EP2179141A2 - Wärmekraftmaschine - Google Patents

Wärmekraftmaschine

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EP2179141A2
EP2179141A2 EP08801569A EP08801569A EP2179141A2 EP 2179141 A2 EP2179141 A2 EP 2179141A2 EP 08801569 A EP08801569 A EP 08801569A EP 08801569 A EP08801569 A EP 08801569A EP 2179141 A2 EP2179141 A2 EP 2179141A2
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EP
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propellant gas
expansion
propellant
fuel
space
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EP08801569A
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Harald Winkler
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Winkler Maschinen-Bau GmbH
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Individual
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Publication date
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    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/002—Supplying water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft
    • F01B9/047—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft with rack and pinion
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/04—Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas
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    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
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    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/24—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by pressurisation of the fuel before a nozzle through which it is sprayed by a substantial pressure reduction into a space
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    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
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    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
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    • F23D14/34—Burners specially adapted for use with means for pressurising the gaseous fuel or the combustion air
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    • F23D91/00—Burners specially adapted for specific applications, not otherwise provided for
    • F23D91/02—Burners specially adapted for specific applications, not otherwise provided for for use in particular heating operations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/03005—Burners with an internal combustion chamber, e.g. for obtaining an increased heat release, a high speed jet flame or being used for starting the combustion

Definitions

  • the present invention relates to a propellant gas generating device for generating a propellant gas under pressure for performing mechanical work and a method for operating such propellant gas generating device.
  • the present invention further relates to an expansion machine for converting an expansion of propellant gas under pressure into a mechanical movement, in particular into a rotary movement, and to a method for operating an expansion machine.
  • the invention relates to a heat engine for generating a mechanical movement using a fuel comprising a propellant gas generating device and an expansion engine, and a method for operating a heat engine.
  • the invention relates to a compressor for compressing a process gas, in particular air for use in a propellant gas generating device.
  • Heat engines are well known. Hereby, by burning a fuel, heat and a high-pressure propellant gas are basically generated. This propellant gas at high pressure is converted into a mechanical movement.
  • the mechanical efficiencies ie the ratio of mechanical energy contained in the mechanical movement, to the energy, the is contained by the combustion as heat and pressure in the propellant, is relatively poor and is usually below 50% or slightly above.
  • the object of the present invention is therefore to remedy the problems described as possible, or at least reduce.
  • the object of the present invention is to propose a heat engine which, in principle, enables better efficiency. At least an alternative machine should be presented.
  • a propellant gas generating device according to claim 1 is proposed.
  • Such a propellant gas generating device comprises amaschinegasdruckbenzol- ter for generating the propellant gas therein, and a combustion chamber for combusting a fuel for generating a fuel gas in which heat is generated by the combustion.
  • the fuel gas may then pass from the combustion chamber into the propellant pressure vessel, in addition to which secondary fuel, in particular water, is added to absorb the fuel gas heat.
  • secondary fuel liquid water, water vapor, compressed air or other suitable gas may be used.
  • this heat absorbs, which leads to an overall lowering of the temperature of the resulting propellant gas.
  • a cooling effect by a heat transfer from the fuel gas into the secondary fuel under Avoidance of energy dissipation.
  • the secondary fuel may also be referred to as a coolant, and the described process may be referred to as cooling, wherein cooling in the sense of heat removal from the system does not take place, but cooling by mixing.
  • the fuel gas together with the supplied secondary fuel then forms the propellant gas.
  • This propellant gas can then be forwarded, in particular while retaining a pressure, at least part of its pressure, from the propellant gas generating device for further use, namely conversion into mechanical movement.
  • the propellant gas generating device in particular the propellant gas pressure vessel, has at least one propellant gas outlet.
  • the secondary fuel is directly supplied to the fuel gas and mixed therewith.
  • the secondary fuel then forms a component of the propellant gas.
  • thermal energy is transferred from the fuel gas to the secondary fuel, whereby this thermal energy transferred to the secondary fuel is retained in the propellant, because the secondary fuel remains part of the propellant gas.
  • the combustion chamber is disposed in the propellant gas pressure vessel or forms part of the propellant gas pressure vessel.
  • the combustion chamber may be formed as a substantially closed space with corresponding combustion chamber walls, which is arranged in the LPG pressure vessel. The chamber outer walls are then in contact with an interior in the LPG pressure vessel. The combustion chamber then has an opening to the propellant pressure vessel interior, so that fuel gas can flow from the combustion chamber into the propellant gas pressure vessel. The heat of the combustion chamber can also be emitted via the chamber walls in the LPG pressure vessel.
  • the combustion chamber forms part of the propellant pressure vessel.
  • an interior of the combustion chamber is basically flowing into the interior of the propellant pressure vessel over.
  • the burner can be arranged, for example, at one end of a room and at a certain distance from the burner, the secondary fuel supply may be arranged. At an even further distance from the burner then an outlet opening for forwarding the propellant gas is arranged.
  • the combustion chamber basically flows into the propellant pressure vessel or its interior.
  • the combustion chamber with burner has a fuel supply for supplying the fuel and an air supply for supplying air.
  • air is to be understood in general as meaning, in particular, a substance which, together with the fuel after ignition, leads to the combustion or favors it. Air is an easily available variant.
  • pure oxygen or another suitable gas, especially oxygen could also be used.
  • the fuel used is preferably a liquid and / or gaseous fuel, such as gas, such as biogas, natural gas, oil and other oil products such as diesel, gasoline or kerosine, to name but a few examples.
  • Other examples of fuels are combustible suspensions, emulsions and coal dust.
  • the burner according to this embodiment is prepared to mix the air and the fuel, in particular to swirl and to realize starting of combustion in the combustion chamber.
  • the Treibgaser Wegungseinrich- device preferably uses compressed air, which is thus supplied under pressure to the burner and thus the combustion chamber.
  • a compressor or air compressor is used, which generates and provides such compressed air.
  • the air compressor may be part of the propellant gas generating device or the compressed air may be provided externally from a compressed air supply.
  • an air flow control valve is provided for controlling the pressure and / or controlling the amount of compressed air provided. As a result, the combustion process can be controlled by appropriate controlled addition of compressed air.
  • a fuel pump and / or a fuel compressor is provided to supply fuel to the combustion chamber and / or the burner, in particular under pressure.
  • a fuel quantity control valve is provided for controlling the amount of fuel to be supplied.
  • the fuel pump and / or the fuel compressor is connected to a fuel pressure accumulator to generate a pressure reservoir for the fuel.
  • a secondary fuel pump in particular a water pump is provided to provide the secondary fuel or water at the secondary fuel supply under pressure to initiate this under pressure in the LPG pressure vessel.
  • an optional water quantity control valve can be provided for controlling the amount of secondary fuel or water to be supplied. This also makes it possible to regulate the generation of the propellant gas better by controlling the amount of secondary fuel, in particular water, to be supplied, thereby controlling the process of propellant gas production and / or the composition of the propellant gas.
  • the burner and thus also the propellant pressure vessel work under atmospheric pressure. Accordingly, the supplied media must be supplied with at least this pressure.
  • a control unit for controlling the propellant gas generating device, in particular for controlling the fuel supply, the air supply and / or the secondary fuel supply.
  • a control unit which can also be referred to as a measuring, control and regulating unit, evaluates relevant inputs such as operator inputs and actual values and carries out corresponding controls by preferably giving corresponding control commands to actuating units.
  • Preferred input values are an operator input, in particular power specification as well as various measured values such as temperature values, for example in the combustion chamber and / or in the compressed gas tank, pressure values and a connected expansion machine, which converts the energy in the propellant into a rotational movement, a speed measurement.
  • a filling valve for supplying the propellant gas into the expansion machine as well as an outlet valve for discharging propellant gas from the expansion machine can be counted.
  • control unit in particular the numerical, measuring, control and regulating unit, is to calculate the best possible propellant gas generation on the basis of a basic program and in dependence of the variable inputs and to control these accordingly. In particular, it depends on the volume, pressure, temperature and environmental values.
  • a secondary fuel line is provided for guiding the secondary fuel to the secondary fuel supply, which runs along at least one wall of the propellant gas pressure vessel to achieve preheating of the secondary fuel by heat of the propellant gas pressure vessel.
  • the supply of secondary fuel in particular water, preferably has the purpose that cooling the fuel gas leads to heating of the secondary fuel and in particular to a volume expansion of the secondary fuel.
  • a strong volume expansion of the propellant gas is sought overall. It is not necessarily important that the secondary fuel is supplied as cold as possible to the LPG pressure vessel. On the contrary, it has proved to be favorable to cool the container walls in such a way that they do not suffer any thermal damage as far as possible.
  • the wall of themaschinegasdruck- container is thereby cooled and the secondary fuel, especially water, heated.
  • This heated secondary fuel, especially water can then be introduced into the propellant pressure vessel in the heated form so in the direction of flow of the water after the described secondary fuel lines.
  • the temperature may in this case preferably already be so high that the water is already vaporous, that is supplied as water vapor. This water can then accept thermal energy from the fuel gas and contribute to a volume and / or pressure increase of the propellant gas.
  • a further preferred embodiment provides that the propellant gas pressure vessel is designed at least in sections at least double-walled and between two walls of the secondary fuel and / or the air for feeding to the compressed gas tank or the combustion chamber is performed. It should be noted that in the propellant gas pressure vessel, in particular when the combustion chamber forms part of it, at different locations with different temperatures is to be expected. Due to its function, the highest temperature is to be expected in the area of the burner and thus the combustion chamber and it will decrease towards the propellant gas outlet. Thus, in the region of the combustion chamber, for example, a three-walledness can be provided.
  • a double walledness and, finally, a single-walledness to the propellant gas outlet can be provided, to name just one example.
  • the drewandtechnik can be used to lead in an area between two walls of air for supplying to the propellant pressure vessel or to the combustion chamber.
  • secondary water in particular water, can be conducted in another intermediate region and toward the two-walled region of the compressed gas container. After the location for supplying the secondary fuel can then be provided to the Treibgasauslass out a Einwandmaschine.
  • Another embodiment proposes a second secondary fuel supply for supplying a further secondary fuel.
  • compressed air may be provided as a first secondary fuel and water or water vapor as a second secondary fuel.
  • the secondary fuels are provided for feeding into the propellant gas pressure vessel.
  • secondary fuels are distinguished by a combustion air that enters the Combustion chamber is introduced to burn with the fuel.
  • the secondary fuels should not take part in the combustion, but should be initiated thereafter and achieve an increase in volume of the propellant gas.
  • the introduction of still further secondary fuels may be provided according to a further embodiment.
  • Another embodiment proposes a heat exchanger for heating at least one secondary fuel from heat of the propellant gas and / or from heat of another medium.
  • heating of the first, second and / or further secondary fuel is achieved, so that introduction of the relevant secondary fuel into the propellant pressure vessel in preheated state can be carried out in a simple manner.
  • heat of the propellant gas may be used by supplying propellant gas to the heat exchanger.
  • the propellant gas can be used, for example, after leaving an expansion machine connected downstream of the propellant gas generating device. It is also possible to use propellant gas which has left the propellant gas generator immediately or a combination. Further suitable for use in the heat exchanger other heat-carrying media, such as, for example, geothermally recovered gas.
  • a method according to claim 11 is proposed according to the invention.
  • This method is thus used to generate a propellant gas under pressure that can be used to perform mechanical work.
  • a propellant gas generating device which has a propellant pressure vessel, a combustion chamber and a secondary fuel supply.
  • the following steps are proposed, which are carried out essentially simultaneously, in particular continuously and thus in parallel.
  • a fuel is burned in the combustion chamber to generate a fuel gas.
  • This fuel gas has a high heat, as well as a certain overpressure, which is also due to the construction of a closed combustion chamber.
  • an open combustion chamber is also to be understood as an open combustion chamber arranged in a substantially closed propellant pressure vessel.
  • the fuel gas is directed into the LPG pressure vessel. This is done for example by a discharge of a generated propellant gas and the continued operation of the burner, so that fuel gas complies.
  • Secondary fuel in particular water, is introduced into the propellant pressure vessel and thus into the fuel gas. This leads to the cooling of the fuel gas and thereby to a heating of the secondary fuel, in particular of the water, and a consequent expansion of the secondary fuel or water.
  • the propellant gas is generated in the propellant gas pressure vessel, which has a correspondingly high pressure and can lead to a corresponding increase in volume of the propellant gas.
  • the secondary fuel is atomized and / or introduced as water vapor. As far as possible, the introduction is carried out so that the most favorable possible mixing of fuel gas and secondary fuel to the propellant takes place. Incidentally, the secondary fuel is supplied under pressure.
  • a propellant gas generating device is used in this method, as has already been explained above.
  • the propellant gas is generated so that the combustion takes place under pressure.
  • This is a characteristic of the burner and requires appropriate precautions, such as, in particular, the fuel and, as necessary, the pressurized air.
  • the secondary fuel is to be supplied to the pressurized gas container under pressure.
  • compressed air is supplied to the combustion chamber, which is provided by a compressed air compressor, wherein preferably a compressed air control valve is used and the pressure and / or the amount of compressed air is controlled. It is also favorable to supply fuel to the combustion chamber and / or the burner by means of a fuel pump and / or a fuel compressor, wherein preferably a fuel quantity regulating valve is used and the quantity of fuel to be supplied is controlled.
  • a control of the pressure, the temperature and / or the volume and / or mass flow of the supplied fuel is proposed for the control of the fuel quantity valve.
  • water is preferably supplied as a secondary fuel to the propellant pressure vessel by means of a water pump and optionally a water regulating valve is used, which supplies water under pressure and controls the amount of water supplied.
  • the control of the pressure and / or the amount of water can be carried out directly via the water pump.
  • the supply of a gaseous secondary fuel can be made similar to the supply of a gaseous fuel or the compressed air.
  • the process will be used as a flowable fuel, ie a liquid or gaseous fuel, such as, in particular, gas, oil, gasoline and diesel, to name but a few examples.
  • a flowable fuel ie a liquid or gaseous fuel, such as, in particular, gas, oil, gasoline and diesel, to name but a few examples.
  • preheated water can be used as secondary fuel and / or water can be misted into the propellant pressure vessel under pressure.
