , zwei kreisringförmige Kanäle bilden, in denen sich jeweils der „gekühlte" bzw. „geheizte" Teil des Wärme- Überträgers befindet. Auf der Zeichnung sind diese Rohre als äußere13 und innere14 Hüllen bezeichnet.In the spaces between the heat exchangers 1 is a cylindrical separation 12, with which the heating medium from the cooling medium, is separated within the rotor inserted. Outside around the heat transfer 1 around as inside (between heat exchanger 1 and cylinder 2) are also concentrically arranged tubes (13 and 14), which form together with the separation between the heat exchangers 1, two annular channels in which each of the "cooled" or "heated" Part of the heat transmitter is located. In the drawing, these tubes are referred to as outer13 and inner14 sheaths.
Jeder einzelne Wärmeüberträger 1 ist außerdem mittels eines Trennsteges 15, welcher sich von der äußeren Hülle 13 zur inneren Hülle 14 erstreckt, von den benachbarten Wärmeüberträgern 1 getrennt. Mittels dieser Trennstege 15 wird das Heiz- und Kühlmedium innerhalb des Rotors kanalisiert. In jedem Segment zwischen zwei Trennstegen 15 befindet sich nur ein einziger Wärmeüberträger 1.Each individual heat exchanger 1 is also separated from the adjacent heat exchangers 1 by means of a separating web 15 which extends from the outer casing 13 to the inner casing 14. By means of these dividers 15, the heating and cooling medium is channeled within the rotor. In each segment between two dividers 15 there is only a single heat exchanger. 1
Auf beiden Stirnseiten des Rotors sind die Heiz- bzw. Kühlmedien fördernden Leitungen angeschlossen. Die Heizmedium-Leitungen sind an den oberen Halbkreis des inneren kreisringförmigen Kanals angeschlossen, die Kühlmedium-Leitungen sind an den unteren Halbkreis des äußeren kreisringförmigen Kanals angeschlossen. Nur die Hälfte der jeweiligen Kreisringe wird mit Heiz- bzw. Kühlmedium durchströmt, da die Aufheizung und Abkühlung abwechselnd stattfinden.On both faces of the rotor, the heating or cooling media conveying lines are connected. The heating medium lines are connected to the upper semicircle of the inner annular channel, the cooling medium lines are connected to the lower semicircle of the outer annular channel. Only half of the respective circular rings is flowed through with heating or cooling medium, since the heating and cooling take place alternately.
Die Kühlstrecke beginnt nach Schließen des Ventils 5 am Ende eines Expansionsvorganges innerhalb der Heizstrecke. Die Heizstrecke beginnt nach Schließen des Ventils 5 am Ende des Kompressionsvorganges innerhalb der Kühlstrecke.The cooling section begins after closing the valve 5 at the end of an expansion process within the heating section. The heating section begins after closing the valve 5 at the end of the compression process within the cooling section.
Der Arbeitsstoff im geschlossenen Wärmeüberträger 1 wird, bei einer Oberfläche deren Temperatur unterhalb des Taupunktes des Arbeitsstoffes liegt, so- lange an dieser Oberfläche kondensieren, bis der Druck innerhalb des geschlossenen Wärmeüberträgers 1 dem, des Dampfdruckes des Arbeitsstoffes entspricht. Im vorliegenden Fall wird die gesamte Hülle der „gekühlten" War- meüberträgerhälfte diese Temperatur besitzen, weil das Kühlmedium dieser Hälfte des Wärmeüberträgers 1 ständig die Kondensationswärme entzieht.The working substance in the closed heat exchanger 1, with a surface whose temperature is below the dew point of the working substance, condense on this surface until the pressure within the closed heat exchanger 1 corresponds to the vapor pressure of the working substance. In the present case, the entire envelope of the 'cooled' warehousing Half of meüberträger have this temperature, because the cooling medium of this half of the heat exchanger 1 constantly extracts the heat of condensation.
Da die geheizte Hälfte des Wärmeüberträgers 1 mit der gekühlten Hälfte kommunizierend verbunden ist, würde das Kondensat in diesem Teil verdampfen, soweit es dorthin fließen könnte. Da aber der (vorher) beheizte Teil des Wärmeüberträgers 1 sich während des Kühlprozesses oberhalb der gekühlten Hälfte befindet ist es physikalisch nicht möglich. Anders verhält es sich im beheizten Teil des Wärmeüberträgers 1. Wenn der Arbeitsstoff, bei stetiger Wärmezufuhr verdampft, wird bei kommunizierender Verbindung zum (vorher) gekühlten Teil, der Dampf wieder kondensieren. Dieser Vorgang wird so lange stattfinden, bis die Wärmeüberträgerhülle (jetzt ohne Wärmeentzug) die Dampfdrucktemperatur des Arbeitstoffes erreicht hat. Um dieses zu verhindern werden hier drei Möglichkeiten in Betracht gezogen:Since the heated half of the heat exchanger 1 is communicatively connected to the cooled half, the condensate would evaporate in this part as far as it could flow there. However, since the (previously) heated part of the heat exchanger 1 is located above the cooled half during the cooling process, it is not physically possible. The situation is different in the heated part of the heat exchanger 1. If the working material evaporates with constant supply of heat, the steam will condense again when the connection to the (previously) cooled part communicates. This process will take place until the heat transfer tube (now without heat removal) has reached the vapor pressure temperature of the working material. To prevent this, three options are considered here:
1. Die Verbindungsöffnung(en) zwischen geheizter und gekühlter Hälfte wird (werden) mechanisch geschlossen.1. The connection opening (s) between heated and cooled half are closed mechanically.
2. Es erfolgt eine Art Regeneration, ähnlich wie vorher in der „Sechsten Variante" beschrieben, bei der Kühl/Heizmedium zwischen dem beheizten Segment des inneren Kreisringes, welches direkt nach Schließung des „Expansionsventils" 5 folgt, mit dem gekühlten Segment, welches direkt dem „Kompressionsventil" 5 folgt mittels Ventilator 10 oder Pumpe 10, ausgetauscht wird. Hierdurch kann die Wärme aus dem geheizten Teil der Wärmeüberträgerhülle genutzt werden, die gekühlte Wärmeüberträgerhülle zu erwärmen. Je nach Zweckmäßigkeit dieser Regeneration kann die Menge des kondensierenden Arbeitsstoffes reduziert werden.2. There is a kind of regeneration, similar to that described previously in the "Sixth Variant", in the cooling / heating medium between the heated segment of the inner annulus, which follows immediately after closure of the "expansion valve" 5, with the cooled segment directly the "compression valve" 5 is replaced by fan 10 or pump 10. This allows the heat from the heated part of the heat transfer tube to be used to heat the cooled heat transfer tube 16. Depending on the convenience of this regeneration, the amount of condensing agent can be reduced.
3. Eine Kombination der beiden vorgenannten Methoden. Unter Berücksichtigung der beschriebenen Konstruktionsmerkmale lässt sich nun der Clausius-Rankine-Kreisprozess erklären. Vergleiche hierzu Fig. 12 „Konstruktionsmerkmale der „Stirling-Clausius-Rankine-Wärmekraftmaschine" und Fig. 16 bis 18 „Thermodynamische Vergleichsprozesse der Stirling- Clausius-Rankine-Wärmekraftmaschine". Als Arbeitstoff wurde für dieses Beispiel Dichlordifluormetan (CbFbCH), Frigen R12 eingesetzt. Die Bezugstemperaturen für dieses Beispiel wurden 60 0C als oberes Temperatumiveau und 20 0C als unteres Temperatumiveau gewählt.3. A combination of the two aforementioned methods. Taking into account the design features described, the Clausius-Rankine cyclic process can now be explained. See FIG. 12 "Design features of the" Stirling-Clausius-Rankine heat engine "and FIGS. 16 to 18" Thermodynamic comparison processes of the Stirling-Clausius-Rankine heat engine ". The working material used for this example was dichlorodifluoromethane (CbFbCH), Frigen R12. The reference temperatures for this example were 60 ° C. as the upper temperature level and 20 ° C. as the lower temperature level.
Durch die Drehung des Rotors befindet sich die äußere, die gekühlte Hälfte eines Wärmeüberträgers 1 , mal unter der beheizten Hälfte mal darüber. Es ist daher sinnvoll die Kühlstrecke so zu wählen, dass sich die gekühlte Hälfte der Wärmeüberträger 1 während des Kühlvorganges unten befindet. Das entstehende Kondensat sammelt sich dann im unteren und somit im äußeren Be- reich des Wärmeüberträgers 1. Auf Grund der Rotation, bewegt sich die gekühlte über der beheizten Hälfte. Ab einer bestimmten Stellung wird das Kondensat von der gekühlten in die beheizte Hälfte fließen. (Dieser Vorgang ersetzt die Speisepumpe im klassischen Clausius-Rankine-Prozess.) Nun befindet sich die größte Masse des Arbeitsstoffes auf der beheizten Seite des Wärmeüberträgers 1. Der Verdampfungsprozess setzt ein. Um gleichzeitige Kondensation auf der gekühlten Hälfte zu vermeiden, werden die Verbindungsöffnungen zwischen den beheizten und gekühlten Hälften mechanisch geschlossen.By the rotation of the rotor is the outer, the cooled half of a heat exchanger 1, times below the heated half times over. It is therefore useful to choose the cooling section so that the cooled half of the heat exchanger 1 is located at the bottom during the cooling process. The resulting condensate then collects in the lower and thus in the outer area of the heat exchanger 1. Due to the rotation, the cooled above the heated half moves. From a certain position, the condensate will flow from the cooled to the heated half. (This process replaces the feed pump in the classical Clausius-Rankine process.) Now, the largest mass of the working substance is on the heated side of the heat exchanger 1. The evaporation process begins. To avoid simultaneous condensation on the cooled half, the connection openings between the heated and cooled halves are mechanically closed.