  • the heat extracted for preheating is retained in the system by supplying the thus preheated water to the fuel.
  • the method is preferably carried out in such a way that the hydrogen or secondary hydrogen supply, the fuel supply and / or the compressed air supply are dependent on measurements of conditions in the propellant gas generating device, in particular depending on measurements of the temperature, volume, pressure and / or or the composition of the propellant gas and / or depending on the temperature in the burner.
  • a control of the proportions and / or the pressure of the compressed air, the fuel and the water is performed.
  • the method is controlled such that the propellant gas leaves the propellant pressure vessel approximately at a pressure of 10 to 50 bar and a temperature in the range of 750 0 C to 1200 0 C. The higher the pressure, the higher the temperature and vice versa.
  • an expansion machine has a filling space and a propellant gas expansion space.
  • the moving body is arranged and guided in the filling space such that a pressure of the propellant gas, with which the filling space was filled, acts on the first pressure surface and thus pushes the moving body in a first direction and thus moves.
  • This movement can result from an expansion of the filled propellant gas or, in combination, it can take place together with the filling.
  • the moving body can be moved directly in the first direction.
  • the moving body is also guided into themaschinegasexpansionsraum, wherein the second pressure surface is oppositely directed Chryslergen the first pressure surface and an expansion of the devisgasexpansionsraum supplied propellant gas is moved to a movement of the moving body in the second direction opposite to the first direction.
  • the expansion machine is substantially prepared for movement of the moving body in the second direction due to expansion of the propellant gas in the propellant gas expansion space. The effect of the propellant gas in the filling space and the propellant gas expansion space are thus opposite.
  • the expansion machine is to be controlled accordingly so that a filling of the filling space and an expansion of the propellant gas in the expansion space successively, in particular takes place alternately.
  • the first pressure surface is smaller than the second pressure surface.
  • a higher pressure is required to exert the same force on the moving body as can be exerted in the propellant gas expansion space by a correspondingly lower propellant gas pressure.
  • the forces in the direction of the first and second movement direction are meant.
  • the filling space is formed as a cylinder space or annular gap and according to the first pressure surface is formed as a circular or annular surface, the moving body is designed as a piston and / or themaschinegasexpansionsraum is formed as an annular gap or cylinder space and the second pressure surface as Ring or circular surface is formed.
  • the use of a piston as a moving body is structurally simple to design.
  • the first expansion part arrangement can be designed as a whole simply and essentially cylindrically.
  • the filling space is an annular gap and the first pressure surface corresponding to an annular surface and themaschinegasexpansionsraum a cylinder chamber with the second pressure surface as a circular area. In this way it is also easy to realize that the first pressure surface is smaller than the second pressure surface.
  • the division may be reversed, a larger annular area than the circular area can be achieved with appropriate size distribution.
  • a common bore may be provided as a common cylinder space in which the movement body can move, in particular as a piston, and the filling space is then formed on one side of the piston and the propellant gas expansion space on the other side. Depending on the piston position, parts of the bore then belong to the filling space or to the propellant gas expansion space.
  • the expansion machine preferably comprises at least one filling valve functionally connected to the first filling space for introducing propellant gas into the first filling space, at least one outlet valve functionally connected to the propellant expansion space for discharging propellant gases from the propellant gas expansion space and / or at least one with the filling space and the propellant gas expansion space a functionally connected spill valve for opening and closing a connection between the fill space and the propellant gas expansion space to allow propellant gas to flow from the fill space to the propellant gas expansion space.
  • the filling space and the propellant gas expansion space are thus functionally connected via the at least one overflow valve.
  • this expander subassembly is therefore prepared so that a propellant gas flows via the filling valve into the filling space, where it leads to a movement of the moving body in the first direction, then flows via the overflow valve into the propellant gas expansion space, where it expands and causes the movement of the movement piston leads in the second direction and then - preferably after complete expansion and pressure decrease to atmospheric pressure - leaves themaschinegasexpansionsraum.
  • an expansion machine has an expansion sub-assembly with a dual function, which is particularly adapted to cooperate with a propellant gas generating device.
  • amaschinegasexpansionsraum is provided, which is to be filled with propellant gas and in which the propellant gas then expands to push the moving body in a first direction and to cause a corresponding translational movement ofndelskör- pers in this first direction.
  • This moving body is also guided in a compression space and has a compression surface to compress a process gas, in particular air, which may be used in the propellant gas generating device, to compress.
  • Compression is effected by a translational movement of the moving body in the first direction, so that a movement of the moving body caused by the expansion of the propellant gas leads to a compression of the process gas into the compression space.
  • the pressure surface is larger than the compression surface. In this way, on the one hand, it can be achieved that the same expansion pressure at the pressure surface can lead to a compression with a higher compression pressure on the side of the compression surface. On the other hand, it is achieved that the expansion of the propellant gas can achieve a movement of the moving body in the first direction with high energy or force and the compression of the process gas carried out thereby consumes little of this energy or force.
  • a common cylinder space or a common bore is preferably provided, in which the propellant gas expansion space and the compression space are formed.
  • the moving body then moves back and forth between the propellant gas expansion space and the compression space, in particular as a piston.
  • Suitable mediums are thermal oils, water, gases and other media.
  • a temperature compensation can also be provided in the range of cylinder heads and the medium used for heating to be used elsewhere.
  • two expansion sub-assemblies ie a first and a second are coupled together.
  • This coupling can be made both with an expansion part arrangement with filling space and fürgasexpansionsraum and with a expansion part arrangement with compression space and fürzasxpansionsraum.
  • the two expansion sub-assemblies are thus basically coupled in push-pull, so that an expansion of propellant gas in the Examgasexpansionsraum the first expansion sub-assembly leads to an emptying of the expanded propellant gas from themaschinegasexpansionsraum the second expansion sub-assembly.
  • the function of the filling spaces or the compression spaces remains accordingly preserved as they has already been explained in connection with in each case a single expansion part arrangement.
  • a flywheel for storing and delivering a kinetic energy from or to the moving body.
  • a flywheel can absorb kinetic energy, in particular, when the respectivemaschinegasexpansionsraum just expanding in the propellant, still small and the pressure of the propellant gas is still high.
  • An increasing expansion of the propellant gas and thus an enlargement of the propellant gas expansion space also leads to a decrease in the pressure of the propellant gas and corresponding to a decrease in the force of the moving body.
  • this movement can be maintained by the flywheel, even if a subsequent device takes mechanical energy.
  • the pressure of the propellant gas it is at least theoretically possible for the pressure of the propellant gas to drop to atmospheric pressure towards the end of the movement.
  • a conversion mechanism which has at least one toothed rack connected to the moving body and at least one toothed wheel means coupled to the toothed rack for converting a translational movement of the toothed rack into a rotatable toothed rack. Movement on the gear means.
  • This device has the advantage over a construction of wheel and connecting rod, that the rack basically always the same force is converted into the same torque, because by the use of the rack on the gear means permanently a force at a 90-degree angle of the translational movement direction to the radius at which the rack engages is achieved.
  • the expansion machine is characterized in that the conversion mechanism comprises at least a first gear means to convert a translational movement of a first direction of the moving body in a rotational movement with a first rotational direction and a second gear means to a translational movement of a second direction of the moving body in to turn a rotary motion with the first direction of rotation. It is therefore converted in each case a translational movement in a rotary motion with one and the same direction of rotation.
  • switching be effected between the first and second gear means in such a way that a movement of the moving body is converted into a rotational movement with the first, ie only one, direction of rotation.
  • each gear means preferably has a freewheel, in particular a controlled clutch freewheel, in order to be effective only in the first or the second direction of the translatory movement. Accordingly, according to a variant, no active switching needs to be carried out and a conversion to the said first rotary movement is always carried out. If a controlled coupling freewheel is used, it is possible to selectively deactivate the freewheel, so that a force can be transmitted from the gear means to the moving body even in the aforementioned direction of rotation. This can be advantageous if its movement is to be supported by the gear means to an end position of the moving body.
  • the moving body may be formed with two racks or a double rack by a rack or a portion of a double rack for each translational movement leads to a transfer.
  • the expansion machine control unit is prepared according to an embodiment to control the movement of a linear unit, in particular the piston and piston rod, via valve positions.
  • clutch freewheels can be controlled to suitably control a torque transmission.
  • the measurement and consideration of the state variables piston location, piston speed, piston movement direction, generated speed at an output shaft and valve positions and possibly states of the clutch freewheels are provided.
  • the expansion machine control unit can be prepared to coordinate these expansion machines in their movement.
  • a central control unit can be provided which, in addition to the tasks of the expansion machine control unit, also assumes control of a propellant gas generation unit.
  • a control unit for a propellant gas generation unit and an expansion machine control unit can be coordinated and / or combined in one unit.
  • an arrangement of at least two expansion machines is also proposed, wherein the expansion machines are coupled so that they each direct a torque to a common shaft, in particular the expansion machines are prepared to be operated synchronized and / or coordinated.
  • two expansion machines can be coupled via a conversion mechanism by, for example, each expansion machine with a rack on a conversion mechanism with two gear means engages.
  • two or more expansion machines transmit torque to a common shaft, wherein the expansion machines are arranged individually or in pairs in the axial direction of the common shaft one behind the other.
  • the expansion machines should be coupled in synchronism.
  • a method for operating an expansion machine with a first expansion part arrangement with a filling space and a propellant gas expansion space is also proposed. Accordingly, the following steps are performed: In the first step, the filling space is filled via at least one Guraumbetreibgas, wherein the pressure of the propellant gas acts on a first pressure surface on the moving body and presses in a first direction and thus moves in this direction. In the second step, the at least one filling valve is closed and then at least one overflow valve is opened, so that the propellant gas flows from the filling space into a propellant gas expansion space.
  • the opening of the at least one overflow valve can be carried out somewhat later than the closing of the at least one filling valve, ie later, in order to prevent a flow of propellant gas directly into the filling valve, and through the overflow valve.
  • a force acts on the second pressure surface on the moving body and is thus pressed and moved in a second direction.
  • the second direction is opposite to the first, so that the moving body moves back to step 1 again.
  • At least one exhaust valve in the propellant gas expansion chamber is opened to let the propellant gas escape from the propellant gas expansion chamber.
  • the pressure of the propellant gas is optimally equal to the surrounding, ie atmospheric pressure.
  • step 1 the method is repeated beginning with step 1, wherein the at least one outlet valve initially remains open.
  • step 1 the propellant gas expansion space is reduced again and the propellant gas contained can escape through the at least one opened outlet valve.
  • a method for operating an expansion machine with an expansion subassembly with a propellant gas expansion space and a compression space is also proposed.
  • the propellant gas expansion space is filled with propellant gas, so that the pressure of the propellant gas acts on a pressure surface on a moving body and thereby moves the moving body in a first direction.
  • This movement in the first direction reduces the compression space and compresses the process gas contained therein.
  • the compressed process gas can be supplied subsequently or already during compression of its use.
  • the moving body is moved back in the second direction, wherein themaschinegasexpansionsraum is emptied due to at least one open exhaust valve.
  • the return movement of the moving body can be achieved for example by a flywheel or other force not caused by this first expansion part arrangement.
  • the compression chamber is filled with process gas. In the simplest case, this may mean that an inlet valve is opened in the compression space and air flows into the compression space by the movement of the moving body back.
  • step 1 is repeated, wherein in any case before the described inlet valve has been closed in the compression chamber, so that a desired compression pressure for the process gas can build up.
  • two expansion sub-assemblies are operated coupled with the same characteristics.
  • the same features do not necessarily mean that the expansion sub-assemblies are completely identical, but that they have the same structure in principle, in particular two expansion sub-assemblies are operated coupled with one charge space and each coupled to a propellant expansion space, or two expansion sub-assemblies each having a propellant gas expansion space and a compression space operated together.
  • the directions of movement are in this case set opposite, the movements complement each other by the two expansion sub-assemblies have a common moving body.
  • the two expansion subassemblies are Accordingly, operated so that they move the moving body in each case in the same direction, so that the filling and emptying of the Examgasexpansions- space of the first expansion sub-assembly is always reversed for filling and emptying of the propellant gas expansion space of the second expansion sub-assembly.
  • a heat engine for generating a mechanical movement using a fuel which comprises a propellant gas generating means according to the invention for generating a propellant gas and an expansion machine according to the invention for converting an expansion of propellant under pressure into a mechanical movement, in particular rotational movement, wherein the propellant gas generating means and Expansion machine are coupled together so that the propellant gas generated by the propellant gas generating means is supplied to the expansion machine, in particular at least one filling valve or inlet valve in akulturgasexpansionshunt is provided.
  • the propellant gas generating means and the expansion machine are matched.
  • the propellant gas generating device essentially supplies a propellant gas with as constant as possible values such as constant pressure and temperature.
  • the expansion machine is prepared to be operated substantially with a propellant gas at a constant pressure.
  • the two devices thus complement each other favorably to the heat engine.
  • an expansion machine is used with at least one expansion space, preferably two expansion spaces.
  • the expansion machine can be operated with the propellant gas provided by the propellant gas generating device and at the same time compress a process gas and be available as compressed gas, in particular compressed air of the propellant gas generating device, in particular the burner. This results in particularly good synergy effects.
  • a method for operating a heat engine according to claim 40 is proposed.
  • a compressor for compressing a process gas, in particular air, according to claim 41 is proposed.
  • Such a compressor has a first and a second compression space, each having a first and second compression body. In this case, a coupling of the two compression spaces takes place in that the second compression space is formed in the first compression body.
  • the first compression space is prepared to compress the process gas in a first compression stage to a volume having a first compression pressure.
  • a corresponding connecting valve or more is provided in order to then transfer the compressed process gas into the second compression space. After compression in the first compression stage, the process gas thus flows into the second compression space.
  • the second compression space is then prepared to further compress the process gas in a second compression stage, correspondingly reducing the volume and increasing the compression pressure.
  • the first compression space and the second compression body are fixedly arranged relative to one another and the first compression body is movably arranged in two directions relative to the first compression space and the second compression body such that its movement either reduces the first compression space or increases the second or vice versa
  • the first compression space forms a cylinder, in which the first compression body is also guided in a cylindrical manner.
  • the first compression body of the second compression space is also arranged as a cylinder - corresponding to a smaller diameter.
  • the second compression body is finally performed in this second compression space also as a corresponding cylinder with a smaller diameter. For compressing the process gas this is now first admitted into the first compression space, which is expanded here.
  • the first compression body then moves - after the corresponding valves were closed - so in the first compression space that this reduced and the process gas is compressed. Since the first compression space and the second compression body are each fixed, automatically increases the second compression space by the movement of the first compression body. However, due to the smaller cylinder diameter, this second compression space is relatively small and the process gas compressed in the first compression stage can now be introduced into this second compression space without this losing its compression again. In this case, due to the small second compression space, the connecting valve between the first and second compression space may be open during the first compression stage. In this first compression stage, although the second compression space is increased while the first is being reduced in size, it is still small in comparison with the large compression space and the available volume for the process gas is also reduced with the connection valve open. For the second compression stage, however, the connection valve must be closed, so that when weighing back the first compression body, whereby the second compression space is reduced, the process gas does not flow back into the first compression space.
  • the connecting valve may be provided as a check valve, which allows only a flow from the first to the second compression chamber.
  • an inlet valve may be formed from the outside to the first compression chamber as a check valve.
  • a further embodiment proposes to mechanically couple a compressor, that is to say in particular a described compressor, which in principle is structurally independent of an expansion machine, with an expansion machine in order to use a force generated by the expansion machine for operating the compressor.
  • Chen compressor to set up a conversion mechanism, in particular to connect with a gear means of the conversion mechanism, so as to operate the compressor.
  • a steam generator is also proposed for generating water vapor from water comprising:
  • the steam generator is prepared to inject preheated water from the preheat area via propellant injection nozzles into the evaporation area so that the water in the evaporation area evaporates to water vapor
  • the heat source preferably being prepared to supply and / or generate a heating medium which is first to evaporate - Is passed area to heat it and from there to the preheating area is heated to this.
  • the first expansion space may also be referred to as Treibgas sleepllraum and the second expansion space may also be referred to asmaschinegasexpansionsraum.
  • Fuel and / or fuel can also be referred to as fuel, but differs in function from the secondary fuel. Fuel, fuel and fuel are to be differentiated in the importance of secondary fuel.
  • Propellant pressure vessel may also be referred to as Treibgasreaktordruck admirer.
  • a control unit usually comprises a measuring, control and regulating unit.
  • a pressure surface can form a partial area of a total area, the pressure bearing on the entire area, but only effective on the pressure area.
  • the term pressure area refers to the area at which the pressure is effective.
  • Fig. 1 shows a propellant gas generating device with two LPG pressure vessels according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows an expansion machine according to an embodiment of the invention in an operating position.
  • FIG. 3 to 5 show an expansion machine according to FIG. 2 in further operating positions.
  • Fig. 6A shows a propellant gas generating device according to Fig. 1, and an expansion machine according to the figures 2 to 5, which are coupled.
  • Fig. 6B shows a heat engine according to Figure 6Aa, but with a changed operating position of the expansion machine.
  • Fig. 7 shows a propellant gas reactor according to another embodiment of the Invention.
  • Fig. 8 shows a propellant gas reactor according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 9 illustrates the structure and operation of an expansion machine according to another embodiment of the invention.
  • 10 to 12 show a heat engine according to an embodiment with two propellant gas reactors and an expansion machine in a schematic representation and in different operating states.
  • Fig. 13 shows a heat engine with propellant gas reactors and an expansion machine, which is connected via its conversion mechanism with a compressor according to an embodiment.
  • Fig. 14 shows a conversion mechanism which is coupled with two toothed piston rods in a perspective view.
  • FIG. 15 schematically illustrates the force and torque effects of the arrangement shown in FIG.
  • Fig. 16 shows a further embodiment of a heat engine schematically.
  • Fig. 17 shows a section of an expansion machine according to another embodiment.
  • Fig. 18 shows a piston of an expansion machine according to another embodiment.
  • Fig. 19 shows a cross section through an insulated cylinder of an expansion machine to illustrate the structure.
  • Fig. 20 shows a steam generator for generating water vapor from water according to the present invention.
  • Fig. 21 shows a further embodiment of an expansion machine in a side view.
  • Fig. 22 shows an expansion machine according to the figure 21 in a plan view.
  • propellant gas generating device One aspect of the invention is the propellant gas generating device.
  • suitable propellant gas production can be accomplished in a variety of ways. Depending on the selected energy source (fuel), the appropriate technology should be chosen. For solid fuels such as coal, wood, etc., e.g. Commercially available steam boiler systems in question. For liquid fuels such as oil, or gaseous fuels such as landfill gas, biogas, natural gas, etc., the propellant gas generating device according to the invention can be used.
  • the energy conversion from the energy source to the propellant gas should have an efficiency ⁇ > 90%.
  • the temperature of the propellant gas should be at least controllable so that it causes no thermal damage in the expansion machine.
  • the pressure of the propellant gas should be adjustable.
  • the volume of the propellant gas should be adjustable.
  • the propellant gas generating device 2 according to FIG. 1 has two propellant gas pressure vessels 4, which are of basically the same design and, incidentally, can also be referred to as propellant gas reactor pressure vessels.
  • the task The propellant gas pressure vessel 4 is to produce propellant gas suitable by reacting air, fuel and preheated water, so that it is able to perform mechanical work.
  • each of the two propellant gas pressure vessel 4 a combustion chamber 6, each with a burner 8 is arranged to burn fuel.
  • the task of the combustion chamber 6 is to ensure the best possible combustion of a fuel-air mixture.
  • the propellant gas pressure vessel with the combustion chamber 6 forms a propellant gas reactor 5.
  • Each burner 8 is intended to start and ensure optimum combustion by turbulence of air, fuel and their ignition.
  • the propellant gas generating device 2 comprises a central measuring, control and regulating unit 10, also referred to as MSRe or MSR 10 for short.
  • MSR 10 central measuring, control and regulating unit 10 for short.
  • Variable inputs to this MSR 10 are an input for a performance target 12 that allows a user to specify power via operator commands, and at least one input for a temperature reading 14, an input for a pressure reading 16, and an input for a speed reading of a propellant generator Mechanics.
  • the measured values of the temperature and the pressure relate to the temperature and the pressure of the propellant gas, in particular to an outlet 18 of the propellant gas pressure vessel 4.
  • the MSR outputs 10 control commands as outputs. These include an air control output 20 for outputting a drive command to at least one air pressure control valve 22 to control an air supply to the burner 8, a fuel control output 24 for outputting a drive command to at least one fuel control valve 26 to control a fuel supply, and a water control output 28 for outputting a drive command at least one water quantity control valve 30 to control the supply of an amount of water to propellant pressure vessel. Further, the MSR 10 has a charge control output 32 for outputting a drive command to control a charge gas supply amount for a downstream expansion engine, and a charge control output 34 for outputting a drive command for a downstream expansion engine to have an exhaust valve for discharging the propellant gas To control expansion machine.
  • the MSR 10 is intended, based on a program and depending on the above-mentioned inputs, to calculate the best possible generation of propellant gas and to control it by means of corresponding control commands.
  • an air compressor 36 is provided, which provides by means of a memory in front of the air pressure control valve 22, an air pressure which is at least 43 bar in one embodiment.
  • the compressor 36 is driven by a linear linkage from the expander to ensure proportional production of compressed air.
  • the compressor 36 provides compressed air and task of the air pressure control valve 22 is to supply according to a specification by the central MSR 10 the combustion chambers 6 of the propellant 5, an optimal amount of air.
  • a fuel pump 38 is provided to ensure a fuel pressure by means of a reservoir upstream of the fuel control valve 26. This
  • Fuel pressure in the present embodiment is about 200 bar when using a liquid fuel.
  • Fuel quantity control valve is referred to, according to the above-described specifications of the MSR 10 to the combustion chambers 6 of the propellant gas reactors 5 supply the most optimal amounts of fuel.
  • the combustion chambers 6 at least one injection nozzle 40.
  • the water flow control valve 30 is to provide for a regulated supply of water to the LPG pressure vessels. This supply takes place in accordance with a specification of the MSR 10, the water being supplied to nebulization nozzles 44 in the propellant gas pressure containers 4 of the propellant gas reactors 5, which are each arranged in the region of a container wall 46. In this case, optimal amounts of water preheated water to be supplied in order to achieve a temperature and volume optimization of the propellant gas. For the supply of water from the water flow control valve 30 to the nebulizer corresponding water supply lines 48 are provided.
  • the propellant gas reactor 5 operates with a non-atmospheric combustion technique, that is, the combustion takes place under overpressure. Propellant gas from fuel, air and water is generated in the propellant gas reactor 5.
  • the special task of the propellant gas reactor 5 is to generate propellant gas with the largest possible volume and moderate temperature.
  • moderate temperature is meant a temperature range that does not damage the machine designs of the
  • Propellant reactor pressure vessel 6 and an expansion machine causes the generated propellant gas is supplied.
  • Controlled and controlled by the MSR 10 is supplied via the air compressor 36, which can also be referred to as a compressed air generator, and the air flow control valve 22, and a line comprising the air lines 35 compressed air to a burner 8 comprehensive burner system within the combustion chamber 6 in the propellant reactor pressure vessel 4.
  • the air compressor 36 which can also be referred to as a compressed air generator, and the air flow control valve 22, and a line comprising the air lines 35 compressed air to a burner 8 comprehensive burner system within the combustion chamber 6 in the propellant reactor pressure vessel 4.
  • the task of the combustion chamber 6 is to provide the combustion process a sufficient shelter in which the combustion as optimal as possible, that is, at the highest possible temperatures and the necessary residence, as completely as possible can take place to allow the most clean fuel gas.
  • Positive features here are that an optimally optimized combustion time window can be achieved and possibilities for optimal fuel combustion are created, in order to minimize any particulate matter risk and to obtain as little NO x as possible.
  • This process is also controlled and controlled by the MSR, wherein the pressurized water has previously passed through the water pump 42, the water reservoir and the water flow control valve 30.
  • the water has optionally pass through a heat exchanger of the compressed air generator or air compressor 36, wherein it heats up strongly.
  • the MSR 10 system measures, controls and controls the previously described supply of Fuel gas and water so that the largest possible propellant gas volume is formed in a temperature range, which does not damage the propellant gas reactor pressure vessel 4 and a downstream expansion machine thermally.
  • the task of the propellant gas reactor pressure vessel 4 is to concentrate the propellant gases formed in it and possibly to supply the downstream expansion machine via a pipeline system, and to withstand the expected pressure resulting from the dynamic pressure of the expansion machine.
  • Another task of the MSRe system is to continuously measure and regulate the proportions of compressed air, fuel and water as a function of pressure, volume and temperature of the propellant gas during the operation of the WWKM.
  • a particular advantage of the propellant gas reactor system ie the propellant gas reactor 5 with associated components including the MSR 10, is that, due to the system, a direct, intimate temperature-volume conversion takes place. That is, by mixing, a volume increase is achieved directly in the same room. Efficiency losses due to temperature - volume separating solid walls such as e.g. Pipelines for boiler plants are not available.
  • Figure 1 is a schematic representation showing two propellant gas reactors 5 in a sectional view similar to a sectional view in the basic structure, which does not represent exact size ratios.
  • the MSR 10 and other elements between the two LPG 5 are shown. In this arrangement, but it does not matter and in particular the MSR 10 can be arranged at basically any position.
  • an expansion machine 202 according to an embodiment of the invention is explained, wherein the expansion machine 202 is illustrated for explaining the individual elements in an operating position. For the representation a partial sectional view was chosen.
  • the expansion machine 202 has two cylinders 204 - according to the figure 2, a right cylinder and a left cylinder - in which propellant gas can expand at a corresponding operating position.
  • Each cylinder has a cylinder head 206 with a plurality of exhaust valves 208 through which propellant gas may flow in the open state.
  • the exhaust valves 208 in the right cylinder 204 are shown in the open and the left cylinder in the closed state.
  • annular channel 210 For filling each cylinder 204 with propellant gas an annular channel 210 is provided with filling valves 212 each.
  • the right-hand cylinder 204 has a closed filling valve 212 and the left-hand cylinder 204 an open filling valve 212.
  • propellant gas can thus be provided on the annular channel 210 and flow into the cylinder 204 through the at least one filling valve 212 shown on the right.
  • a piston 214 is guided by means of a respective annular cylinder guide 216 in a cylindrical inner space or a cylindrical bore to allow axial movement of the piston 214.
  • the cylinder guide 216 is disposed in and on the cylinder 204 and also ensures a seal of the piston 214 against the cylinder 204.
  • At each Piston 214 is also an annular piston seal 218 arranged, which seals the piston against the cylinder 204 and reaches a guide.
  • the piston 214 has a piston body 220 and a Kolbenstimwand 222, which are each firmly connected to each other, said connection of the piston body 220 is not shown with the piston end wall 222 in the figure 2.
  • Each cylinder 204 has a propellant gas space 224.
  • Themaschinegas Stahlraum 224 is formed between the piston body 220, the piston end wall 222 and the cylinder 204 and varies with the position of the respective piston 214.
  • the propellant gas space 224 shown in the right cylinder 204 is thus composed of a cylindrical portion and an annular gap.
  • the Treibgas colllraum 224 is connected via a plurality fürströmventile 226 with amaschinegasexpansionsraum 228.
  • the propellant gas expansion space 228 changes with the position of the piston 214 and has its largest extent in the right cylinder 204 and its smallest extent in the case of the left cylinder 204.
  • the overflow valves 226 in the right cylinder 204 are closed and the left cylinder 204 shown open. With the spill valves 226 open, propellant gas may flow from the propellant gas fill space 224 into the respective propellant gas expansion space 228.
  • Both pistons 214 are fixedly connected to each other via a common piston rod 230.
  • the piston rod 230 is toothed on both sides to engage in two sprockets 232 to convert a force of the piston 214 in a torque.
  • Each ring gear 232 is connected to a freewheel 234, so that in each case only in one direction of rotation a torque is transmitted to the freewheel 234 connected to the hub 236.
  • Arrows indicate a direction of rotation 238 into which a torque is transmitted.