Um die Abfolge des Kreisprozesses darzustellen, wird, unter Hinzuziehung der Fig. 12 der Zeichnung, zunächst mit dem isochorischen Kühlprozess begonnen. Der, in Betracht kommende, Wärmeüberträger 1 befindet sich in der Kühlstrecke direkt nach Schließung des Expansionsventils 5. Dem Wärmeüberträger 1 wird auf dieser Strecke ständig Wärme entzogen. Der Arbeitstoff kondensiert so lange, bis der Dampfdruck (des Arbeitsstoffes) bei Kühlmediumtemperatur erreicht ist. Da das Ventil 5 während dieses Vorganges geschlossen ist, bleibt das Gesamtvolumen innerhalb des Wärmeüberträgers 1 konstant. Durch die Rotation wird der Punkt, bei dem das Ventil 5 zum Arbeitszylinder 2 geöffnet wird, erreicht. Das Ventil 5 öffnet und verbindet nun den Raum im Wärmeüberträger 1 mit dem, des Arbeitszylinders 2. Das Arbeitsgas strömt, wegen des Unterdruckes im Wärmeüberträger 1 und wegen des gleichzeitig stattfindenden Expansionsvorganges auf der anderen Seite des Arbeitskolbens 3, aus dem Arbeitszylinder 2 in den Wärmeüberträger 1 hinein. Während dieses Vorganges und in der Zeit nach Schließung des (Kompressions-) Ventils 5 kondensiert der Arbeitsstoff wieder so lange, bis der, der Temperatur entsprechende, Dampfdruck erreicht ist. (Fig. 17. Punkt 2 bis Punkt 3) Während der Kompression des Arbeitsgases wird dem Wärmeüberträger 1 , durch das Kühlmedium, ständig Wärme entzogen. Es findet also eine isothermische Kompression statt. (Fig. 17 Punkt 3 bis Punkt 4) Diese Zustandsänderung gehört sowohl zu dem vorher beschriebenen Stirlingkreisprozess als auch zu dem hier beschriebenen Clausius-Rankine-Kreisprozess. Durch die isothermische und nicht isentropische Kompression des Arbeitsgases weicht der hier beschriebene Clausius-Rankine-Kreisprozess vom klassischen abIn order to illustrate the sequence of the cycle process, the isochoric cooling process is initially started, with reference to FIG. 12 of the drawing. The, in consideration, heat exchanger 1 is located in the cooling section directly after the closure of the expansion valve 5. The heat exchanger 1 is continuously withdrawn heat on this route. The working material condenses until the vapor pressure (of the working substance) is reached at cooling medium temperature. Since the valve 5 is closed during this process, the total volume within the heat exchanger 1 remains constant. By the rotation of the point at which the valve 5 is opened to the working cylinder 2, is reached. The valve 5 opens and now connects the space in the heat exchanger 1 with that of the working cylinder 2. The working gas flows because of the negative pressure in the heat exchanger 1 and because of the simultaneous expansion process on the other side of the working piston 3, from the working cylinder 2 in the heat exchanger 1 inside. During this process and in the time after the closing of the (compression) valve 5, the working material condenses again until the, corresponding to the temperature, vapor pressure is reached. (Fig. 17. Point 2 to Point 3) During the compression of the working gas, the heat exchanger 1, through the cooling medium, constantly withdrawn heat. So there is an isothermal compression. (Fig. 17 point 3 to point 4) This change in state belongs both to the previously described Stirling cycle process and to the Clausius-Rankine cycle process described here. Due to the isothermal and non-isentropic compression of the working gas, the Clausius-Rankine cyclic process described here deviates from the classical one
Bei geschlossenem Ventil 5 wird nun dem Wärmeüberträger 1 ständig Wärme zugeführt (Fig. 17. Punkt 4 bis Punkt 5).When the valve 5 is closed, heat is constantly supplied to the heat exchanger 1 (FIG. 17, point 4 to point 5).
Durch die Drehung des Rotors wird der Punkt erreicht, bei dem sich die gekühlte Hälfte des Wärmeüberträgers 1 über die beheizte Hälfte bewegt und wobei das Kondensat des Arbeitsstoffes in die beheizte Hälfte fließt. Die Ver- bindungsöffnungen zwischen gekühlter und beheizter Hälfte werden mechanisch geschlossen. Während in der beheizten Hälfte, durch das Heizmedium, ständig Wärme zugeführt wird, verdampft das Kondensat. Die Verdampfung findet so lange statt bis der Dampfdruck des Arbeitsmediums, nun beim oberen Temperaturniveau erreicht ist. (Fig. 17. Punkt 5 bis Punkt 5')-By the rotation of the rotor, the point is reached at which the cooled half of the heat exchanger 1 moves over the heated half and wherein the condensate of the working fluid flows into the heated half. The connection openings between the cooled and heated half are closed mechanically. While in the heated half, by the heating medium, constantly heat is supplied, the condensate evaporates. The evaporation takes place until the vapor pressure of the working medium, now at the upper temperature level is reached. (Fig. 17. Point 5 to Point 5 ') -
Bei weiterer Drehung wird der Punkt erreicht bei der das Ventil 5 zum Arbeitszylinder 2, zum zweiten male währen des Kreisprozesses, geöffnet wird. Das Ventil 5 öffnet und verbindet nun den Raum im Wärmeüberträger 1 mit dem Raum des Arbeitszylinders 2. Der Überdruck im Wärmeüberträger 1 und die gleichzeitig auf der anderen Seite des Arbeitskolbens 3 stattfindende Kompression, drängen den gasförmigen Arbeitsstoff aus dem Wärmeüberträger 1 in den Arbeitszylinder 2. Während dieses Expansionsvorganges wird dem Wärmeüberträger 1 , vom Heizmedium ständig Wärme zugeführt. Es findet zunächst eine Fortsetzung des Verdampfungsprozesses danach eine isothermische Expansion statt. Diese Zustandsänderung gehört sowohl dem vorher beschriebenen Stirling-Kreisprozess als auch dem hier beschriebenen Clausi- us-Rankine-Kreisprozess an. Durch die isothermische und nicht isentropische Expansionsion des Arbeitsgases weicht auch hier der beschriebene Clausius- Rankine-Kreisprozess vom klassischen ab.Upon further rotation, the point is reached at which the valve 5 to the working cylinder 2, the second time during the cycle process, is opened. The valve 5 opens and now connects the space in the heat exchanger 1 with the Space of the working cylinder 2. The pressure in the heat exchanger 1 and the same taking place on the other side of the working piston 3 compression, urge the gaseous working fluid from the heat exchanger 1 in the working cylinder 2. During this expansion process heat is continuously supplied to the heat exchanger 1, from the heating medium. There is first a continuation of the evaporation process after an isothermal expansion instead. This state change belongs both to the previously described Stirling cycle and to the Clausius Rankine cycle described here. Due to the isothermal and non-isentropic expansion of the working gas, the Clausius-Rankine cyclic process described here deviates from the classical one.
Die Verbindung zwischen der beheizten und der gekühlten Hälfte wird wieder mechanisch geöffnet.The connection between the heated and the cooled half is mechanically opened again.
Nach Schließung des Ventils 5 beginnt der Prozess erneut.After closing the valve 5, the process starts again.
Zehnte Variante des GrundmodulsTenth variant of the basic module
Wärmekraftmaschine wie in der neunten Variante beschrieben mit dem Unter- schied, dass der beheizbare Teil des Wärmeüberträgers 1 nicht als Wärmetauscher, sondern als Absorber für Strahlungsenergie konstruiert ist. Der gekühlte Teil kann für jede Form der Wärmeübertragung, z. B. für freie Konvek- tion, Wasserkühlung, Wärmetauscher für gasförmige oder flüssige Kühlmedien u.s.w. konstruiert sein. Arbeitszylinder 2, Kolben 3, Verbindungsrohre 4, Ventil 5, Ventilsteuerungen 6 etc. haben die gleiche Funktion wie in der neunten Variante beschrieben, sie rotieren zusammen mit den Wärmeüberträgern 1 um eine gemeinsame Achse. In dieser Variante werden die Verbindungen zwischen dem beheizten und dem gekühlten Teil der Wärmeüberträger 1 während des Heizvorganges geschlossen.Heat engine as described in the ninth variant with the difference that the heatable part of the heat exchanger 1 is constructed not as a heat exchanger, but as an absorber for radiant energy. The cooled part may be used for any form of heat transfer, e.g. Eg for free convection, water cooling, heat exchangers for gaseous or liquid cooling media, etc. be constructed. Working cylinder 2, piston 3, connecting pipes 4, valve 5, valve controls 6, etc. have the same function as described in the ninth variant, they rotate together with the heat exchangers 1 about a common axis. In this variant, the connections between the heated and the cooled part of the heat exchanger 1 are closed during the heating process.
Entsprechend der Beschreibung der Variante Sieben ist die, der Strahlung ausgesetzte, absorbierende Fläche des Wärmeüberträgers 1 vor Konvekti- onsverlusten geschützt. Hierfür ist eine Glasabdeckung 19 auf der Vorderseite und eine Einhausung (20 bis 22), mit reflektierender Fläche zum Absorber dahinter, vorgesehen. Der gekühlte Teil des Wärmeüberträgers 1 wird analog, wie in der Variante Sieben beschrieben, gegen die Strahlungsenergie beschattet.According to the description of the variant seven, the radiation-exposed absorbent surface of the heat exchanger 1 is protected against convective losses. For this purpose, a glass cover 19 on the front and an enclosure (20 to 22), with reflective surface to the absorber behind it. The cooled part of the heat exchanger 1 is shaded analogously, as described in the variant seven, against the radiation energy.