  • Both freewheels 234 are selected so that a torque is always transmitted in the direction of this direction of rotation 238 of a respective ring gear 232 to the corresponding hub 236.
  • the hubs have sprocket teeth and are over a Chain drive 240 connected to each other to achieve a synchronization of the torque.
  • An oscillating movement of the piston rod 230 can thus always be converted via the choice of the freewheel 234 into a torque with the direction of rotation 238.
  • the torque thus generated can be removed via output shafts 242 and fed to a further use.
  • propellant gas pressure volume coming from a propellant gas reactor and controlled by an MSR is indicated at all annular channels 10 of the expansion machine 202.
  • the stroke direction is directed to the right as shown in FIG.
  • the spill valves 226, fill valves 212 and exhaust valves 208 are regularly controlled.
  • the pistons 214 and piston rod 230 have arrived at a left inner direction reversal point, ie if the piston end wall 222 has arrived at approximately the filling valve 212 in the right cylinder 204, close the overflow valves 226 in the right cylinder 204, open the filling valves 212 in the right annular channel 210, as well the exhaust valves 208 in the right cylinder head 206 and release a substantially expansionslose propellant charge the rightmaschinegas Struktures 224.
  • open - also controlled regularly - the overflow 226 in the left piston 214 and thus open up an expansion process of the left previously filledmaschinegas Strukturllraums 224th
  • both pistons 214 expose their thrust and expansion forces adding to each other to the right.
  • the fill valves 212 are closed again when the right hand fill space 224 is filled and the piston 214 has reached its extreme right position.
  • the effective piston area is the size of the circular area of the end face of the piston body 220.
  • the expansion forces acting on the left-hand piston 214 are initially very high due to the falling pressure curve, that is, the decreasing pressure, the maximum pressure approximately corresponding to the filling pressure, and possibly decreasing to zero when the pressure is up to reduced atmospheric pressure. In this case, there are no energy drains due to unused escaping residual pressure.
  • Figure 3 shows the expansion machine shortly before reaching the right inner direction reversal point, so shortly before in the left cylinder 204, the piston end wall 222 has reached the filling valve 212.
  • the MSR gives the right exhaust valves 208 the closing command, as a result of which a residual propellant gas cushion builds up, absorbing the kinetic energy from the moving linear unit, namely the piston 214 and the piston rod 230, decelerating it to speed 0 and immediately accelerated linearly again in the other direction.
  • the expansion machine 202 is shown in an operating position at the stroke is left.
  • the left overflow valves 226 close, open the filling valves 212 in the left annular channel 210, and the exhaust valves 208 in the left cylinder head 206 and release the propellant gas filling of the propellant gas filling space 224 without expansion.
  • the overflow valves 226 in the right-hand piston 214 which is shown in FIG. 4, likewise open at regular intervals, thereby opening up the expansion process of the right-hand previously filled propellant charge space 224.
  • both pistons 214 unfold their thrust and expansion forces mutually adding to the left.
  • the thrust forces on the annular surface of the left piston - resulting from themaschinegas Stahlstoffmaschinell horrin times the effective annular surface - are consistent.
  • the forces acting on the right piston 214 expansion forces are initially very large due to the falling pressure curve, in which case the maximum pressure corresponds approximately to the filling pressure and can be reduced to ambient pressure with complete expansion. A positive torque input of approx. 96% is aimed for. If the expansion pressure builds up to ambient pressure, there are no energy outflows due to unused escaping residual pressure.
  • the MSR Shortly before reaching the left inner direction reversal point, as shown in FIG. 5, the MSR outputs the left exhaust valve 208
  • Closing command as a result of a Resttreibgaspolster builds up the kinetic energy from the moving linear unit consisting of the
  • Piston 214 and the piston rod 230 receives this while on
  • the linear cycle described so far with reference to FIGS. 2 to 5 is at its starting point and begins a new linear cycle with the same sequence.
  • the thermodynamic energy previously generated or converted in the propellant gas reactor is converted into a linear mechanical energy.
  • the double-toothed piston rod 230 has a toothing, which - according to Figure 2 - above and below with a ring gear 232 is engaged. If the piston rod 230 moves to the right, this results in the upper one
  • Gear ring 232 a left-turning torque and the lower ring gear 232 a right-turning torque. If the piston rod 230 moves to the left, a right-turning torque is produced in the upper ring gear 232 and a left-turning torque in the lower ring gear 232.
  • the freewheels 234 are arranged between both sprockets 232 and the wheel hubs 236, which have corresponding sprocket toothings.
  • the purpose of the freewheels 234 is to transmit the torques, which are each shown turning to the left, onto the wheel hubs 236, or not to transmit the respectively right-rotating torques to the wheel hubs 236.
  • the tasks of the wheel hubs 236 torque-connected and radially, and axially mounted drive shafts are to couple the generated torques - the generated powers of the expansion machine with other elements, or to forward to a power consumers on.
  • the chain drive 240 is provided for synchronizing the torques on both hubs, the task of which is to synchronize both output shafts 242 in a torque-proof manner and moreover a torque or power transfer of the total power optionally at both output shafts 242 to enable.
  • FIGS. 2 to 5 schematically represent the same expansion machine 202, even if some deviations in size should possibly be present in the illustration. Figures 2 to 5 differ in the operating states shown in each case.
  • FIG. 6A illustrates the interaction of the propellant gas generating device 2 with an expansion machine 202 coupled thereto.
  • the propellant gas generating device 2 generates propellant gas in the two propellant gas reactors 5.
  • the propellant gas reactors 5 are coupled with their propellant pressure vessels 4 to the cylinders 204 of the expansion machine 202 so that propellant gas from the outlet 18 the propellant pressure vessel is supplied to the annular channels 210 and is thus provided to the filling valves 212.
  • the MSR 10 is provided for simultaneously controlling the propellant gas reactors 5 and the expansion engine 202.
  • measured values from the propellant gas reactors 5 and the expansion machine 202 can be taken into account.
  • a reading may be the pressure in the propellant gas space 224.
  • the direction of movement of the linear unit consisting of the piston 214 and the piston rod 230 is directed to the right as shown and leads to a force and torque transmission over the upper ring gear 232 and the direction of rotation is directed to the left.
  • FIG. 6B the direction of movement of the linear unit is directed to the left as shown and results in a transmission of force and torque via the lower ring gear 232 and the direction of rotation is also directed to the left.
  • the torque at the wheel hubs 236 is directed to the left.
  • the two sprockets 232 rotate opposite and with changing direction.
  • the propellant gas reactor 705 of FIG. 7 has a combustion chamber 706 with a burner 708. In the area of the burner 708, fuel is supplied to the combustion chamber 706 via injection nozzles 740 and combustion air via air inlets or air nozzles 737. In this case, the fuel is supplied via fuel lines 739 and the combustion air via air lines 735.
  • compressed air supply lines 750 In the vicinity of the combustion chamber 706, further compressed air is supplied via compressed air supply lines 750. This additional compressed air is provided via compressed air lines 752. This additional compressed air can also be referred to as secondary fuel, which lowers the temperature of the propellant gas and increases its volume.
  • a portion of the compressed air supply lines 752 extends directly outside the combustion chamber 706 and thereby forms a second wall for the combustion chamber 706.
  • the combustion chamber 706 thermally insulated to the outside, which on the other hand leads to a heating of the supplied in this double wall further compressed air.
  • the compressed air is thus heated prior to feeding in the area of the compressed air supply lines 750 in order to favor the process in the propellant gas reactor 705.
  • the propellant gas reactor 705 is supplied with water and / or steam via feeds 749 under pressure.
  • the feeders 749 are still arranged above the compressed air supply lines 750 according to FIG.
  • the water should act substantially thermally in the generated propellant, but not act directly on the combustion process in the combustor 706.
  • part of the supply lines 748 are guided outside the combustion chamber 706 within an insulation wall 745, so that a further double walling arises, which increases the insulation of the propellant gas reactor 705 to the outside and at the same time leads to a heating of the water or water vapor in the supply lines 748.
  • the water or steam is thus heated to the propellant gas reactor 705 is supplied.
  • the supply of water vapor leads to an increase in volume of the propellant gas while reducing temperature and the water or Steam can thus also be referred to as another secondary fuel.
  • the term water may also mean water vapor.
  • combustion is thus effected by supplying fuel via the injection nozzles 740 and combustion air via the air nozzles 737, which combustion can still be assisted by supplying additional compressed air in the area of the compressed air supply lines 750.
  • a hot propellant gas is generated at a higher pressure and lower temperature.
  • a further increase in volume and temperature reduction is achieved by supplying the water in the area of the water supply 749.
  • the propellant gas thus produced can finally exit the propellant gas reactor 705 through the outlet 718 and be supplied to a further connection, in particular an expansion machine.
  • the propellant gas reactor 805 of FIG. 8 has a propellant pressure vessel 804, the interior 803 of which immediately adjoins a combustion chamber 806. In the combustion chamber 806 is in the region of a burner 808 via a
  • Combustion air is also introduced into the combustion chamber 806 via air nozzles 837. After ignition, the fuel with the combustion air burns to a fuel gas in the combustion chamber 806 and passes from there into the propellant pressure vessel 804.
  • the combustion chamber 806 and the inner space 803 are substantially surrounded by a heat-resistant wall 860.
  • a first secondary fuel is supplied via a first secondary fuel passage 851.
  • the secondary fuel passage 851 opens into first secondary fuel feeds 850 formed in the heat-resistant wall 860, which allow the supply of the first secondary fuel into the propellant pressure vessel interior 803.
  • the combustion process is already complete or at least substantially complete.
  • the mixing of the first secondary fuel with the fuel gas leads to an increase in volume of the resulting propellant gas.
  • the first secondary fuel absorbs heat from the fuel gas.
  • the first secondary fuel passage 851 is bounded outwardly by a heat-resistant center wall 862. Outside this heat-resistant middle wall 862, a second secondary fuel channel 871 is arranged, which provides a second secondary fuel to the interior 803 of the propellant pressure vessel 804 and thus of the propellant gas reactor 805. According to the propellant gas reactor 805 of FIG. 8, it is provided to supply compressed air as the first secondary fuel and to supply water vapor as the second secondary fuel.
  • the second secondary fuel passage 871 opens into second secondary fuel feeds 870, which may introduce the second secondary fuel into the interior 803.
  • the second secondary fuel is supplied to the second secondary fuel passage 871 via a second secondary fuel line 872.
  • the second secondary fuel is led around a propellant gas outlet 818 in a plurality of turns 874, so that optionally the second secondary fuel can be preheated here by heat-emitting propellant gas.
  • water vapor may form in the area of these turns 874 from pressurized water.
  • the second secondary fuel passage 871 is surrounded by an outer heat-resistant wall 864, which in turn is surrounded by a pressure-resistant housing 866, thus substantially completely closing the combustion chamber 806 and the inner space 803.
  • an insulation 868 is provided around the pressure-resistant housing 866. It should be noted that the insulation is intended in particular to leave heat in the system in order to avoid energy losses. In principle, protection against overheating is achieved by using existing heat to increase the volume of the propellant gas.
  • the expansion machine 902 of FIG. 9 includes two expansion subassemblies 903. Each expansion subassembly 903 has a cylinder 904 and a piston 914 guided therein.
  • a propellant gas expansion space 928 is provided for charging with propellant gas to expand there and result in movement of the piston 914.
  • a compression space 925 is provided, which is used for compressing air use.
  • the two pistons 914 are mechanically fixed to one another via a piston rod 930.
  • the piston rod 930 has a toothing on two sides, with which it is in engagement with two sprockets 932.
  • the sprockets 932 change their direction of rotation depending on the direction of movement of the piston rod 930.
  • Via freewheels 934 an oscillating movement of the piston rod 930 is converted into a torque with only one direction of rotation at the wheel hubs 936 and thus the associated drive shafts 942.
  • a chain drive 940 is provided for a synchronization of the wheel hubs 936.
  • the two expansion sub-assemblies 903 are right and left expansion sub-assembly, wherein the terms right and left reference to the representation of FIG 9.
  • propellant gas is supplied to the propellant gas expansion chamber 928 via a filling valve 912 on the left side.
  • the propellant gas then expands in the propellant gas expansion space 928, thereby causing the left piston 914 to move to the right.
  • the propellant gas expansion space 928 thereby increases, whereby the compression space 925 decreases and leads to compression of air contained therein.
  • air was previously admitted by the air filling valve 962, which is now compressed.
  • the compressed air may be discharged from the compression space 925 via the air outlet valve 958 and supplied to a desired use, in particular, a propellant gas generating device as a secondary fuel or combustion air.
  • the movement described also leads to a movement of the Piston rod 930 to the right, which leads to a left turn of the upper ring gear 932 and a clockwise rotation of the lower ring gear 932.
  • the left turn of the upper sprocket 932 is converted to a left turn torque on the upper wheel hub 936.
  • Due to the freewheel 934 in the lower ring gear 932 the movement leads to no torque at the wheel hub 936. Rather, in this case, the lower ring gear 932 and the lower hub 936 rotate in opposite directions.
  • the expansion of propellant gas in the left propellant gas expansion space 928 also causes the right piston 914 to move to the right so that the right propellant gas expansion space 928 decreases.
  • the exhaust valve 908 is opened, so that propellant gas thereby leaves the right propellant gas expansion space 928.
  • This propellant gas optimally has atmospheric pressure, but at the same time still has a relatively elevated temperature to the environment.
  • the propellant gas flowing out of the outlet valve 908 is thus supplied to a heat exchanger 970.
  • heat of the propellant gas can be released to water, whereby the water can be heated and used as a further, in particular second secondary fuel and fed to a propellant gas generating device.
  • the two pistons 914 coupled via the piston rod 930 form a movable linear unit and these two coupled pistons 914 are altogether also referred to as free pistons.
  • the right exhaust valve may be closed prior to reaching the end position of this free piston so that a residual amount of propellant gas remains in the right propellant gas expansion chamber 928 forming a gas cushion.
  • a central component of the invention is a propellant gas reactor, the task of which is to generate a maximum propellant gas volume flow under high pressure while optimally utilizing the heat energy contained in the fuel in order to supply it to a downstream machine.
  • the adaptation to different performance states of the overall machine ie a combination of the propellant gas reactor with an expansion machine or the like, is effected by a corresponding change in the supplied fuel, combustion air and SKT quantities.
  • the maximization of the propellant gas volume flow should take place taking into account the temperature compatibility of the materials used at the outlet of the reactor - and at the inlet of the machine - by using compressed air as combustion air, secondary fuels (SKT) in the form of compressed air, water or water vapor.
  • compressed air combustion air
  • secondary fuels SHT
  • the propellant gas reactor consists of a heat-insulated, pressure-resistant outer shell. Centrally in the lower area, fuel and the combustion air necessary for combustion at elevated pressure are supplied to a chamber in which the combustion process can take place completely.
  • SKT's can be fed in the form of additional compressed air, water or water vapor and fed to the combustion gas as shown for an embodiment in Fig. 8.
  • the propellant gas thus produced leaves the reactor through an opening in the upper area and serves to drive a machine, in particular an expansion machine.
  • these SKTs are supplied in such a way that their volume flows protect the outer reactor wall from overheating.
  • the use of a high-temperature resistant lining of the combustion chamber is necessary.
  • FIG. 9 also illustrates that the propellant gas comes from a propellant gas generator 900, referred to as reactor for short becomes.
  • This fuel gas generating device 900 is supplied with fuel and combustion air, and a first secondary fuel SKT1, which can be supplied as compressed air through the compression space 925, and a second secondary fuel SKT2, which can be prepared and provided in the heat exchanger 970 as heated water or steam.
  • the heat engine 1000 of FIGS. 10 to 12 includes two propellant gas reactors 1005 coupled to an expander 1102.
  • a propellant gas is generated, which in each case via an outlet 1018 and an adjoining propellant gas supply 1019 can each be supplied to an expansion subassembly 1103.
  • the propellant gas can in principle be supplied via a filling valve 1112 to a propellant gas expansion chamber 1128.
  • the propellant may be vented via an exhaust valve 1108.
  • an outlet line 1109 is connected downstream of the outlet valve 1108.
  • Expansion of propellant in the propellant gas expansion space 1128 of each of the expansion subassemblies 1103 increases the corresponding propellant expansion space 1128 and moves a piston 1114 via a piston end wall 1122.
  • the two pistons 1114 are mechanically coupled via a piston rod 1130 and movement of the pistons 1114 and thus Piston rod 1130 leads to a conversion into a torque in the conversion mechanism 1144.
  • the operation of the conversion mechanism 1144 corresponds approximately to that described in connection with the expansion machine according to FIG.
  • the propellant gas reactors 1005 are operated with a fuel and combustion air.
  • the fuel is supplied by means of a fuel pump 1038 and a fuel valve 1026 for controlling the fuel supply.
  • the combustion air is provided as compressed air by the expansion engine 1102, the compressed air being provided in the area of the air outlet valves 1158 as described. This compressed air is also supplied to the propellant gas reactor 1005 as the first secondary fuel outside the combustor 1006 through the first secondary fuel supply 1050.
  • water vapor is supplied as the second secondary fuel at the second secondary fuel supplies 1070.
  • the second secondary fuel is initially provided by a water pump 1042 and water flow control valve 1030 with pressure.
  • an initial preheating takes place through corresponding line windings 1076 in the area of the propellant gas outlet line 1109, through which the propellant gas flows out of the propellant gas expansion chamber 1128.
  • Further heating of the water, in particular toward the water vapor then takes place in the case of further windings 1074 in the region of the propellant gas feed 1019, which adjoins the outlet 1018 of the propellant gas reactor 1005.
  • the thus heated, in particular water heated to steam is then supplied as second secondary fuel through the second secondary fuel feeds 1070 the propellant gas reactor 1005.
  • Figures 11 and 12 illustrate again - starting from Figure 10 - a movement of the linear unit, which is formed from the two pistons 1114 and the piston rod 1130, to the right as shown. This is also to illustrate the pressure distributions.
  • propellant gas is introduced into the propellant gas expansion space 1128 on the left side Service. From FIG. 10 via FIG. 11 to FIG. 12, this propellant gas now leads to an increase in volume of the left propellant gas expansion chamber 1128 and thus a decrease in the pressure of the propellant gas contained therein. At the same time in the left compression chamber 1125, an increase in pressure of the air contained.
  • propellant gas is expelled from the right propellant gas expansion space 1128, with the pressure of the propellant gas remaining substantially the same there, namely approximately equal to atmospheric pressure. Also, the pressure in the compression space 1125 in the right cylinder 1104 remains substantially constant, namely at about atmospheric pressure, as air flows in through the air filling valve 1162. After reaching the position shown in Figure 12, the process reverses and the linear unit will go to the left again.
  • FIGS. 10 to 12 a central measuring, control and control unit 1010 is shown in FIGS. 10 to 12.
  • This measurement, control and control unit 1010 which is referred to as MRS 1010 for short, is used to control both the propellant gas generating means, including the fuel pump 1038, the fuel valve 1026 and the water pump 1042 and the water control valve 1030, as well as to control the expansion machine , so in particular the valves.
  • the conversion mechanism 1144 has a controlled freewheel, which is also controlled by the central MRS 1010.
  • the central MRS 1010 may also be used to couple multiple heat engines according to FIGS. 10-12.
  • the MRS 1010 also takes over a synchronization control, so that the heat engines, in particular the expansion machines with the same frequency or based on the resulting torque with the same speed but shifted phase are operated.
  • a mechanical synchronization coupling can be avoided, whereby the operation of one and in particular a plurality of heat engines is flexible and in particular variable.
  • the heat engine 1300 of FIG. 13 comprises a propellant gas generating device 1301 with two propellant gas reactors 1305 and one Expansion engine 1302 with a conversion mechanism 1344.
  • This heat engine 1300 substantially corresponds to the heat engine according to Figures 6A and 6B, wherein additionally a compressor 1350 is provided and coupled via the conversion mechanism 1344 with the expansion machine 1302.
  • the compressor 1350 has two first compression spaces 1352 and two second compression spaces 1354.
  • Each second compression space 1354 is formed in a compression body, namely compression piston 1356, wherein the compression piston 1356 are mechanically fixedly coupled to each other via a rack portion 1358 and basically form a moving body 1360.
  • Each of the first compression spaces 1352 is formed in a cylinder shell 1362 by moving the respective compression piston 1356.
  • each first compression space 1352 forms a first compression stage and every second one
  • Compression space a second compression stage. According to the presentation of the
  • the compression piston 1356 moves to the left, thereby compressing air in the first left side compression space 1352, which has previously flowed through compressor inlet valves 1364. With this compression in the first compression space 1352 on the left side air flows with increasing
  • the second compression stage is performed according to the operating position in FIG.
  • Already compressed air is in the second compression chamber 1354 this right side and is further compressed by the leftward movement of the compressor piston 1356 by the second compression chamber 1354 conditioned by reduces the movement of the compressor piston 1356.
  • the air compressed in this second stage may pass through a compressor outlet valve 1368 into a compressor discharge area 1370 and eventually be sent from there for further use.
  • the moving body 1360 which consists of the two compression pistons 1356 and the rack portion 1358, is basically the only moving part, except for the movable elements of the valves.
  • the moving body 1360 thus moves relative to the cylinder jacket 1362 and the compressor outlet portion 1370.
  • the rack portion 1358 For generating the oscillating movement of the moving body 1360, it is coupled via the rack portion 1358 to the upper ring gear 1332 of the conversion mechanism 1344, the ring gear 1332 being driven by the piston rod 1330 of the expansion machine 1302 is moved.
  • the movement of the moving body 1360 of the compressor 1350 is opposite to the movement of the piston rod 1330 of the expanding machine 1302.
  • the compressed air generated by the compressor 1350 may be used in the propellant gas reactors 1305, for example, as combustion air or as a secondary fuel.
  • the conversion mechanism 1444 of Figure 14 has two sprockets 1432 which are rotatably mounted in a housing 1446. Between the two Sprockets 1432 is mounted a first toothed piston rod 1430 of a first expansion machine and is in engagement with both sprockets 1432. A second piston rod 1429 of a second expansion machine is engaged only with a ring gear 1432.
  • the piston rods 1429 and 1430 move in opposite directions and, as shown in Fig. 14, the first piston rod 1430 is shown in a leftward moved position and, accordingly, the second piston rod 1429 is shown in a rightward moved position.
  • the movement of the first piston rod 1430 is transmitted directly to the upper or lower ring gear 1432.
  • the movement of the second piston rod 1429 is transmitted directly to the lower sprocket 1432 and via the lower sprocket, the first piston rod 1430 indirectly to the upper sprocket 1432, said directions relate to the illustration of FIG 14.
  • the rotational movement of the sprockets 1432 is transmitted depending on the direction by the upper or lower ring gear 1432 in a torque.
  • the force and torque effects are illustrated in Figure 15, according to which the upper piston rod 1430 can exert a force F1 with changing direction and the second piston rod 1429 also exerts a force F2 with changing direction.
  • the first piston rod 1430 carries out a force F1 directed to the right-in relation to the illustration of FIG. 15, this is transmitted to the upper sprocket 1432 in a leftward torque M 1 which is transmitted further to the wheel hub 1436.
  • the second piston rod 1429 exerts a leftward force F1, which is transmitted to the lower ring gear 1432, from there to the first piston rod 1430 and from there to the upper ring gear 1432, where it leads to a left-facing torque M2 ,
  • the torques M1 and M2 add up.
  • the force F1 of the first piston rod 1430 is directed to the left, this is transmitted to the lower ring gear 1432 as a torque M1 directed to the left and from there to the wheel hub 1436.
  • the force F2 of the second piston rod 1429 is directed to the right and is directly on the lower Sprocket 1432 transmitted and leads there to a left-facing torque M2.
  • the torques M1 and M2 add up.
  • the wheel hubs 1436 are coupled via a chain drive 1440 and corresponding torque can be selectively removed at the upper and / or lower wheel hubs 1436. According to this embodiment, a coupling of two expansion machines with only one conversion mechanism can be achieved in a simple manner. It only needs a second guide for the second piston rod 1429 are provided.
  • the propellant gas reactor 1605 operates with a fuel and combustion air and three secondary fuels, namely, compressed air as the first secondary fuel SKT1, water vapor as the second secondary fuel SKT2, and water as the third secondary fuel.
  • a measurement, control and control unit 1610 referred to as MRS 1610 for short, controls the supply of said five substances.
  • a compressor 1636 generates compressed air and also has a compressed air tank for storing compressed air. The compressed air is supplied to the MRS 1610 where it is firstly provided as combustion air for combustion in the combustion chamber 1606 and secondarily supplied to the propellant gas reactor 1605 as secondary fuel SKT1.
  • the heating in the heat exchanger 1680 is carried out by propellant gas leaving the illustrated expansion machine 1602. After the propellant gas has given off heat to the water in the heat exchanger 1680, it leaves the heat exchanger 1680.
  • the combustor 1606 is disposed and surrounded by a heat-resistant wall 1660. Outside the heat-resistant wall 1660, the water flows from a central wall
  • the first and second secondary fuels SKT1 and SKT2 are directed by means of tubes 1669 through the center wall 1662, substantially transversely through the channel 1661 and through the heat-resistant wall 1660, to the interior 1603 of the propellant gas reactor 1605. Further to the outlet 1618 of the propellant gas reactor 1605, the water is first added to the propellant gas. Subsequently, as viewed in the flow direction of the propellant gas, a boundary wall 1617 is provided in the outlet 1618.
  • the propellant gas is supplied via corresponding lines of the expansion machine.
  • the third secondary fuel is supplied to the propellant gas reactor in a start-up phase.
  • the second secondary fuel is preferably supplied after the start-up phase and the supply of the third secondary fuel is thereby reduced.
  • FIG. 17 shows a cylinder head 1701 of an expansion machine.
  • a jacket tube 1702 is arranged, in turn, a cylinder 1703 is arranged.
  • a piston 1704 is movably guided.
  • a so-called upset piston 1741 is arranged, which is basically firmly connected to the piston 1704.
  • a chamber with lubricating oil or compression damping oil 1705 is arranged.
  • propellant gas flows through an inlet valve 1706 into the cylindrical space in which the piston 1704 moves and pushes the piston 1704 to the left, as shown in FIG.
  • the inlet valve 1706 is closed and an outlet valve 1707 is opened.
  • Propellant gas is then forced out of the outlet at the outlet valve 1707 by the piston 1704.
  • the exhaust valve 1707 may be closed before reaching the end position by the piston 1704, so that by the remaining propellant gas Damping cushion is formed, which cushion the piston 1704 while accelerating in the opposite direction.
  • an emergency compression chamber 1711 is provided into which the piston 1704 would then move. As soon as the piston with one end face has arrived at the beginning of the emergency compression chamber 1711, this leads to a forced closure of the channel 1709 of the inlet valve 1706 and the channel of the outlet valve 1707. The piston is then cushioned in the emergency compression chamber 1711.
  • the chamber is provided with the lubricating oil or compression damping oil 1705. Should the damping by the emergency compression chamber 1711 not be sufficient, then the compression piston 1741 can basically disengage from the movement of the remaining piston 1704 and continue to enter the chamber with the compression damping oil 1705 and be damped there.
  • a temperature equalization space is provided, in which optionally a thermal filling is provided, which is to achieve a temperature compensation along, ie in the longitudinal direction of the cylinder 1703, in particular a compensation of high temperatures in the region of the cylinder head 1701 in the opposite direction of the cylinder 1703.
  • the piston 1801 in FIG. 18 is provided with a compression piston 1802, which are firmly connected to one another via shear pins 1803.
  • an upsetting cylinder 1806 is arranged, into which the compression piston 1802 is basically partially inserted.
  • a seal is effected by means of the sealing ring 1804.
  • the compression piston 1802 thus moves together with the piston 1801.
  • the piston 1801 is guided in a cylinder, not shown, by means of the guide rings 1805.
  • lubricating oil is supplied to the compression space 1806 via a lubricating oil supply 1808. Via lubricating outlets 1809, the lubricating oil reaches the outside of the piston 1801 and can lubricate it against a cylinder in which the piston 1801 is guided.