Elfte VarianteEleventh variant
In dieser Variante wird ein Rotor mit Wärmeüberträgern 1 , Verbindungsrohren 4, Ventilen 5 und Ventilsteuerung 6 wie in der Neunten Variante beschrieben eingesetzt jedoch ohne Arbeitszylinder 2 und Kolben 3. Es werden somit auch nicht zwei Ventilsteuerungen 6, (die auf beiden Seiten des Arbeitszylinders 2 angeordnet sind) erfolgen sondern Kompression und Expansion aller Wärmeüberträger 1 finden an der gleichen Ventilsteuerung 6 statt. Anstelle des Arbeitskolbens 3 wird eine Rotationskraftmaschine verwendet, wie z. B. eine Rotationskolbenmaschine, umgekehrter Schraubenverdichter, umgekehrter Vielzellenverdichter, Turbine oder dergleichen, über die das expandierende Arbeitsgas sich entspannen kann. Da bei dem beschriebenen Rotor, bestehend aus Wärmetauscher 1 , Verbindungsrohren 4, Arbeitszylinder 2 usw., die Ventile 5 für die Expansion immer an der gleichen Stelle öffnen, kann mit einer geeigneten Ventilkonstruktion das expandierende Arbeitsgas in eine feststehende Leitung eingeführt werden. Diese leitet das Arbeitsgas in die Hochdruckseite der Rotationskraftmaschine ein. Analog kann für die Kompression eine Leitung von der Niederdruckseite der Rotationskraftmaschine bis zu der Stelle, an der die Ventile 5 für den Kompressionsvorgang öffnen, das Arbeitsgas wieder zu den Wärmeüberträgern 1 zurückführen. Bei einer solchen Maschine ist eine drehende Welle vorhanden, mit der ein Stromgenerator oder eine andere Maschine angetrieben werden kann. Die Drehbewegung kann auch genutzt werden um den Wärmeüberträger- Rotor anzutreiben. Durch sorgfältige Abstimmung der Drehgeschwindigkeiten von Rotor und Rotationsmaschine wird sichergestellt, dass die richtige Menge Arbeitsgas bei der Rotationskraftmaschine ansteht.In this variant, a rotor with heat exchangers 1, connecting pipes 4, valves 5 and valve control 6 is used as described in the Ninth Variant but without working cylinder 2 and piston 3. Thus, there are not two valve controls 6, (on both sides of the working cylinder are arranged) but compression and expansion of all heat exchanger 1 take place at the same valve control 6. Instead of the working piston 3, a rotary engine is used, such. Example, a rotary piston machine, reverse screw compressor, reversed Vielzellverdichter, turbine or the like over which the expanding working gas can relax. Since in the rotor described, consisting of heat exchanger 1, connecting pipes 4, working cylinder 2, etc., the valves 5 always open for expansion in the same place, can be introduced with a suitable valve construction, the expanding working gas in a fixed line. This initiates the working gas in the high pressure side of the rotary engine. Similarly, for compression, a line from the low-pressure side of the rotary engine to the point at which the valves 5 open for the compression process, return the working gas to the heat exchangers 1 again. In such a machine, a rotating shaft is provided with which a power generator or other machine can be driven. The rotation can also be used to drive the heat exchanger rotor. By carefully adjusting the rotational speeds of the rotor and rotary machine, it is ensured that the correct amount of working gas is present in the rotary engine.
Bei dieser Variante findet eine isotropische Expansion statt, dadurch weist sie gegenüber den anderen Varianten einen geringeren thermodynamischen Wirkungsgrad auf. Abweichungen dieser Wärmekraftmaschine vom Stand der TechnikIn this variant, an isotropic expansion takes place, thus it has a lower thermodynamic efficiency compared to the other variants. Deviations of this heat engine of the prior art
Die Wärmekraftmaschine dieser Wärmekraftmaschine wird mit einer externen Wärmequelle betrieben, daher unterscheidet sie sich von allen Wärmekraftmaschinen mit interner Verbrennung.The heat engine of this heat engine is operated with an external heat source, therefore it is different from all heat engines with internal combustion.
In einer Variante dieser Wärmekraftmaschine wird der Stirlingkreisprozess mit einem Clausius-Rankine-Kreisprozess verbunden, woraus 6 Zustandsände- rungen entstehen. Dadurch unterscheidet sich diese Wärmekraftmaschine von herkömmlichen Maschinen, die entweder nur mit einem Stirling-Kreisprozess oder nur mit einem Clausius-Rankine-Kreisprozess laufen.In a variant of this heat engine, the Stirling cycle process is connected to a Rankine cycle process, resulting in 6 state changes. As a result, this heat engine differs from conventional machines, which run either only with a Stirling cycle or only with a Rankine cycle.
Der wesentlichste Unterschied zu den herkömmlichen Techniken besteht in dem Zusammenspiel verschiedener Kreisprozesse auf einem gemeinsamen Arbeitszylinder 2. Bei einem vollständigen Prozessablauf dieser Wärmekraftmaschine hat das Arbeitsgas bzw. Arbeitsstoff in jedem einzelnen Wärmeüberträger 1 einen vollständigen Stirlingkreisprozess mit vier Zustandsände- rungen bzw. einen vollständigen Stirling-Clausius-Rankine-Keisprozess mit 6 Zustandsänderungen durchlaufen d. h. jedes Ventil 5 zwischen den einzelnen Wärmeüberträgern 1 und gemeinsamen Arbeitszylinder 2 hat sich zweimal geöffnet und geschlossen. Das bedeutet für jeden Wärmeüberträger 1 jeweils eine Expansion und eine Kompression.The most important difference to the conventional techniques consists in the interaction of different cycle processes on a common working cylinder 2. In a complete process sequence of this heat engine, the working gas or agent in each heat exchanger 1 has a complete Stirling cycle process with four state changes or a complete Stirling cycle. Clausius-Rankine-Keisprozess with 6 state changes go through d. H. Each valve 5 between the individual heat exchangers 1 and common cylinder 2 has opened and closed twice. This means for each heat exchanger 1 in each case an expansion and a compression.
Es handelt sich um eine Wärmekraftmaschine, die im Vergleich zu anderen Wärmekraftmaschinen, durch wenige bewegliche Teile und mit wenig Todraum, sehr geringe interne Verluste aufweist. Bei den sich bewegenden Teilen handelt es sich um einen frei beweglichen Arbeitskolben 3 in einem Arbeitzylinder 2 und einen rotierenden Rotor bestehend aus: Wärmeüberträger 1 , Verbindungsrohren 4, Ventilen 5, inneren 14 und äußeren 13 Hüllen und Trennstege 15. Durch den Einsatz von Ventilen 5 unterscheidet sich diese Wärmekraftmaschine von der klassischen Stirlingmaschine. Die Zustandsänderungen können daher fast vollständig ausgenutzt werden. Durch sorgfältige Auslegung der Komponenten kann der tatsächliche Wirkungsgrad sehr nah an den theo- retisch möglichen herangeführt werden. Das Ventil 5 wird erst dann geöffnet, wenn der Aufwärmungs- bzw. Abkühlungsprozess abgeschlossen ist. Über den kürzesten Weg kann das Arbeitsgas in den Arbeitszylinder 2 expandieren bzw. aus dem Arbeitszylinder 2 komprimieren.It is a heat engine that has very low internal losses compared to other heat engines, with few moving parts and little dead space. The moving parts are a freely movable working piston 3 in a working cylinder 2 and a rotating rotor consisting of: heat exchanger 1, connecting pipes 4, valves 5, inner 14 and outer 13 sheaths and partitions 15. Through the use of valves 5, this heat engine differs from the classic Stirling engine. The state changes can therefore be exploited almost completely. By careful design of the components, the actual efficiency can be brought very close to the theoretically possible. The valve 5 is opened only when the warm-up or cool down process is completed. Over the shortest path, the working gas can expand into the working cylinder 2 or compressed from the working cylinder 2.
Ein Unterschied dieser Wärmekraftmaschine zu den herkömmlichen Wärmekraftanlagen liegt in der Tatsache, dass sich in herkömmlichen Anlagen das Arbeitsgas oder Arbeitsstoff, z. B. in Dampf kraftanlagen, vom warmen Wärmeüberträger 1 zum kalten Wärmeüberträger 1 und wieder zurück bewegt, bei dieser Wärmekraftmaschine jedoch der größte Teil des Arbeitsgases im glei- chen Wärmeüberträger 1 verbleibt um dort abwechselnd gewärmt oder gekühlt zu werden.A difference of this heat engine to the conventional thermal power plants lies in the fact that in conventional systems, the working gas or agent, eg. B. in steam power plants, from the warm heat exchanger 1 to the cold heat exchanger 1 and moved back again, in this heat engine, however, the majority of the working gas in the same heat exchanger 1 remains there alternately warmed or cooled.
Der Kolben 3 dieser Freikolbenmaschine ist durch Permanentmagnete 7 oder Erregerstrom magnetisiert und läuft in einem nichtmetallischen Arbeitszylinder 2, um den eine elektrische Spule 8 montiert ist. Hiermit wird die mechanische Arbeit ohne Umwege direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Neben den Reibungsverlusten des Freikolbens 3 treten, bei Stromerzeugung, keine weiteren mechanischen Verluste auf.The piston 3 of this free-piston engine is magnetized by permanent magnets 7 or exciting current and runs in a non-metallic working cylinder 2, around which an electric coil 8 is mounted. This converts the mechanical work directly into electrical current without detours. In addition to the friction losses of the free piston 3 occur when power generation, no further mechanical losses.
Organische Verbindungen wie z. B. Ammoniak und Frigene, welche in Wärmekraftmaschinen wie z. B. ORC-Anlagen genutzt werden, können auch bei dieser Wärmekraftmaschine in gleicher Weise durch Aggregatzustandsände- rungen sinnvoll genutzt werden. Diese Wärmekraftmaschine weicht von der herkömmlichen ORC-Anlage dadurch ab, dass Kondensation und Verdamp- fung abwechselnd an gleicher Stelle, innerhalb eines Wärmeüberträgers 1 , stattfinden. Obwohl sich die Erfindung auch auf eine Wärmekraftmaschine der oben beschriebenen Art bezieht, richtet sich die Erfindung insbesondere auf eine im folgenden beschriebene Kraftanlage mit Wärmeauskopplung.Organic compounds such. B. ammonia and Frigene, which in heat engines such. B. ORC plants are used, can also be useful in this heat engine in the same way by Aggregateustandsänder- ments useful. This heat engine differs from the conventional ORC system in that condensation and vaporization take place alternately at the same place, within a heat exchanger 1. Although the invention also relates to a heat engine of the type described above, the invention is directed in particular to a power plant with heat extraction described below.
Ein möglicher Aufbau einer erfindungsgemäßen Wärmekraftkopplungsanlage ist in Fig. 19 der Zeichnung dargestellt. Hier werden eine geeignete Anzahl Wärmekraftmaschinen A, z.B. A1 , A2, A3, ....An, in Reihe angeordnet. Die zur Verbrennung vorgesehene Luft 22 wird als Kühlmedium den gekühlten Teil der einzelnen Wärmekraftmaschinen A1 , A2, A3, ....An nacheinander durch- strömen und nach Verlassen der letzten Wärmekraftmaschine An einem Verbrennungsprozess in der Brennkammer 25 als Verbrennungsluft zugeführt.A possible construction of a thermal power plant according to the invention is shown in FIG. 19 of the drawing. Here, a suitable number of heat engines A, e.g. A1, A2, A3, .... An, arranged in series. The air 22 provided for combustion is passed through the cooled part of the individual heat engines A1, A2, A3,... An one after another and, after leaving the last heat engine, fed to a combustion process in the combustion chamber 25 as combustion air.
Die Verbrennungsgase 30 aus dem Verbrennungsprozess in der Brennkammer 25 durchströmt den beheizten Teil der einzelnen Wärmekraftmaschinen An...A2, A1 in entgegengesetzter Richtung und in umgekehrter Reihenfolge wie das Kühlmedium 22 wobei eine ähnliche Temperaturdifferenz aber mit jeweilig anderem Temperaturniveau bei jeder Wärmekraftmaschine A vorkommt, wie annäherungsweise im Diagram Fig. 21 der Zeichnung dargestellt ist. Der Arbeitsstoff in jeder Wärmekraftmaschine A wird so ausgewählt, dass er an die jeweilig dort vorkommenden Temperaturen angepasst ist.The combustion gases 30 from the combustion process in the combustion chamber 25 flows through the heated part of the individual heat engines An ... A2, A1 in the opposite direction and in the reverse order as the cooling medium 22 with a similar temperature difference but with each different temperature level at each heat engine A, as approximately shown in the diagram of Fig. 21 of the drawings. The working substance in each heat engine A is selected so that it is adapted to the respective temperatures occurring there.
Der Brennstoff wird in einem Brennstoffbehälter 26 aufbewahrt. Der Brennstoffbehälter 26 kann für feste Stoffe (z. B. Holzschnipsel) als Trichter oder für Flüssigkeiten oder Gase als Tank ausgeführt sein. Der Brennstoff wird mittels einer Fördereinrichtung 27 (als Zellenschleuse oder Schnecke bei festen Stoffen oder Pumpe bei Flüssigkeiten) in die Brennkammer 25 eingeführt. Für feste Stoffe ist ein Verbrennungsrost 28 vorzusehen welcher so ausgeführt ist, dass der Brennstoff sich möglichst optimal über die Oberfläche verteilt.The fuel is stored in a fuel tank 26. The fuel container 26 may be designed for solids (eg wood chips) as a funnel or for liquids or gases as a tank. The fuel is introduced into the combustion chamber 25 by means of a conveyor 27 (as a cell sluice or screw in the case of solid substances or a pump in the case of liquids). For solids, a combustion grate 28 is provided which is designed so that the fuel as optimally distributed over the surface.
Die Kühl- und Verbrennungsluft 22 kann reine Umgebungsluft sein aber auch gekühlte Luft oder aus andern Prozessen austretende Luft, welche zum Verbrennen des eingesetzten Brennstoffes geeignet sein. Sie wird mit einem Ge- Gebläse 21 durch die Wärmetauscher 1 der einzelnen Wärmekraftmaschinen A bis in die Verbrennungskammer 25 gefördert.The cooling and combustion air 22 may be pure ambient air but also cooled air or air emerging from other processes, which are suitable for burning the fuel used. It will be Blower 21 through the heat exchanger 1 of the individual heat engines A up to the combustion chamber 25 promoted.
Beim Durchströmen durch jeden Wärmetauscher 1 der einzelnen Wärme- kraftmaschinen A nimmt die Temperatur der Luft, wegen der Wärmeaufnahme von den Wärmetauschern 1 , zu.As it flows through each heat exchanger 1 of the individual heat engines A, the temperature of the air, because of the heat absorption from the heat exchangers 1, increases.
Die aufgewärmte Luft wird nach verlassen des Wärmetauschers 1 der letzten Wärmekraftmaschine An als Verbrennungsluft genutzt. Hierbei wird, durch den Einsatz von Regelklappen 23, ein Teil der Kühlluft durch die Brennkammer 25 und ein Teil an der Brennkammer 25 vorbei geleitet. Nach der Verbrennung werden die beiden Luftströme wieder zusammengeführt und vermischt. Die Klappen 23 werden über einem Temperaturregelkreis, bestehend aus einen Temperaturfühler 31 , Regler und Stellmotor 24, so geregelt, dass eine konstante Temperatur der Verbrennungsgase 30 erreicht wird. Diese Verbrennungsgase 30 werden nachfolgend als Heißgase bezeichnet.The warmed up air is used after leaving the heat exchanger 1 of the last heat engine An as combustion air. Here, through the use of control valves 23, a portion of the cooling air through the combustion chamber 25 and a part passed to the combustion chamber 25 over. After combustion, the two air streams are brought together again and mixed. The flaps 23 are controlled by a temperature control loop, consisting of a temperature sensor 31, controller and servo motor 24 so that a constant temperature of the combustion gases 30 is achieved. These combustion gases 30 are hereinafter referred to as hot gases.
Die Heißgase 30 werden in den Wärmetauschern 1 der Wärmekraftmaschine An, durch welche die Kühlluft 22 zuletzt durchgeführt wurde, eingeleitet. Wei- ter durchströmen die Heißgase alle anderen Wärmekraftmaschinen A in umgekehrter Reihenfolge und Richtung wie die Kühlluft. Durch Abgabe der Wärme an die Wärmetauscher 1 nimmt die Temperatur in jedem Wärmetauscher 1 ab. Da die Temperatur in entgegengesetzter Richtung abnimmt wie die Kühlluft zunimmt werden in jeder Wärmekraftmaschine A, mehr oder weniger, gleiche Temperaturdifferenzen vorkommen welche zur Umsetzung der Wärme in Arbeit erforderlich sind.The hot gases 30 are introduced into the heat exchangers 1 of the heat engine An, through which the cooling air 22 was last carried out. Further, the hot gases flow through all the other heat engines A in the reverse order and direction as the cooling air. By discharging the heat to the heat exchanger 1, the temperature in each heat exchanger 1 decreases. Since the temperature decreases in the opposite direction as the cooling air increases in each heat engine A, more or less, same temperature differences occur which are required to implement the heat in work.
Die Austrittstemperatur der Heißgase ist abhängig von der gewählten Anzahl von Wärmekraftmaschinen A, den Arbeitsstoffen, besonders in den letzten Stufen und der Konstruktion der Wärmekraftmaschinen A. Sie kann ähnlich wie bei einem Brennwertkessel bei ca. 500C liegen. Dieses bedeutet, dass die Verdampfungswärme des Wassers in den Verbrennungsgasen 30 ebenfalls zur Stromerzeugung beiträgt. Der obere Heizwert des Brennstoffes wird ge- nutzt. Auch die Verdampfungswärme die verbraucht wird um das Wasser bei feuchten Brennstoffen zu Verdampfen geht nicht verloren.The outlet temperature of the hot gases depends on the selected number of heat engines A, the working materials, especially in the last stages and the construction of the heat engines A. It can be similar to a condensing boiler at about 50 0 C. This means that the heat of vaporization of the water in the combustion gases 30 also contributes to power generation. The upper calorific value of the fuel is uses. Also, the heat of evaporation that is consumed to evaporate the water in wet fuels is not lost.
Für das anfallende Kondensat auch aus den Wärmekraftmaschinen A wird eine Neutralisation 39 vorgesehen.For the resulting condensate from the heat engines A neutralization 39 is provided.
Um die Restwärme der Heißgase nach dem Verlassen der letzten Wärmekraftmaschine A1 für Heizungszwecke nutzen zu können wird sie durch die Primärseite eines Wärmetauschers 35 geführt. Durch die Sekundärseite des Wärmetauschers wird Heizungswasser für Fernwärme 36 zirkuliert. Wird mehr Wärme für Heizungszwecke benötigt als die Restwärme in den Heißgasen 30 nach der letzten Wärmekraftmaschine An, kann die letzte Wärmekraftmaschine A1 angehalten werden, sodass die Wärme ungenutzt durchtreten kann. Reicht dieses nicht für den Wärmebedarf aus, so kann die zweitletzte Wärm- kraftmaschine A2 angehalten werden. Dieses kann solange fortgesetzt werden bis die Wärmekraftmaschine An angehalten wird und die gesamte Wärme nur für Heizungszwecke genutzt wird.In order to use the residual heat of the hot gases after leaving the last heat engine A1 for heating purposes, it is passed through the primary side of a heat exchanger 35. Heating water for district heating 36 is circulated through the secondary side of the heat exchanger. If more heat is needed for heating purposes than the residual heat in the hot gases 30 after the last heat engine An, the last heat engine A1 can be stopped, so that the heat can pass unused. If this is insufficient for the heat demand, then the second-to-last thermal engine A2 can be stopped. This can be continued until the heat engine is stopped on and the entire heat is used only for heating purposes.
Besonders in den ersten von den Heißgasen durchströmten Wärmekraftma- schinen A kann der Dampfdruck des dort befindlichen Arbeitsstoffes bei zu hohen Temperaturen so hoch ansteigen, dass es die Konstruktion der Wärmetauscher 1 schädigen kann, deshalb werden bei Anhalten der Wärmekraftmaschine A die Heißgase nicht durch die Wärmetauscher der Wärmekraftmaschine geführt sondern durch Umschaltklappen mit Antrieb 34 an diesen vor- bei und direkt in den Wärmetauscher 35 gelenkt. Es befindet sich Umschaltklappen mit Antrieb 34 vor jeder Wärmekraftmaschine A1 womit die Heißgase an den nachfolgenden Wärmekraftmaschinen A vorbeigeleitet werden kann um die Wärme für andere Zwecke verwenden zu können.Particularly in the first heat engines A through which the hot gases pass, the vapor pressure of the working substance located there can rise so high at too high a temperature that it can damage the construction of the heat exchangers 1, so when the heat engine A stops, the hot gases will not pass through the heat exchangers led the heat engine but by Umschaltklappen with drive 34 at this vor- and directed directly into the heat exchanger 35. There is Umschaltklappen drive 34 before each heat engine A 1 with which the hot gases can be passed to the subsequent heat engines A to use the heat for other purposes.