  • the piston ring set 1807 is provided for this purpose.
  • the shear pins 1803 may break and the force from the upset piston 1802 can be damped by the lubricating oil in the compression space 1806, which in this case can be further pushed out by the Schmieraustritte 1809.
  • a cylinder tube 1902 In a cylinder tube 1902 propellant gas is guided into an interior 1901 or it can exert force there on a piston, not shown.
  • an annular gap 1903 with a thermal oil filling is provided in order to distribute or balance temperature along the cylinder tube 1902, in particular in the longitudinal direction.
  • the annular gap 1903 is limited by a jacket tube 1904.
  • An insulating material 1905 which in turn is accommodated in an outer tube 1906, is arranged around the jacket tube 1904. Only from the outer tube 1906 to the outside takes place a temperature output from the system out, which is to be expected on the outer tube 1906 with a temperature in the range of 30 0 C.
  • the foundation with thermal full insulation carries the reactor body, as well as its superstructures and isolates the heat radiation of the combustion chamber downwards.
  • the reactor body consists of a good heat-conducting material (copper, or similar) and is alternated with heated gas channels (pressureless) and propellant gas passages (pressurized) interspersed.
  • the drawing shows the course of the propellant or propellant gas flow in the right half section and the course of the hot gases in the left half section.
  • the intermediate frame made of highly thermally conductive material creates a cavity between the reactor body and the head and collection plate (items 2 and 4) in which themaschinesch effetsnetz (Item 17) and the connections of the propellant injection nozzles (Pos.18) find place. Further, the gap is used as Bankgasumlenkhunt and serves the additional preheating of the propellant before its injection into the reactor.
  • the header and collector plate forms the top of the reactor core and collects all of the reactor core fuel gas channels via the connecting tubes to the reactor core to one or more central working pressure lines (C1).
  • the head and collection plate has the necessary openings for the passage of the hot gases upwards.
  • the insulating cover forms the upper thermal termination of the reactor core and insulates it against the otherwise occurring Anlagenrometudeabhne upwards.
  • the insulating cover has the necessary openings for the conduction of the hot gases in the reactor cavity in which the pipe network for the condensate treatment (Pos.6) is located.
  • the condensate treatment plant consists of a pipe network which is filled to about 75% with condensate and largely extracts the residual energy of the hot gases leaving the reactor core in order to optimally preheat the condensate.
  • the condensate which is under approximately 60 bar pressure is supplied to the propellant injection nozzles (Item 18).
  • Possible overpressures are supplied via the control valve (Pos. 8) and the line C2 to the expansion part of the WWKM.
  • this valve In cooperation with WWKM's central power and machine control system and heat and pressure sensors, this valve primarily regulates the flow rate of the propellant, which creates the volume or pressure of the propellant gas in the reactor core, thus controlling the performance of the WWKM system becomes.
  • the valve for the condensate steam overpressure derives any overpressure via the pressure line C2 and leads this profitably to the expansion part of the WWKM system.
  • the accumulator pressure vessel ensures via its valves that even after the standstill and the cooling of the WWKM system there is enough propellant pressure to start the system again.
  • the working pressure measuring system is used to record the current working pressure and, in conjunction with the central machine control, to control and control the inlet valve (item 9 expansion system) of the expansion system.
  • the heat source is the energy supply of the WKM machine, it can be very different kind. Conceivable today, this heat source can be burned of gases, oils or coals, but also by nuclear energy.
  • the exhaust gas control system ensures a thermally and vacuum-regulated pipe or discharge and optimum utilization of the hot gases.
  • the condenser takes up the utilized pressureless propellant gas of the expansion system via the manifold D and cools them back only as far as possible, which in turn produces the warmest possible liquid propellant.
  • the condensate pump takes the condensed propellant coming from the condenser without pressure and delivers it to the pressurized condensate treatment plant.
  • the insulation housing insulates the entire reactor against heat loss to the outside.
  • the central power and machine control system monitors all machine states and controls and controls all machine and performance parameters to each other, as long as they are not controlled exclusively Drehwinkelsyncron.
  • the propellant conduit supplies the propellant via the control valve (item 7) to the propellant injector nozzles in the reactor core.
  • the propellant injectors atomize the propellant as fine as possible fog in the heated propellant gas channels, which almost explosively creates the propellant gas.
  • the machine foundation with the machine housing forms the outer frame of the machine and the connection to the cylinders.
  • the bearing blocks stand on the machine foundation and contain the bearings of the machine shafts.
  • the toothed segment wheels create the positive connection of the rack with the machine shafts or their freewheel on the respective return stroke of the machine.
  • the connecting rod connects both piston rods together and derives the forces generated in the Zahnsegmentiza.
  • the piston rods together with the pistons and their seals and the cylinders form the force-generating linear units.
  • the pistons contain the reversing valves and are part of the linear units.
  • the cylinders complete consist of the cylinder tubes in which the pistons run with their seals, as well as the cylinder heads with the exhaust valves and the cylinder feet with the piston rod seals and intake valves.
  • the intake valves are activated synchronously at the intake time and are influenced by the machine control at the time of closing.
  • the reversing valves are controlled synchronously. In the open state, they provide for the then released pressure equalization between the Wegschvo- lumen on the piston rod side and the cylinder head side, which due to the area difference of the powerful return stroke, in the connection of the propellant gas expansion and also resulting pressure reduction to approximately depressurized and the propellant gas recirculation due to the expansion , takes place.
  • the spring accumulator stores the kinetic energy resulting from the movement and the mass of the linear unit in the short term at the reversal of direction of the linear unit and leads them to this again after the change of direction.
  • the task of the piston rod seal and storage is to ensure that no propellant volume compensation takes place past them and the piston rods are stored smoothly.
  • the task of the piston seal and storage is to ensure that no propellant volume compensation takes place past them and the pistons are stored smoothly
  • the task of the output shaft seal is not to let the lubrication of the machine located in the housing interior lubricant to escape to the outside.
  • the intake valves always open (synchronously controlled) always exactly at the time of each change of direction of the respective direction of action to the outside, the working pressure-dependent closing time, however, is influenced by the central machine control (R. Pos. 16) beyond the following direction change, so always enough expansion pressure volume for the expansion stroke is available, whereby no vacuum losses can occur until the following direction change.
  • the WWKM does not need to be cooled at any point to protect against thermal damage.
  • the propellant gas reactor and the expansion engine (cylinder) should be well insulated against heat dissipation.
  • the WWKM develops a torque at each angle of rotation due to the constant lever arm (r). All engines have at about the time of their largest release of force as a result of the crankshaft torque generation lever arm length goes to 00 and as a result generates almost no torque. 4. In contrast to all types of engines, the WWKM develops power, torque and thus power in every angular position, it is a true one-stroke. Even as a double system, the WWKM is able to deliver only slightly fluctuating torque.
  • the WWKM technology is predestined for the production of very high power with high torques and low speeds.
  • the WWKM technology is used to drive always the same speed and power, then, if it has a positive influence on the efficiency, a conventional steam boiler can be used to generate propellant gas.
  • the reactor technology shown here allows a relatively fast speed or power change.
  • the WWKM technology will be predestined after its successfully completed development phase to be used as a prime mover for power plants, ships or locomotives. It will make a significant contribution to improving these facilities, especially with regard to economic and ecological operation.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Treibgaserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Treibgases unter Druck zum Verrichten mechanischer Arbeit. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Treibgases unter Druck zum Verrichten mechanischer Arbeit unter Verwendung einer Treibgaserzeugungseinrichtung mit einem Treibgasdruckbehälter, einer mit dem Treibgasdruckbehälter verbundenen Brennkammer und einer Sekundärtreibstoffzufuhr zum Einleiten von Sekundärtreibstoff in den Treibgasdruckbehälter. Die Erfindung betrifft außerdem eine Expansionsmaschine zum Wandeln der in Treibgas unter Druck enthaltenen Energie in eine mechanische Bewegung, insbesondere Drehbewegung, mit einer ersten Expansionsteilanordnung, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Expansionsmaschine. Ebenfalls betrifft die Erfindung eine Wärmekraftmaschine zum Erzeugen einer mechanischen Bewegung unter Verwendung eines Brennstoffes, einen Kompressor zum Komprimieren eines Prozessgases, insbesondere Luft, sowie einen Dampferzeuger zum Erzeugen von Wasserdampf aus Wasser.

Description

Bremen, 13. August 2008
Unser Zeichen: WA 3382-02WO ISC/som
Durchwahl: 0421/36 35 25
Anmelder/Inhaber: WINKLER, Harald
Amtsaktenzeichen: Nβuanmβldung
Harald Winkler
Osterende 27, 27389 Helvesiek
Wärmekraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treibgaserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Treibgases unter Druck zum Verrichten mechanischer Arbeit und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Treibgaserzeugungseinrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Expansionsmaschine zum Wandeln einer Expansion von Treibgas unter Druck in eine mechanische Bewegung, insbesondere in eine Drehbewegung, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Expansionsmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Wärmekraftmaschine zum Erzeugen einer mechanischen Bewegung unter Verwendung eines Brennstoffs umfassend eine Treibgaserzeugungseinrichtung und eine Expansionsma- schine, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Kompressor zum Komprimieren eines Prozessgases, insbesondere Luft zur Verwendung in einer Treibgaserzeugungseinrichtung.
Wärmekraftmaschinen sind allgemein bekannt. Hierbei wird grundsätzlich durch Verbrennen eines Brennstoffs Hitze und ein Treibgas mit hohem Druck erzeugt. Dieses Treibgas mit hohem Druck wird in eine mechanische Bewegung gewandelt. Die mechanischen Wirkungsgrade, also das Verhältnis von mechanischer Energie, die in der mechanischen Bewegung enthalten ist, zu der Energie, die durch die Verbrennung als Hitze und Druck in dem Treibgas enthalten ist, ist verhältnismäßig schlecht und dürfte üblicherweise unter 50 % oder leicht darüber liegen.
Die zurzeit höchsten mechanischen Wirkungsgrade könnten von großvolumigen, langsam drehenden Zweitaktdieselmotoren erreicht werden und im Bereich von 49 % liegen. Aber auch diese Wirkungsgrade sind noch gering und dadurch begründet, dass ein Großteil sowohl der thermischen Energie als auch der in dem Druck gespeicherten Energie bedingt durch das Wirkprinzip der Maschine verpufft. Zwar werden heutzutage Optimierungen durchgeführt, jedoch können diese an dem grundlegenden Wirkprinzip nichts ändern und jegliche Verbesserungen der Wirkungsgrade sind in ihrem Erfolg begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, die beschriebenen Probleme möglichst zu beheben, oder zumindest zu verringern. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftmaschine vorzu- schlagen, die prinzipbedingt einen besseren Wirkungsgrad ermöglicht. Zumindest soll eine alternative Maschine vorgestellt werden.
Erfindungsgemäß wird eine Treibgaserzeugungseinrichtung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
Eine solche Treibgaserzeugungseinrichtung umfasst einen Treibgasdruckbehäl- ter zum Erzeugen des Treibgases darin, sowie eine Brennkammer zum Verbrennen eines Brennstoffs zum Erzeugen eines Brenngases bei dem durch die Verbrennung Wärme entsteht. Das Brenngas kann dann von der Brennkammer in den Treibgasdruckbehälter gelangen, in dem zusätzlich Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser zugegeben wird, um Wärme das Brenngas aufzunehmen. Als Sekundärtreibstoff kann flüssiges Wasser, Wasserdampf, Druckluft oder ein anderes geeignetes Gas verwendet werden. Durch das Zuführen des Sekundärtreibstoffs nimmt dieser Wärme auf, was insgesamt zu einer Absenkung der Temperatur des entstandenen Treibgases führt. Somit entsteht ein Kühleffekt durch eine Wärmeübertragung vom Brenngas in den Sekundärtreibstoff unter Vermeidung von Energieabfuhr. Daher kann der Sekundärtreibstoff auch als Kühlmittel bezeichnet werden, und der beschriebene Prozess kann als kühlen bezeichnet werden, wobei eine Kühlung im Sinne einer Wärmeabführung aus dem System nicht stattfindet, sondern eine Kühlung durch Mischung. Das Brenn- gas zusammen mit dem zugeführten Sekundärtreibstoff bildet dann das Treibgas. Dieses Treibgas kann dann insbesondere unter Beibehaltung eines Drucks, zumindest eines Teils seines Druckes, von der Treibgaserzeugungseinrichtung zur weiteren Verwendung, nämlich Umwandlung in mechanische Bewegung, weitergeleitet werden. Die Treibgaserzeugungseinrichtung, insbesondere der Treibgasdruckbehälter weist hierzu wenigstens einen Treibgasauslass auf.
Gemäß dieser Anordnung wird somit der Sekundärtreibstoff unmittelbar dem Brenngas zugeführt und damit vermischt. Der Sekundärtreibstoff bildet dann einen Bestandteil des Treibgases. Bei der Kühlung geht thermische Energie von dem Brenngas auf den Sekundärtreibstoff über, wobei diese auf den Sekundär- treibstoff übergegangene thermische Energie in dem Treibgas erhalten bleibt, weil der Sekundärtreibstoff Bestandteil des Treibgases bleibt.
Vorzugsweise ist die Brennkammer in dem Treibgasdruckbehälter angeordnet, oder sie bildet einen Teil des Treibgasdruckbehälters. Demnach kann in einem Fall die Brennkammer als im Wesentlichen geschlossener Raum mit entspre- chenden Brennkammerwänden ausgebildet sein, der in dem Treibgasdruckbehälter angeordnet ist. Die Kammeraußenwände sind dann in Kontakt mit einem Innenraum im Treibgasdruckbehälter. Die Brennkammer weist dann eine Öffnung zum Treibgasdruckbehälterinnenraum auf, so dass Brenngas von der Brennkammer in den Treibgasdruckbehälter strömen kann. Die Hitze der Brennkammer kann außerdem über die Kammerwände in den Treibgasdruckbehälter abgestrahlt werden.
Gemäß einer anderen Variante bildet die Brennkammer einen Teil des Treibgasdruckbehälters. Mit anderen Worten geht ein Innenraum der Brennkammer im Grunde fließend in den Innenraum des Treibgasdruckbehälters über. Insbeson- dere kann beispielsweise an einem Ende eines Raumes der Brenner angeordnet sein und in einer bestimmten Entfernung von dem Brenner kann die Sekundärtreibstoffzufuhr angeordnet sein. In noch weiterer Entfernung von dem Brenner ist dann eine Auslassöffnung zum Weiterleiten des Treibgases angeordnet. Somit geht in diesem Fall die Brennkammer im Grunde fließend in den Treibgasdruck- behälter bzw. seinen Innenraum über.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Brennkammer mit Brenner eine Brennstoffzufuhr zum Zuführen des Brennstoffs und eine Luftzufuhr zum Zuführen von Luft aufweist. Unter Luft ist in diesem Zusammenhang insbesondere allgemein ein Stoff zu verstehen, der zusammen mit dem Brennstoff nach einer Zündung zur Verbrennung führt bzw. diese begünstigt. Luft ist eine einfach zur Verfügung zu stellende Variante. Natürlich könnte ebenso reiner Sauerstoff oder ein anderes geeignetes Gas verwendet werden, das insbesondere Sauerstoff aufweist. Als Brennstoff wird vorzugsweise ein flüssig und/oder gasförmig vorliegender Brennstoff verwendet, wie Gas, wie beispiels- weise Biogas, Erdgas, Öl und andere Ölprodukte wie Diesel, Benzin oder Kero- sin, um nur einige Beispiele zu nennen. Weitere Beispiele für Brennstoffe sind brennbare Suspensionen, Emulsionen und Kohlestaub.
Der Brenner ist gemäß dieser Ausführungsform dazu vorbereitet, die Luft und den Brennstoff zu vermischen, insbesondere zu verwirbeln und ein Starten einer Verbrennung in der Brennkammer zu realisieren. Die Treibgaserzeugungseinrich- tung verwendet hierbei vorzugsweise komprimierte Luft, die somit unter Druck mit dem Brenner und damit der Brennkammer zugeführt wird. Hierzu wird ein Kompressor oder Luftkompressor verwendet, der solche Druckluft erzeugt und bereitstellt. Der Luftkompressor kann Teil der Treibgaserzeugungseinrichtung sein oder die Druckluft kann extern von einer Druckluftversorgung bereitgestellt werden. Optional ist ein Luftmengenregelventil zum Steuern des Drucks und/oder zum Steuern der Menge der bereitgestellten Druckluft vorgesehen. Hierdurch kann der Brennprozess durch entsprechende gesteuerte Zugabe der Druckluft geregelt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Brennstoffpumpe und/oder ein Brennstoffkompressor vorgesehen, um Brennstoff der Brennkammer und/oder dem Brenner insbesondere unter Druck zuzuführen. Vorzugsweise ist ein Brenn- stoffmengenregelvent.il vorgesehen zum Steuern der zuzuführenden Brennstoff- menge. Hierdurch kann entsprechend insbesondere zusammen mit der Steuerung der Zufuhr der Luft die Verbrennung in der Brennkammer gesteuert werden. Vorzugsweise ist die Brennstoffpumpe und/oder der Brennstoffkompressor mit einem Brennstoffdruckspeicher verbunden, um einen Druckvorrat für den Brennstoff zu erzeugen.
Vorzugsweise ist eine Sekundärtreibstoffpumpe, insbesondere eine Wasserpum- pe vorgesehen, um den Sekundärtreibstoff bzw. Wasser an der Sekundärtreibstoffzufuhr unter Druck bereitzustellen, um dieses unter Druck in den Treibgasdruckbehälter einzuleiten. Weiterhin kann hierfür optional ein Wassermengenre- gelventil vorgesehen sein zum Steuern der zuzuführenden Sekundärtreibstoff- bzw. Wassermenge. Auch hierdurch wird die Erzeugung des Treibgases besser regelbar, indem die zuzuführenden Sekundärtreibstoff- insbesondere Wassermenge, geregelt wird, um dadurch den Prozess der Treibgaserzeugung und/oder die Zusammensetzung des Treibgases zu steuern.
Im Übrigen ist zu beachten, dass der Brenner und damit auch der Treibgas- druckbehälter unter Atmosphärenüberdruck arbeitet. Entsprechend müssen die zuzuführenden Medien mit zumindest diesem Druck zugeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Steuereinheit vorgesehen zum Steuern der Treibgaserzeugungseinrichtung, insbesondere zum Steuern der Brennstoffzufuhr, der Luftzufuhr und/oder der Sekundärtreibstoffzufuhr. Eine solche Steuereinheit, die auch als Mess-, Steuer- und Regeleinheit bezeichnet werden kann, wertet relevante Eingaben wie Bedienereingaben und Istwerte aus und führt entsprechende Steuerungen durch, indem vorzugsweise entsprechende Steuerbefehle an Stelleinheiten gegeben werden. Bevorzugte Eingangswerte sind eine Bedienereingabe, insbesondere Leistungsvorgabe sowie diverse Messwerte wie Temperaturwerte beispielsweise in der Brennkammer und/oder in dem Druckgasbehälter, Druckwerte und bei einer angeschlossenen Expansionsmaschine, die die Energie in dem Treibgas in eine Drehbewegung umsetzt, eine Drehzahlmessung. Den Ausgang bilden entsprechend Steuerbefehle bzw. Steuersignale für ein oder mehrere Luftmengenregelventile, ein oder mehrere Brenn- stoffmengenregelventile und ein oder mehrere Regelventile für Sekundärtreibstoffe, insbesondere Wassermengenregelventile. Bei einer angeschlossenen Expansionsmaschine können auch dessen Stellglieder mit Ansteuerungsbefehlen bzw. Ansteuerungssignalen versorgt werden. Hierzu kann ein Füllventil zum Zuführen des Treibgases in die Expansionsmaschine als auch ein Auslassventil zum Auslassen von Treibgas aus der Expansionsmaschine zählen.
Aufgabe dieser Steuereinheit, insbesondere Zahlen-, Mess-, Steuer- und Regeleinheit ist es, auf Basis eines Grundprogramms und in Abhängigkeit der variablen Eingänge eine bestmögliche Treibgaserzeugung zu berechnen und diese entsprechend zu steuern. Hierbei kommt es insbesondere auf die Volumen-, Druck-, Temperatur- und Umweltwerte an.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist eine Sekundärtreibstoffleitung vorgesehen zum Leiten des Sekundärtreibstoffs zur Sekundärtreibstoffzuführung, die entlang wenigstens einer Wand des Treibgasdruckbehälters verläuft, um eine Vorwärmung des Sekundärtreibstoffs durch Wärme des Treibgasdruckbehälters zu erreichen. Die Zuführung von Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser, hat vorzugsweise den Zweck, dass ein Kühlen des Brenngases zu einer Erwärmung des Sekundärtreibstoffs und insbesondere zu einer Volumenausdehnung des Sekundärtreibstoffs führt. Hierdurch wird insgesamt eine starke Volumenausdehnung des Treibgases angestrebt. Es kommt nicht unbedingt darauf an, dass der Sekundärtreibstoff möglichst kalt dem Treibgasdruckbehälter zugeführt wird. Als günstig hat sich vielmehr erwiesen, die Behälterwände so zu kühlen, dass diese möglichst keinen thermischen Schaden nehmen. Dies kann durch das Führen des Sekundärtreibstoffs durch Sekundärtreibstoffleitungen entlang wenigstens einer Wand des Treibgasdruckbehälters erfolgen. Die Wand des Treibgasdruck- behälters wird hierdurch gekühlt und der Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser, erwärmt. Dieser erwärmte Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser, kann dann in der erwärmten Form also in Fließrichtung des Wassers nach den beschriebenen Sekundärtreibstoffleitungen in den Treibgasdruckbehälter eingeführt werden. Die Temperatur kann hierbei vorzugsweise bereits so hoch liegen, dass das Wasser bereits dampfförmig ist, also als Wasserdampf zugeführt wird. Die- ses Wasser kann dann thermische Energie von dem Brenngas annehmen und zu einer Volumen- und/oder Druckerhöhung des Treibgases beitragen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Treibgasdruckbehälter zumindest abschnittsweise wenigstens doppelwandig ausgeführt ist und zwischen zwei Wänden der Sekundärtreibstoff und/oder die Luft zum Zuführen zum Druckgasbehälter bzw. der Brennkammer geführt wird. Hierbei ist zu beachten, dass in dem Treibgasdruckbehälter, insbesondere wenn die Brennkammer einen Teil davon bildet, an unterschiedlichen Stellen mit unterschiedlichen Temperaturen zu rechnen ist. Die höchste Temperatur ist funktionsbedingt im Bereich des Brenners und damit der Brennkammer zu erwarten und sie wird zum Treibga- sauslass hin abnehmen. Somit kann im Bereich der Brennkammer beispielsweise eine Dreiwandigkeit vorgesehen sein. Im Bereich etwa mittig zwischen Brenner und Treibgasauslass kann eine Doppelwandigkeit und zum Treibgasauslass hin schließlich eine Einwandigkeit vorgesehen sein, um nur ein Beispiel zu nennen. Die Dreiwandigkeit kann genutzt werden, um in einem Bereich zwischen zwei Wänden Luft zum Zuführen zum Treibgasdruckbehälter bzw. zur Brennkammer zu führen. Im Bereich der Dreiwandigkeit kann in einem anderen Zwischenbereich und zum zweiwandigen Bereich des Druckgasbehälters hin der Sekundärtreibstoff insbesondere Wasser geführt werden. Nach der Stelle zum Zuführen des Sekundärtreibstoffs kann dann zum Treibgasauslass hin eine Einwandigkeit vorgesehen sein.
Eine weitere Ausführungsform schlägt eine zweite Sekundärtreibstoffzufuhr zum Zuführen eines weiteren Sekundärtreibstoffs vor. Somit kann als ein erster Sekundärtreibstoff bspw. Druckluft vorgesehen sein und als ein zweiter Sekundärtreibstoff Wasser oder Wasserdampf. Die Sekundärtreibstoffe sind zum Zuführen in den Treibgasdruckbehälter vorgesehen. Und es ist zu betonen, dass Sekundärtreibstoffe zu unterscheiden sind von einer Verbrennungsluft, die in die Brennkammer zum Verbrennen mit dem Brennstoff eingeleitet wird. Die Sekunda rtreibstoffe sollen nicht an der Verbrennung teilnehmen, sondern danach eingeleitet werden und eine Volumenvergrößerung des Treibgases erreichen. Grundsätzlich kann gemäß einer weiteren Ausführungsform auch das Einleiten noch weiterer Sekundärtreibstoffe vorgesehen sein.
Eine weitere Ausführungsform schlägt einen Wärmetauscher vor zum Erwärmen wenigstens eines Sekundärtreibstoffs aus Wärme des Treibgases und/oder aus Wärme eines weiteren Mediums. Hierdurch wird eine Erwärmung des ersten, zweiten und/oder weiteren Sekundärtreibstoffs erreicht, so dass ein Einleiten des betreffenden Sekundärtreibstoffs in den Treibgasdruckbehälter in vorgewärmten Zustand auf einfache Weise erfolgen kann. Zum Erwärmen kann Wärme des Treibgases verwendet werden, indem Treibgas dem Wärmetauscher zugeführt wird. Das Treibgas kann hierzu bspw. nach dem Verlassen einer der Treibgaser- zeugungseinrichtung nachgeschalteten Expansionsmaschine verwendet werden. Es kann auch Treibgas verwendet werden, das die Treibgaserzeugungseinrich- tung unmittelbar verlassen hat, oder eine Kombination. Weiterhin kommen zur Verwendung in dem Wärmetauscher andere wärmeführende Medien in Betracht, wie bspw. geothermisch gewonnenes Gas.
Zum Betreiben einer Treibgaserzeugungseinrichtung wird erfindungsgemäß ein Verfahren gemäß Anspruch 11 vorgeschlagen. Dieses Verfahren wird somit verwendet, um ein Treibgas unter Druck zu erzeugen, das zum Verrichten mechanischer Arbeit verwendet werden kann. Hierzu wird eine Treibgaserzeugungseinrichtung verwendet, die einen Treibgasdruckbehälter, eine Brennkammer und eine Sekundärtreibstoffzufuhr aufweist. Folgende Schritte werden vor- geschlagen, die im Wesentlichen gleichzeitig, insbesondere kontinuierlich und somit parallel durchgeführt werden. Demnach wird ein Brennstoff in der Brennkammer verbrannt, um ein Brenngas zu erzeugen. Dieses Brenngas weist eine große Hitze auf, sowie einen gewissen Überdruck, der auch durch den Aufbau einer geschlossenen Brennkammer bedingt ist. Dabei ist unter geschlossener Brennkammer auch eine offene, aber in einem im Wesentlichen geschlossenen Treibgasdruckbehälter angeordnete Brennkammer zu verstehen. Das Brenngas wird in den Treibgasdruckbehälter geleitet. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Abfuhr eines erzeugten Treibgases und das fortgesetzte Betreiben des Brenners, so dass Brenngas nachkommt. In den Treibgasdruckbehälter und somit in das Brenngas hinein wird Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser, eingeleitet. Dies führt zum Kühlen des Brenngases und dabei zu einer Erwärmung des Sekundärtreibstoffs, insbesondere des Wassers, und einer dadurch bedingten Ausdehnung des Sekundärtreibstoffs oder Wassers. Als Resultat entsteht das Treibgas in dem Treibgasdruckbehälter, das einen entsprechend hohen Druck aufweist und zu einer entsprechenden Volumenvergrößerung des Treibgases führen kann. Gemäß einer Möglichkeit wird der Sekundärtreibstoff zerstäubt und/oder als Wasserdampf eingeleitet. Soweit möglich erfolgt das Einleiten so, dass eine möglichst günstige Vermischung von Brenngas und Sekundärtreibstoff zu dem Treibgas erfolgt. Der Sekundärtreibstoff wird im Übrigen unter Druck zugeführt.
Vorzugsweise wird bei diesem Verfahren eine erfindungsgemäße Treibgaser- zeugungseinrichtung verwendet, wie sie obenstehend bereits erläutert wurde.