Die Heißgase werden letztendlich einem Kamin 38 zugeführt. Soweit erforderlich kann auch eine Rauchgasreinigung 37 zwischen der Kraftwärmekopp- lungsanlage und Kamin 38 vorgesehen werden. Die einzelnen Wärmekraftmaschinen A - vergleiche Fig. 20 sind mit einem magnetisierten Koben 3 ausgestattet und deren Zylinder 2 ist mit einer elektrischen Spule 8 derart umschlossen, dass mit dem Kolben 3 ein elektrischer Strom durch Induktion erzeugt wird. Dadurch produziert jede Maschine A eine Art Wechselstrom jeweils mit unterschiedlichen Frequenzen. Dieser Strom wird über Gleichrichter 40 in Gleichstrom umgewandelt und in Akkumulatoren 42 gespeichert während gleichzeitig der Gleichstrom auch über einen Wechselrichter 43 in Wechselstrom mit Netzfrequenz umgeformt wird. Für jede Maschine A ist eine eigene Stromableitung 41 vorgesehen.The hot gases are finally fed to a chimney 38. If necessary, a flue gas cleaning 37 between the combined heat and power plant and chimney 38 can be provided. The individual heat engines A - compare Fig. 20 are equipped with a magnetized Koben 3 and the cylinder 2 is enclosed with an electric coil 8 such that the piston 3, an electric current is generated by induction. As a result, each machine A produces a type of alternating current, each with different frequencies. This current is converted into direct current via rectifier 40 and stored in accumulators 42 while at the same time the direct current is also converted via an inverter 43 into alternating current at mains frequency. For each machine A own power drainage 41 is provided.
Da die oben beschriebene Wärmekraftmaschine A in mehreren Varianten aufgeführt ist können bei dieser Art Kraftwärmekopplung auch verschiedene Varianten der Wärmekraftmaschine A zur Anwendung kommen. Es wäre z. B. vorteilhaft, wenn bei noch sehr hohen Temperaturen Wärmekraftmaschinen, welche entsprechend dem Stirlingkreisprozess betrieben werden, und bei niederen Temperaturen Wärmekraftmaschinen welche mit kombiniertem Stirling- Clausius-Rankine-Kreisprozess betrieben werden, eingesetzt werden. Since the heat engine A described above is listed in several variants, different variants of the heat engine A can be used in this type of cogeneration. It would be z. B. advantageous if at very high temperatures heat engines, which are operated according to the Stirling cycle, and at low temperatures heat engines which are operated with combined Stirling Clausius Rankine cycle, are used.

Claims

Patentansprüche claims
1. Wärmekraftmaschine, die durch vier Zustandsänderungen, nämlich1. Heat engine, by four state changes, namely
1 ) isochorische Wärmezufuhr, 2) isothermische Expansion,1) isochoric heat supply, 2) isothermal expansion,
3) isochorische Wärmeabfuhr,3) isochoric heat removal,
4) isothermische Kompression eines eingeschlossenen Arbeitsgases zwischen zwei Temperaturebenen Arbeit verrichtet, und folgendes aufweist: mindestens drei Wärme- Überträger (1A, 1B und 1 C), die jeweils nur eine Verbindung insbesondere ein Verbindungsrohr (4A, 4B, und 4C) zu einem Arbeitszylinder (2) aufweisen und wobei die Verbindungen jeweils mit einem Ventil (5A, 5B oder 5C) ausgestattet sind und wobei die Wärmeüberträger (1A, 1 B und 1C) abwechselnd von einem Heizmedium und Kühlmedium umströmt werden.4) isothermal compression of an enclosed working gas between two temperature planes, and comprising: at least three heat exchangers (1A, 1B and 1C) each having only one connection, in particular a connecting tube (4A, 4B, and 4C) to a working cylinder (2) and wherein the connections are each equipped with a valve (5A, 5B or 5C) and wherein the heat exchangers (1A, 1B and 1C) are alternately flowed around by a heating medium and cooling medium.
2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 , wobei die Wärmeüberträger (1A, 1B und 1C), die Verbindungsrohre (4A, 4B, und 4C) und der Arbeitszylinder (2) mit einem Arbeitsgas gefüllt sind und im Arbeitszylin- der (2) sich ein frei beweglicher Kolben (3) befindet, der durch die Expansion und Kompression des Arbeitsgases Arbeit verrichtet.2. Heat engine according to claim 1, wherein the heat exchanger (1A, 1B and 1C), the connecting pipes (4A, 4B, and 4C) and the working cylinder (2) are filled with a working gas and in the working cylinder (2) is a free movable piston (3), which performs work by the expansion and compression of the working gas.
3. Wärmekraftmaschine nach Ansprüche 1 bis 3 wobei das Arbeitsgas in einem ersten der Wärmeüberträger (1A) von einer externern Quelle auf die obere Temperaturebene aufgewärmt wird und durch Öffnen des zugehörigen ersten Ventils (5A) das Gas bei anhaltender Wärmezufuhr in den Arbeitszylinder (2) expandieren kann und dort Arbeit verrichtet, wobei nach Abschluss des Expansionsvorganges selbiges Ventil (5A) wieder schließt und nachfolgend der erste Wärmeüberträger (1A) bei geschlossenem Ventil (5A) von der externen Quelle auf die untere3. Heat engine according to claims 1 to 3 wherein the working gas is warmed in a first of the heat exchanger (1A) from an external source to the upper temperature level and by opening the associated first valve (5A) the gas at sustained heat input into the working cylinder (2) can expand and perform work there, after completion of the expansion process same valve (5A) closes again and subsequently the first heat exchanger (1A) with the valve closed (5A) from the external source to the lower
Temperaturebene abgekühlt wird. Temperature level is cooled.
4. Wärmekraftmaschine nach Ansprüche 1 bis 3 wobei das Arbeitsgas in einem anderen zweiten Wärmeüberträger (1B) zeitlich versetzt gegenüber dem ersten Wärmeübertrager auf die untere Temperaturebene abgekühlt wird und nach Öffnen diesem Wärmeüberträger (1B) zuge- ordneten 2.Ventils (5B), komprimiert wird, bei gleichzeitiger Wärmeabfuhr, wobei das vorher expandierte Arbeitsgas aus dem Arbeitszylinder (2) in den zweiten Wärmeüberträger (1B) strömt und dabei wiederum Arbeit am Arbeitskolben (3) verrichtet, wobei bei Abschluss des Kompressionsvorganges im Wärmeüberträger (1B) das diesem Wärmeüber- träger (1 B) zugeordnete zweite Ventil (5B) schließt, und bei geschlossenem zweiten Ventil (5B) der Wärmeüberträger (1B) im weiteren Verlauf auf die obere Temperaturebene aufgewärmt wird.4. Heat engine according to claims 1 to 3 wherein the working gas is cooled in a different second heat exchanger (1B) offset in time relative to the first heat exchanger to the lower temperature level and compressed after opening this heat exchanger (1B) associated 2.Ventils (5B) is, with simultaneous heat dissipation, wherein the previously expanded working gas flows from the working cylinder (2) in the second heat exchanger (1B), and in turn doing work on the working piston (3), wherein at the conclusion of the compression process in the heat exchanger (1B) that this heat transfer carrier (1 B) associated second valve (5B) closes, and with closed second valve (5B) of the heat exchanger (1B) is heated in the further course to the upper temperature level.
5. Wärmekraftmaschine nach Ansprüche 1 bis 4, wobei das Arbeitsgas in einem weiteren dritten Wärmeüberträger (1C) von der externen Quelle auf die obere Temperaturebene zeitlich versetzt angehoben wird und nach Öffnen dem Wärmeüberträger (1C) zugeordneten dritten Ventils (5C), expandiert, bei gleichzeitiger Wärmezufuhr, wobei das vorher komprimierte Arbeitsgas aus dem dritten Wärmeüberträger (1C) in den Arbeitszylinder (2) fließt und Arbeit verrichtet und nachfolgend der dritte Wärmeüberträger (1C) bei geschlossenem dritten Ventil (5C) von der externen Quelle auf die untere Temperaturebene abgekühlt wird.5. A heat engine according to claims 1 to 4, wherein the working gas in a further third heat exchanger (1C) is raised in time from the external source to the upper temperature level and after opening the heat exchanger (1C) associated third valve (5C), expanded at simultaneous supply of heat, wherein the previously compressed working gas from the third heat exchanger (1C) in the working cylinder (2) flows and performs work and then the third heat exchanger (1C) is cooled with the third closed valve (5C) from the external source to the lower temperature level ,
6. Wärmekraftmaschine nach Ansprüchen 1 - 5, wobei das eingeschios- sene Arbeitsgas im ersten Wärmeüberträger (1A) inzwischen auf die niedere Temperaturebene abgekühlt ist und beim Öffnen des ersten Ventils, welches dem ersten Wärmeüberträger (1A) zugeordnet ist, (5A) sich komprimiert und während des Kompressionsvorganges vom ersten Wärmeüberträger (1A) Wärme abgeführt wird, wobei im Arbeits- zylinder (2) durch die Kompression Arbeit verrichtet wird, und nach6. Heat engine according to claims 1-5, wherein the ein¬ Ssen working gas in the first heat exchanger (1A) is now cooled to the lower temperature level and when opening the first valve, which is associated with the first heat exchanger (1A), (5A) is compressed and heat is dissipated by the first heat exchanger (1A) during the compression process, wherein work is performed in the working cylinder (2) by the compression, and after
Schließen des ersten Ventils (5A) der erste Wärmeüberträger (1A) wieder aufgewärmt wird, wobei in gleicher Weise beim Öffnen des entsprechenden zweiten Ventils (5B), aus dem inzwischen aufgewärmten zweiten Wärmeüberträger (1B) eine Expansion des Arbeitsgases gefolgt von einer Kompression im inzwischen gekühlten dritten Wärmeüberträger (1C) erfolgt.Closing of the first valve (5A), the first heat exchanger (1A) is reheated, in the same way when opening the corresponding second valve (5B), from the now warmed up second heat exchanger (1B) an expansion of the working gas followed by a compression in the meantime cooled third heat exchanger (1C) takes place.
7. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 , wobei zum Aufwärmen und Abkühlen des Arbeitsmediums für das bestimmte Heiz- oder Kühlmedium geeignete Wärmeüberträger (1) eingesetzt werden.7. Heat engine according to claim 1, wherein for warming and cooling of the working medium for the particular heating or cooling medium suitable heat exchanger (1) are used.
8. Wärmekraftmaschine nach Ansprüchen 1 bis 7, wobei die Ventile (5A, 5B und 5C) über eine Nockenwelle (6), elektrischem Antrieb oder ähnliche Ventilsteuerung (6) in bestimmter Reihenfolge und bestimmtem Rhythmus geöffnet und geschlossen werden.8. A heat engine according to claims 1 to 7, wherein the valves (5A, 5B and 5C) via a camshaft (6), electric drive or similar valve control (6) are opened and closed in a certain order and a certain rhythm.
9. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei jedoch zur Übertragung der Arbeit, der Arbeitskolben (3) mit permanent oder erregten Magneten (7) magnetisiert ist und der Arbeitszylinder (2) in einer solchen Weise mit einer elektrischen Spule (8) umschlossen wird, dass durch die Bewegungen des Arbeitskolbens (3) Strom erzeugt wird, d.h. die Arbeit des Kolbens (3) wird direkt in elektrischen Strom umgesetzt.9. A heat engine according to any one of claims 2 to 8, wherein, however, for transmitting the work, the working piston (3) with permanent or energized magnet (7) is magnetized and the working cylinder (2) in such a manner with an electric coil (8) is enclosed, that by the movements of the working piston (3) electricity is generated, ie the work of the piston (3) is converted directly into electricity.
10. Wärmekraftmaschine nach Ansprüchen 1 bis 9, wobei ein Druckausgleichsbehälter (9) am Arbeitszylinder (2) angeschlossen ist, und zwar auf der gegenüberliegenden Seite zu Anschlüssen der Arbeitszylinder.10. Heat engine according to claims 1 to 9, wherein a pressure equalization tank (9) on the working cylinder (2) is connected, on the opposite side to terminals of the working cylinder.
11. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 10, wobei der Druckausgleichbehälter (9) mit dem gleichen Arbeitsgas gefüllt ist wie die Wärmeüberträger (1).11. Heat engine according to claim 10, wherein the surge tank (9) is filled with the same working gas as the heat exchanger (1).
12. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 10, wobei der Druck im Ausgleichsbehälter (9) dem Ruhedruck in den Wärmeübertragern (1A, 1B, 1 C) angeglichen wird. 12. Heat engine according to claim 10, wherein the pressure in the expansion tank (9) is adapted to the static pressure in the heat exchangers (1A, 1B, 1 C).
13. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 10, wobei die Wärmekraftmaschine bei jedem geeigneten Druck des Arbeitsgases, unabhängig vom atmosphärischen Druck, betrieben werden kann.13. A heat engine according to claim 10, wherein the heat engine at each suitable pressure of the working gas, regardless of the atmospheric pressure, can be operated.
14. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 , mit einer beliebigen ungeraden Anzahl von Wärmeüberträgern, die mit Verbindungsrohren (4) nebst Ventilen (5), an denselben Arbeitszylinder (2) angeschlossen sind.14. Heat engine according to claim 1, with an arbitrary odd number of heat exchangers, which are connected with connecting tubes (4) together with valves (5) to the same working cylinder (2).
15. Wärmekraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, wobei mit gleiche ungerade Anzahl von Wärmeüberträgern (1),15. Heat engine according to one or more of claims 1 to 14, wherein with the same odd number of heat exchangers (1),
Ventilen (5) und Verbindungen bzw. Verbindungsrohren (4) an beiden Seiten des Arbeitszylinders (2) angeschlossen sind, und wobei die Periode eines Kreislaufes auf beiden Arbeitszylinderseiten identisch ist und die beiderseits angeordneten Ventile (5) so gesteuert werden, dass eine Kompression auf der einen Seite und zur gleichen Zeit eineValves (5) and connecting pipes (4) are connected to both sides of the working cylinder (2), and wherein the period of a cycle on both sides of the working cylinder is identical and the valves (5) arranged on both sides are controlled so that a compression one side and one at the same time
Expansion auf der anderen Seite erfolgt.Expansion on the other side takes place.
16. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 15, mit einer beliebigen ungeraden Anzahl von Wärmeüberträgern (1 ), Verbindungen insbesondere Verbindungsrohren (4) und dazu gehörenden Ventilen(5), die an beiden16. A heat engine according to claim 15, with an arbitrary odd number of heat exchangers (1), compounds in particular connecting tubes (4) and associated valves (5), at both
Seiten an denselben Arbeitszylinder (2) angeschlossen sind.Pages are connected to the same cylinder (2).
17. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 , bei der jedoch das Heiz- und Kühlmedium die, dem Arbeitszylinder (2) genau gegenüberliegenden, Wärmeüberträger (1 ) gleichzeitig durchströmt.17. Heat engine according to claim 1, wherein, however, the heating and cooling medium flows through the, the working cylinder (2) exactly opposite, the heat exchanger (1) simultaneously.
18. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei eine Anordnung aus mehreren Arbeitszylindern (2), Kolben (3), Verbindungen (4), Ventilen (5) und Ventilsteuerungen (6) besteht, die alle parallel an eine beliebige Anzahl gemeinsamer Wärmeüberträger (1 ) geschaltet sind. 18. Heat engine according to one of claims 1 to 16, wherein an arrangement of a plurality of working cylinders (2), piston (3), connections (4), valves (5) and valve controls (6), all of which are parallel to any number of common Heat exchanger (1) are connected.
19. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 15, wobei ein Arbeitsgas eingesetzt wird, dessen Siedepunkt bei entsprechend gewähltem Druck zwischen dem unteren und oberen Temperaturniveau liegt, damit eine Kondensation während der isochorischen Wärmeentnahme und Kom- pression und eine Verdampfung während der isochorischen Wärmezuführung und Expansion, stattfindet.19. A heat engine according to claim 15, wherein a working gas is used, the boiling point is at a correspondingly selected pressure between the lower and upper temperature level, so that a condensation during isochoric heat extraction and compression and evaporation during the isochoric heat supply and expansion, takes place.
20. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 15, bei der die Wärmeüberträger (1) alle sternförmig um die Längsachse des Arbeitszylinders (2) ange- ordnet sind und die Verbindungsrohre (4) abwechselnd an beiden Seiten des Arbeitszylinders (2) angeschlossen sind wobei die Wärmeüberträger (1) starr mit dem Arbeitszylinder (2) verbunden sind und sich mit demselben um die gemeinsame Längsachse drehen, sodass die einzelnen Wärmeüberträger (1) während einer Hälfte der Umdre- hung durch das Kühlmedium und während der anderen Hälfte der Umdrehung durch das Heizmedium geführt werden.20. A heat engine according to claim 15, wherein the heat exchanger (1) are all arranged in a star shape around the longitudinal axis of the working cylinder (2) and the connecting pipes (4) alternately on both sides of the working cylinder (2) are connected wherein the heat exchanger (1 ) are rigidly connected to the working cylinder (2) and rotate with the same about the common longitudinal axis, so that the individual heat exchanger (1) during one half of the rotation through the cooling medium and during the other half of the rotation through the heating medium.
21. Wärmekraftmaschine nach Anspruch (20) wobei die Wärmeüberträger (1) als Strahlungsabsorber flach ausgebildet sind und die Form eines Scheibensegmentes haben, und kranzförmig so um die Längsachse des Arbeitszylinders (2) ausgerichtet sind, dass eine Scheibe entsteht, wobei sie mit einer Strahlungsabsorbierenden Oberfläche ausgestattet sind und wobei sie auch für Kühlung durch Konvektion ausgebildet sind, da die aufgenommene Wärme wieder an die Umgebung abgege- ben werden muss, wobei Wärmeüberträger (1), Verbindungsrohre (4) und Ventile (5) starr mit dem Arbeitszylinder (2) verbunden sind und sich mit demselben um die gemeinsame Mittelachse drehen.21. Heat engine according to claim (20) wherein the heat exchanger (1) are formed as a radiation absorber flat and have the shape of a disk segment, and are aligned in a ring around the longitudinal axis of the working cylinder (2), that a disc is formed, wherein they are absorbed by a radiation Where they are also designed for cooling by convection, since the absorbed heat must be returned to the environment, wherein the heat exchanger (1), connecting pipes (4) and valves (5) rigidly connected to the working cylinder (2) are connected and rotate with the same about the common center axis.
22 Wärmekraftmaschine nach Anspruch 21 , wobei die Hälfte der Wärme- Überträger (1) der Strahlung ausgesetzt werden, während die andere22 heat engine according to claim 21, wherein the half of the heat transfer (1) of the radiation are exposed, while the other
Hälfte der Wärmeüberträger (1) beschattet wird. Half of the heat exchanger (1) is shaded.
23 Wärmekraftmaschine nach Anspruch 21 , wobei die Beschattung aus verschiedenen Schichten aufgebaut ist, und die, der Strahlungsquelle zugewandte, Seite eine reflektierende Oberfläche (23) (z.B. Spiegel) erhält, wobei danach eine Isolierschicht (21) und auf der Rückseite ei- ne Schicht (24) mit grauer oder dunkler Oberfläche folgt, welche die23 heat engine according to claim 21, wherein the shading is constructed of different layers, and the, the radiation source facing side receives a reflective surface (23) (eg mirror), wherein thereafter an insulating layer (21) and on the back of a ne (24) follows with gray or dark surface, which the
Abstrahlung der Wärmeüberträger (1) nach Beschattung absorbiert und zu der Abführung der Wärme durch Konvektion beiträgt.Radiation of the heat exchanger (1) absorbed after shading and contributes to the dissipation of heat by convection.
24. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 21 , wobei die Wärmeüberträger (1), welche der Strahlung ausgesetzt sind, durch eine Einhausung vor24. Heat engine according to claim 21, wherein the heat exchanger (1), which are exposed to the radiation, through an enclosure before
Verlust durch Konvektion und Strahlung geschützt sind, und wobei die Einhausung von vorne (der Strahlungsquelle zugewandten Seite) mit einem Glas (19), seitlich und hinten mit einer mehrschichtigen Abdeckung (20 bis 22) ausgeführt ist, wobei femer die innere, den Wärme- Überträgern 1 zugewandte Schicht (22) dieser Abdeckung gewellt und reflektierend ist, während die mittlere (21) Schicht eine Isolierschicht und die nach außen gewandte Schicht (20) eine Wetterschutzschicht ist.Loss are protected by convection and radiation, and wherein the housing from the front (the radiation source facing side) with a glass (19), laterally and in the back with a multi-layer cover (20 to 22) is executed, in which further the inner, the heat Transducers 1 facing layer (22) of this cover is corrugated and reflective, while the middle (21) layer is an insulating layer and the outwardly facing layer (20) is a weatherproof layer.
25. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 21 , wobei die Wärmeüberträger (1) um den Mittelpunkt des Absorberkranzes rotieren, und jeder Wärmeüberträger (1) dabei abwechselnd die Beschattung und Einhausung passiert, wobei sie dadurch abwechselnd durch die Strahlung aufgeheizt und, während der Beschattung, durch Abgabe der Wärme an die Umgebung, wieder abgekühlt werden.25. Heat engine according to claim 21, wherein the heat exchanger (1) rotate about the center of the absorber ring, and each heat exchanger (1) alternately passes the shading and enclosure, thereby alternately heated by the radiation and, during shading, by delivery the heat to the environment, to be cooled again.
26. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 21 , wobei die Ventile (5) so gesteuert werden, dass abwechselnd ein gekühlter und erwärmter Wärmeüberträger (1) mit dem Arbeitszylinder (2) verbunden werden, um durch Expansion oder Kompression Arbeit zu verrichten.A heat engine according to claim 21, wherein the valves (5) are controlled to alternately connect a cooled and heated heat exchanger (1) to the power cylinder (2) to perform work by expansion or compression.
27. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 15 und Anspruch 21 , und zwar mit ungerader Anzahl Wärmeüberträgern 1 , die jeweils abwechselnd auf der einen und anderen Seite des Arbeitszylinders (2) angeschlossen sind.27. Heat engine according to claim 15 and claim 21, with an odd number of heat exchangers 1, each alternately on the one and the other side of the working cylinder (2) are connected.
28. Wärmekraftmaschine mit externer Wärmequelle und mindestens 3 Wärmeüberträgern 1 mit eingeschlossenem Arbeitsgas, welche abwechselnd gekühlt und beheizt werden, wobei die thermodynamischen Zustandsänderungen in jedem Wärmeüberträger (1) in Zusammenhang mit einem Arbeitszylinder (2) und Ventilsteuerung (5) und (6) a) isochorische Wärmezufuhr, b) isothermische Expansion, c) isochori- sehe Wärmeabfuhr und d) isothermische Kompression sind, und wobei die nacheinander folgenden Zustandsänderungen: Expansion und Kompression nicht mit ein demselben Arbeitsgas stattfinden, und wobei nach der Expansion aus einem gewärmten Wärmeüberträger (1 ) in den Arbeitszylinder (2) eine Kompression in einem anderen gekühlten Wärmeüberträger (1) folgt, und Expansion und Kompression mittels28. Heat engine with external heat source and at least 3 heat exchangers 1 with trapped working gas, which are alternately cooled and heated, the thermodynamic state changes in each heat exchanger (1) in connection with a working cylinder (2) and valve control (5) and (6) a is) isochoric heat supply, b) isothermal expansion, c) isochoric heat removal and d) isothermal compression, and wherein the successive state changes: expansion and compression do not take place with a same working gas, and wherein after expansion from a heated heat exchanger (1 ) in the working cylinder (2) is followed by a compression in another cooled heat exchanger (1), and expansion and compression means
Ventile zwischen einzelnen Wärmeüberträgern (1) und Arbeitszylinder (2) in Abhängigkeit vom Heiz-/Kühlvorgang ausgelöst werden.Valves between individual heat exchangers (1) and working cylinder (2) are triggered depending on the heating / cooling process.
29. Wärmekraftmaschine mit mindestens 3 oder mehr geschlossenen Wär- meüberträgern 1 , die zusammen mit einem gemeinsamen Zylinder (2) und Arbeitskolben (3) Arbeit verrichten, wobei in jedem Wärmeüberträger (1 ) mit Arbeitszylinder (2) und Arbeitskolben (3), ein eigener Stir- lingkreisprozess, zeitlich versetzt gegenüber dem anderen Wärmeüberträger, (1 ) stattfindet.29. Heat engine with at least 3 or more closed heat transfer 1, the work together with a common cylinder (2) and working piston (3), wherein in each heat exchanger (1) with working cylinder (2) and working piston (3), a own Stirlingkreisprozess, offset in time compared to the other heat exchanger, (1) takes place.
30. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 28, wobei die einzelnen Kreisprozesse durch den Einsatz von Ventilen (5) voneinander getrennt werden.30. Heat engine according to claim 28, wherein the individual cycle processes by the use of valves (5) are separated from each other.
31. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 28 bei der der Wärmeüberträger (1 ) einen geschlossenen Raum bildet in dem sich ein Arbeitsstoff befindet, der weiterhin für einen optimierten Wärmeaustausch zwischen Arbeitsstoff und Umgebung konstruiert ist, wobei ein Teil des Wärme- Überträgers (1) von dem anderen Teil thermisch, durch dazwischen eingebaute Isolierschischicht (25), entkoppelt ist, wobei ein Teil gekühlt und der andere beheizt wird, wobei eine mechanische Schließvorrichtung (26) zwischen dem gekühlten und beheizten Teil eingebaut ist, um den eingeschlossenen Raum des Wärmeüberträgers (1 ) bei Bedarf in zwei Räume zu unterteilen, wobei eine Anschlussöffnung in der Wand des gewärmten Teiles des Wärmüberträgers (1) existiert, durch welche der Arbeitsstoff ein- und aus strömen kann.31. Heat engine according to claim 28, in which the heat exchanger (1) forms a closed space in which a working substance is, which is further designed for an optimized heat exchange between the working substance and the environment, wherein a part of the heat Transducer (1) is thermally decoupled from the other part by an insulating layer (25) built in between, one part cooled and the other heated, with a mechanical closing device (26) installed between the cooled and heated part to enclose the enclosed one Divide space of the heat exchanger (1), if necessary, into two spaces, with a connection opening in the wall of the heated part of the heat exchanger (1) exists, through which the working fluid can flow in and out.
32. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 31 , bei der eine beliebige Anzahl Wärmeüberträger (1) sternförmig und symmetrisch um einen Arbeitszylinder (2) angeordnet und starr mit ihm verbunden sind, wobei die Anschlussöffnungen der Wärmeüberträger (1) mit dem Arbeitszylinder (2) über Verbindungen bzw. Verbindungsrohre (4) verbunden sind, damit ein Austausch des Arbeitsgases zwischen beiden möglich ist, wobei eine Hälfte der Wärmeüberträger (1 ) an der Stirnseite des Arbeitszylinders (2), die andere Hälfte an der anderen, der Stirnseite gegenüberliegenden Seite angeschlossen sind, wobei immer abwechselnd ein Wärmeüberträger (1) an der einen der nächste an der anderen Seite angeschlossen ist, wobei sich Ventile (5) in den Verbindungen (4) zwischen Wärmeüberträger (1) und Arbeitszylinder (2) befinden, die über eine Ventilsteuerung (6) nach Anspruch 2 geöffnet und geschlossen werden, während sich Arbeitszylinder (2) Wärmeüberträger, (1) Verbindungsrohre (4) und Ventile um die Längsachse des Arbeitszylinders (2) als Rotor drehen.32. A heat engine according to claim 31, in which any number of heat exchangers (1) are arranged in a star shape and symmetrically about a working cylinder (2) and rigidly connected to it, wherein the connection openings of the heat exchangers (1) to the working cylinder (2) via connections or Connecting pipes (4) are connected so that an exchange of the working gas between the two is possible, wherein one half of the heat exchanger (1) on the front side of the working cylinder (2), the other half are connected to the other, the front side opposite side, wherein always alternately a heat exchanger (1) is connected to one of the next on the other side, wherein valves (5) in the connections (4) between the heat exchanger (1) and working cylinder (2) are located, which via a valve control (6) can be opened and closed according to claim 2, while working cylinder (2) heat exchanger, (1) connecting pipes (4) and Ven Tile around the longitudinal axis of the working cylinder (2) rotate as a rotor.
33. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 32, wobei ein Arbeitsgas eingesetzt wird, dessen Siedepunkt bei entsprechend gewähltem Druck zwischen dem unteren und oberen Temperaturniveau liegt, damit eine Kondensation während der isochorischen Wärmeentnahme und Kompression und eine Verdampfung während der isochorischen Wärmezuführung und Expansion stattfindet. 33. A heat engine according to claim 32, wherein a working gas is used, the boiling point is at a correspondingly selected pressure between the lower and upper temperature levels, so that condensation during isochoric heat extraction and compression and evaporation takes place during the isochoric heat supply and expansion.
34. Wärmekraftmaschine mit Wärmeüberträgern (1) nach Anspruch 32, wobei der gekühlte Teil der Wärmeüberträger (1 ) sich auf der Außenseite während der beheizte Teil sich auf der Innenseite (zum Arbeitszylinder (2) hin) befindet, wobei der gekühlte Teil über die Hälfte des Um- fanges mit einem Kühlmedium gekühlt und der beheizte Teil über die gegenüberliegende Hälfte des Umfanges beheizt wird, während der Rotor (bestehend aus Wärmeüberträger (1 ), Arbeitszylinder (2) mit Kolben (3), Verbindungsrohren (4) und Ventilen (5)) rotiert.34. Heat engine with heat exchangers (1) according to claim 32, wherein the cooled part of the heat exchanger (1) is on the outside while the heated part on the inside (to the working cylinder (2) out), wherein the cooled part over half cooled with a cooling medium and heated the heated part over the opposite half of the circumference, while the rotor (consisting of heat exchanger (1), working cylinder (2) with piston (3), connecting tubes (4) and valves (5 )).
35. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 32, bei der das Ventil (5) zwischen jedem Wärmeüberträger (1) und Arbeitszylinder (2) während einer Umdrehung des Rotors zweimal geöffnet und geschlossen wird, einmal während des Kühlvorganges und einmal während des Heizvorganges.35. A heat engine according to claim 32, wherein the valve (5) between each heat exchanger (1) and working cylinder (2) during a revolution of the rotor is opened and closed twice, once during the cooling process and once during the heating process.
36. Wärmekraftmaschine, nach Anspruch 32, bei der die Verbindungen zwischen den gekühlten und beheizten Teilen der Wärmeüberträger (1 ), mit einer Schließvorrichtung (26) während des Heizvorganges, geschlossen werden.36. A heat engine according to claim 32, wherein the connections between the cooled and heated parts of the heat exchanger (1), with a closing device (26) during the heating process, are closed.
37. Wärmekraftmaschine, nach Ansprüchen 31 bis 36, bei der mittels Umwälzung des Heiz- und Kühlmediums die innere Wärme des Materials des beheizten Teils der Wärmeüberträger (1 ), innerhalb eines Segmentes kurz nach Abschluss des Heizvorganges, genutzt wird, um den ge- kühlten Teil der Wärmeüberträger (1 ), innerhalb eines Segmentes kurz nach Abschluss des Kühlvorganges, aufzuwärmen, um eine Kondensation im gekühlten Teil während der Beheizung des beheizten Teiles zu minimieren.37. A heat engine according to claims 31 to 36, wherein by means of circulation of the heating and cooling medium, the internal heat of the material of the heated part of the heat exchanger (1), within a segment shortly after completion of the heating process is used to the cooled Heat part of the heat exchanger (1), within a segment shortly after completion of the cooling process, to minimize condensation in the cooled part during heating of the heated part.
38. Wärmekraftmaschine, nach Ansprüche 31 bis 37, jedoch ohne Arbeitszylinder (2) und Kolben (3), wobei die Ventile (5) aller Wärmeüberträger (1) von einer einzigen Ventilsteuerung (6) angesteuert werden, wobei die Wärmeüberträger (1) beim Öffnen der ihnen zugeordneten Ven- tile (5) mit einer Rotationskraftmaschine verbunden sind, welche die Druckdifferenz zwischen zwei Druckebenen eines Gases nutzt um Arbeit zu verrichten, wobei die Verbindung in der die Expansion stattfindet mit der Hochdruckseite und die Verbindung in der die Kompression stattfinden mit der Niederdruckseite der Rotationskraftmaschine verbunden ist, wobei ein Teil der Rotationsenergie der Rotationskraftmaschine über ein Getriebe als Antrieb dieser Wärmekraftmaschine genutzt werden kann.38. Heat engine, according to claims 31 to 37, but without working cylinder (2) and piston (3), wherein the valves (5) of all heat exchangers (1) by a single valve control (6) are driven, wherein the heat exchanger (1) during Opening their assigned venues Tile (5) are connected to a rotary engine, which uses the pressure difference between two pressure planes of a gas to do work, the connection in which the expansion takes place with the high pressure side and the connection in which the compression takes place connected to the low pressure side of the rotary engine wherein a part of the rotational energy of the rotary engine can be used via a transmission as a drive of this heat engine.
39. Wärmekraftmaschine, nach Ansprüchen 31 bis 37 wobei die beheizten Teile der Wärmeüberträger (1 ) als Strahlungsabsorber ausgebildet sind, wobei die beheizten Teile der Wärmeüberträger (1 ) flach sind und die Form eines Scheibensegmentes haben, und kranzförmig so um einen Mittelpunkt ausgerichtet, dass eine Scheibe gebildet wird, wobei sie mit einer strahlungsabsorbierenden Oberfläche ausgestattet sind, wobei diese Strahlungsabsorber gegen Verluste durch Konvektion und Abstrahlung mittels geeignete Maßnahmen gemäß Anspruch 24 geschützt sind.39. Heat engine, according to claims 31 to 37 wherein the heated parts of the heat exchanger (1) are designed as radiation absorbers, wherein the heated parts of the heat exchanger (1) are flat and have the shape of a disk segment, and aligned in a ring around a center that a disc is formed, wherein they are equipped with a radiation-absorbing surface, these radiation absorbers are protected against losses by convection and radiation by means of suitable measures according to claim 24.
40. Wärmekraftmaschine nach Ansprüchen 31 bis 36 mit mindestens 3 o- der mehr geschlossenen Wärmeüberträgern 1 , die zusammen mit einem gemeinsamen Arbeitszylinder (2) und Arbeitskolben (3) Arbeit verrichten, wobei in jedem Wärmeüberträger (1) mit Arbeitszylinder (2) und Arbeitskolben (3) ein eigener Stirlingkreisprozess, kombiniert mit einen Clausius-Rankine ähnlichem Kreisprozess, zeitlich versetzt gegenüber den anderen Wärmeüberträgern (1 ), stattfindet.40. The heat engine according to claims 31 to 36 with at least 3 o more closed heat exchangers 1, which perform work together with a common working cylinder (2) and working piston (3), wherein in each heat exchanger (1) with working cylinder (2) and working piston (3) a separate Stirling cycle, combined with a Clausius-Rankine similar cycle, with a time offset from the other heat exchangers (1) takes place.
41. Wärmekraftmaschine nach Ansprüchen 31 bis 36 deren Wirkungsweise auf folgenden Zustandsänderungen in einem Kreisprozess beruht: 1. isochorischer Wärmeentzug, 2. isobarische Verflüssigung, 3. isothermischer Kompression, 4. isochorische Wärmezuführung, 5. isobarische Verdampfung und 6. isothermische Expansion. 41. The heat engine according to claims 31 to 36 whose operation is based on the following state changes in a cyclic process: 1. isochoric heat extraction, 2. isobaric liquefaction, 3. isothermal compression, 4. isochoric heat supply, 5. isobaric evaporation and 6. isothermal expansion.
42. Kraftanlage mit Wärmeauskopplung bei der eine beliebige Anzahl Wärmekraftmaschinen (A) gemäß obigem Beschrieb, welche in Reihe hintereinander geschaltet sind, wobei das Heizmedium (30), welches aus Verbrennungsgasen (30) eines Verbrennungsprozesses besteht, die einzelnen Wärmekraftmaschinen (A) kaskadenartig nacheinander durchströmt, wobei die Temperatur des Heizmediums (30) beim Durchströmen der Wärmeüberträger (1) der Wärmekraftmaschinen (An bis A1 ) abnimmt und wobei das Kühlmedium (22), welches aus Umgebungsluft oder sonstiger Luft besteht, dieselben Wärmekraftmaschinen (A1 bis An) in entgegengesetzter Richtung und in umgekehrter Reihenfolge kaskadenartig durchströmt, wobei die Kühlmediumtemperatur beim Durchströmen der Wärmeüberträger (1 ) der Wärmekraftmaschinen (A) zunimmt, wobei eine. Temperaturdifferenz zwischen dem Heiz und Kühlmedium mehr oder weniger erhalten bleibt und jede Wärme- kraftmaschine (A) Arbeit verrichtet und durch sie elektrischen Strom erzeugt, wobei das Kühlmedium nach Austreten aus der letzten Wärmekraftmaschine (A) der Kaskade als Verbrennungsluft (30) in einem Verbrennungsprozess verwendet wird und wobei das Heizmedium (30) nach Austritt aus der letzten Wärmekraftmaschine (An) in der Kaskade für Heizungszwecke oder sonstige Wärmeverbraucher genutzt wird.42. Power plant with heat extraction in the any number of heat engines (A) according to the above description, which are connected in series, wherein the heating medium (30), which consists of combustion gases (30) of a combustion process, the individual heat engines (A) cascade successively flows through, wherein the temperature of the heating medium (30) when flowing through the heat exchanger (1) of the heat engines (to A1) decreases and wherein the cooling medium (22), which consists of ambient air or other air, the same heat engines (A1 to An) in opposite Direction and in the reverse sequence flows through a cascade, wherein the cooling medium temperature when flowing through the heat exchanger (1) of the heat engine (A) increases, with a. Temperature difference between the heating and cooling medium is more or less maintained and each heat engine (A) performs work and generated by them electrical power, the cooling medium after exiting the last heat engine (A) of the cascade as combustion air (30) in a combustion process is used and wherein the heating medium (30) after exiting the last heat engine (An) is used in the cascade for heating purposes or other heat consumers.
43 Kraftwärmekopplungsanlage, nach Anspruch 42, jedoch ohne Verbrennungsprozess bei der die Abwärme aus anderen Prozessen benutzt wird.43 combined heat and power plant, according to claim 42, but without combustion process in which the waste heat from other processes is used.
44. Kraftwärmekopplungsanlage, nach Anspruch 42, bei der verschiedene Varianten der, in Patentansprüchen 1 bis 41 beschriebenen Wärmekraftmaschine (A) eingesetzt werden. 44. Combined heat and power plant, according to claim 42, in which different variants of the heat engine (A) described in claims 1 to 41 are used.
45. Eine Kraftanlage mit Wärmeauskopplung, bei welcher der Strom mit einer beliebigen Anzahl, der oben beschriebenen und in den Figuren 1 bis 18 dargestellten Wärmekraftmaschinen (A)erzeugt wird, wird aufgezeigt. Die Wärmekraftmaschinen (A) werden in Reihe geschaltet und mit dem Kühlmedium (22) und Heizmedium (30) im Gegenstromprinzip durchströmt. Das aufgewärmte Kühlmedium (22) wird nach Austreten aus der letzten Wärmekraftmaschine als Verbrennungsluft genutzt. Das aus der in der Gegenrichtung letzten Wärmekraftmaschine (A) austretende Heizmedium (30) kann weiter für Heizungszwecke oder andere Wärmeverbraucher genutzt werden. 45. A power plant with heat extraction, in which the power is generated with any number of heat engines (A) described above and shown in Figures 1 to 18 is shown. The heat engines (A) are connected in series and with the cooling medium (22) and heating medium (30) flows through in countercurrent principle. The warmed cooling medium (22) is used after exiting the last heat engine as combustion air. The heating medium (30) emerging from the last heat engine (A) in the opposite direction can continue to be used for heating purposes or other heat consumers.
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