Günstig ist es somit, wie teilweise bereits erläutert wurde, wenn das Verbrennen des Brennstoffs zu dem Brenngas unter Zuführung von Luft erfolgt, als Sekundärtreibstoff Wasser in flüssiger Form so zugeführt wird, dass es beim Kühlen des Brenngases verdampft und so zu einer Volumenvergrößerung führt oder bereits als Wasserdampf zugeführt wird und/oder das Treibgas Brenngas und Wasserdampf aufweist, insbesondere ein Gemisch aus Brenngas und Wasserdampf ist. Das Verbrennen des Brennstoffs wird durch das Zuführen von Luft, die hier auch exemplarisch für andere Zusätze wie Sauerstoff steht, begünstigt und insbesondere besser steuerbar.
Vorzugsweise wird das Treibgas so erzeugt, dass die Verbrennung unter Überdruck stattfindet. Dies ist ein Charakteristikum des Brenners und macht entsprechende Vorkehrungen erforderlich wie insbesondere den Brennstoff und soweit erforderlich die Luft unter Druck zuzuführen. Entsprechend ist auch - wie oben bereits erläutert wurde - der Sekundärtreibstoff dem Druckgasbehälter unter Druck zuzuführen. Gemäß weiterer Ausführungsformen wird vorgeschlagen, dass der Brennkammer Druckluft zugeführt wird, die durch einen Druckluftkompressor bereitgestellt wird, wobei vorzugsweise ein Druckluftregelventil verwendet wird und der Druck und/oder die Menge der Druckluft gesteuert wird. Günstig ist es auch, der Brenn- kammer und/oder dem Brenner Brennstoff mittels einer Brennstoffpumpe und/oder einem Brennstoffkompressor zuzuführen, wobei vorzugsweise ein Brennstoffmengenregelventil verwendet wird und wobei die zuzuführende Brennstoffmenge gesteuert wird. Bei Verwendung eines gasförmigen Treibstoffs wird für die Steuerung des Brennstoffmengenventils eine Überwachung des Drucks, der Temperatur und/oder des Volumen- und/oder Massestroms des zugeführten Brennstoffs vorgeschlagen. Zudem wird bevorzugt als Sekundärtreibstoff dem Treibgasdruckbehälter Wasser mittels einer Wasserpumpe zugeführt und optional ein Wasserregelventil verwendet, das Wasser unter Druck zugeführt und die zugeführte Wassermenge gesteuert. Ebenso kann gegebenenfalls die Steuerung des Drucks und/oder der Wassermenge unmittelbar über die Wasserpumpe durchgeführt werden. Die Zuführung eines gasförmigen Sekundärtreibstoffs kann ähnlich wie die Zuführung eines gasförmigen Brennstoffs oder der Druckluft vorgenommen werden.
Vorzugsweise wird man das Verfahren als einen fließfähigen Brennstoff, also einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, einsetzen, wie insbesondere Gas, Öl, Benzin und Diesel, um nur einige Beispiele zu nennen.
Wie auch schon im Zusammenhang mit der Treibgaserzeugungseinrichtung erläutert wurde, kann gemäß einer Ausführungsform vorgeheiztes Wasser als Sekundärtreibstoff verwendet werden und/oder Wasser in den Treibgasdruckbe- hälter unter Druck eingenebelt werden. Hierdurch ist es möglich, das Wasser zuvor zum Kühlen des Treibgasdruckbehälters oder auch anderer Bestandteile der Treibgaserzeugungseinrichtung oder auch anderer Bestandteile einer Wärmekraftmaschine zu verwenden. Die zum Vorwärmen entzogene Wärme bleibt in dem System durch das Zuführen des so vorgeheizten Wassers zu dem Brenn- Stoff erhalten. Vorzugsweise wird das Verfahren so ausgeführt, dass die Wasser- bzw. Sekun- därtreib-stoffzufuhr , die Brennstoffzufuhr und/oder die Druckluftzufuhr abhängig von Messungen von Zuständen in der Treibgaserzeugungseinrichtung erfolgt, insbesondere abhängig von Messungen der Temperatur, des Volumens, des Drucks und/oder der Zusammensetzung des Treibgases und/oder abhängig von der Temperatur im Brenner erfolgt. Vorzugsweise wird dabei eine Steuerung der Mengenverhältnisse und/oder des Drucks der Druckluft, des Brennstoffs und des Wassers durchgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Verfahren so ge- steuert wird, dass das Treibgas den Treibgasdruckbehälter etwa mit einem Druck von 10 bis 50 bar und einer Temperatur im Bereich von 750 0C bis 1200 0C verlässt. Dabei ist die Temperatur um so höher, je höher der Druck ist und umgekehrt.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Expansionsmaschine gemäß Anspruch 22 vorgeschlagen. Eine solche Expansionsmaschine weist einen Füllraum und einen Treibgasexpansionsraum auf. Dabei ist in dem Füllraum der Bewegungskörper so angeordnet und geführt, dass ein Druck des Treibgases, mit dem der Füllraum befüllt wurde, an die erste Druckfläche angreift und den Bewegungskörper damit in eine erste Richtung schiebt und damit bewegt. Diese Bewegung kann resultie- ren aus einer Expansion des befüllten Treibgases bzw. in Kombination kann es zusammen mit dem Befüllen erfolgen. Mit anderen Worten kann durch das Befül- len mit Treibgas der Bewegungskörper unmittelbar in die erste Richtung bewegt werden. Der Bewegungskörper ist ebenfalls in den Treibgasexpansionsraum geführt, wobei die zweite Druckfläche im Grunde der ersten Druckfläche entge- gengerichtet ist und eine Expansion eines dem Treibgasexpansionsraum zugeführten Treibgases zu einer Bewegung des Bewegungskörpers in die zweite der ersten Richtung entgegen gesetzte Richtung bewegt wird. Die Expansionsmaschine ist im Wesentlichen dazu vorbereitet, dass eine Bewegung des Bewegungskörpers in die zweite Richtung aufgrund einer Expansion des Treibgases in dem Treibgasexpansionsraum erfolgt. Die Wirkung des Treibgases in dem Füllraum und dem Treibgasexpansionsraum sind somit entgegengerichtet. Insbe- sondere ist die Expansionsmaschine entsprechend so zu steuern, dass eine Befüllung des Füllraums und eine Expansion des Treibgases in dem Expansionsraum nacheinander, insbesondere abwechselnd erfolgt.
Vorzugsweise ist die erste Druckfläche kleiner als die zweite Druckfläche. In dem Füllraum wird somit ein höherer Druck benötigt, um dieselbe Kraft auf den Bewegungskörper auszuüben wie in dem Treibgasexpansionsraum durch einen entsprechend geringeren Treibgasdruck ausgeübt werden kann. Dabei sind jeweils die Kräfte in Richtung der ersten bzw. zweiten Bewegungsrichtung gemeint.
Eine Ausführungsform schlägt vor, dass der Füllraum als Zylinderraum oder Ringspalt ausgebildet ist und entsprechend die erste Druckfläche als Kreis- bzw. Ringfläche ausgebildet ist, der Bewegungskörper als Kolben ausgeführt ist und/oder der Treibgasexpansionsraum als Ringspalt oder Zylinderraum ausgebildet ist und die zweite Druckfläche als Ring- bzw. Kreisfläche ausgebildet ist. Die Verwendung eines Kolbens als Bewegungskörper ist konstruktiv einfach zu gestalten. Die erste Expansionsteilanordnung kann dadurch insgesamt einfach und im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt sein. Beispielsweise ist der Füllraum ein Ringspalt und die erste Druckfläche entsprechend eine Ringfläche und der Treibgasexpansionsraum ein Zylinderraum mit der zweiten Druckfläche als Kreisfläche. Auf diese Art und Weise ist auch leicht zu realisieren, dass die erste Druckfläche kleiner als die zweite Druckfläche ist. Ebenso kann die Aufteilung umgekehrt sein, eine größere Ringfläche als die Kreisfläche ist bei entsprechender Größenaufteilung zu erreichen.
Gemäß einer Ausführungsform überlappen sich der Füllraum und der Treibgasexpansionsraum, wobei beide vorzugsweise in einer gemeinsamen Bohrung ausgebildet sind. Demnach kann eine gemeinsame Bohrung als ein gemeinsamer Zylinderraum vorgesehen sein, in dem sich der Bewegungskörper insbesondere als Kolben bewegen kann und der Füllraum ist dann auf einer Seite des Kolbens ausgebildet und der Treibgasexpansionsraum an der anderen Seite. Teile der Bohrung gehören dann je nach Kolbenstellung zum Füllraum oder zum Treibgasexpansionsraum. Vorzugsweise umfasst die Expansionsmaschine wenigstens ein mit dem ersten Füllraum funktional verbundenes Füllventil zum Einlassen von Treibgas in den ersten Füllraum, wenigstens ein mit dem Treibgasexpansionsraum funktional verbundenes Auslassventil zum Auslassen von Treibgasen aus dem Treibgasex- pansionsraum und/oder wenigstens ein mit dem Füllraum und dem Treibgasexpansionsraum funktional verbundenes Überströmventil zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Füllraum und dem Treibgasexpansionsraum, um Treibgas zu ermöglichen, vom Füllraum zum Treibgasexpansionsraum zu strömen. Der Füllraum und der Treibgasexpansionsraum sind somit funktional über das wenigstens eine Überströmventil verbunden. Insgesamt ist diese Expansionsteilanordnung somit dazu vorbereitet, dass ein Treibgas über das Füllventil in den Füllraum strömt, dort zu einer Bewegung des Bewegungskörpers in die erste Richtung führt, anschließend über das Überströmventil in den Treibgasexpansionsraum strömt, dort expandiert und zu einer Bewegung des Bewe- gungskolbens in die zweite Richtung führt und anschließend - vorzugsweise nach vollständiger Expansion und Druckabnahme auf Atmosphärendruck - den Treibgasexpansionsraum verlässt.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Expansionsmaschine gemäß Anspruch 27 vorgeschlagen. Diese Expansionsmaschine weist eine Expansionsteilanordnung mit einer Doppelfunktion auf, die insbesondere auf ein Zusammenwirken mit einer Treibgaserzeugungseinrichtung abgestimmt ist. Demnach ist ein Treibgasexpansionsraum vorgesehen, der mit Treibgas zu befüllen ist und in dem das Treibgas dann expandiert um den Bewegungskörper in eine erste Richtung zu drücken und entsprechend eine translatorische Bewegung des Bewegungskör- pers in diese erste Richtung hervorzurufen. Dieser Bewegungskörper ist außerdem in einen Kompressionsraum geführt und weist eine Kompressionsfläche auf, um ein Prozessgas, insbesondere Luft, das in der Treibgaserzeugungseinrichtung Verwendung finden kann, zu komprimieren. Eine Komprimierung erfolgt dabei durch eine translatorische Bewegung des Bewegungskörpers in die erste Richtung, so dass eine durch die Expansion des Treibgases hervorgerufene Bewegung des Bewegungskörpers zu einer Kompression des Prozessgases in den Kompressionsraum führt. Vorzugsweise ist die Druckfläche größer als die Kompressionsfläche. Hierdurch kann einerseits erreicht werden, dass derselbe Expansionsdruck an der Druckfläche zu einer Kompression mit höherem Kompressionsdruck auf der Seite der Kompressionsfläche führen kann. Andererseits wird erreicht, dass die Expansion des Treibgases eine Bewegung des Bewegungskörpers in die erste Richtung mit hoher Energie bzw. Kraft erreichen kann und die damit durchgeführte Kompression des Prozessgases von dieser Energie bzw. Kraft nur wenig verbraucht.
Dabei ist vorzugsweise ein gemeinsamer Zylinderraum oder eine gemeinsame Bohrung vorgesehen, in dem der Treibgasexpansionsraum und der Kompressi- onsraum ausgebildet sind. Im Grunde bewegt sich im Betrieb der Bewegungskörper dann - insbesondere als Kolben - zwischen dem Treibgasexpansionsraum und dem Kompressionsraum hin und her.
Günstig ist es, um wenigstens eine der Expansionsteilanordnungen ein Mantelrohr vorzusehen, um darin ein Medium zum Temperaturausgleich zu führen. Hierdurch kann ein Temperaturausgleich zwischen unterschiedlich warmen Bereichen der Expansionsteilanordnung erreicht werden. Als Medium kommen Thermoöle, Wasser, Gase und andere Medien in Betracht. Ein Temperaturausgleich kann auch im Bereich von Zylinderköpfen vorgesehen sein und das verwendete Medium zum Erwärmen an anderer Stelle verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei Expansionsteilanordnungen, also eine erste und eine zweite miteinander gekoppelt. Diese Kopplung kann sowohl mit einer Expansionsteilanordnung mit Füllraum und Treibgasexpansionsraum als auch mit einer Expansionsteilanordnung mit Kompressionsraum und Treibgasexpansionsraum vorgenommen werden. Die beiden Expansi- onsteilanordnungen sind somit im Grunde im Gegentakt gekoppelt, so dass eine Expansion von Treibgas im Treibgasexpansionsraum der ersten Expansionsteilanordnung zu einer Entleerung des expandieren Treibgases aus dem Treibgasexpansionsraum der zweiten Expansionsteilanordnung führt. Die Funktion der Füllräume bzw. der Kompressionsräume bleibt entsprechend so erhalten, wie sie bereits im Zusammenhang mit jeweils einer einzelnen Expansionsteilanordnung erläutert wurde.
Bei Verwendung von zwei Expansionsteilanordnungen mit Kompressionsraum wird somit ein abwechselndes Expandieren von Treibgas in dem jeweiligen Treibgasexpansionsraum durchgeführt, das zu einer translatorischen Bewegung führt, die in eine rotatorische umgewandelt wird, wobei gleichzeitig ebenso wechselseitig Prozessgas komprimiert und als komprimiertes Prozessgas, insbesondere als Druckluft bereitsteht und der Treibgaserzeugungseinrichtung zugeführt werden kann.
Vorzugsweise ist eine Schwungmasse vorgesehen, zum Speichern und Abgeben einer Bewegungsenergie von bzw. zu dem Bewegungskörper. Eine solche Schwungmasse kann Bewegungsenergie insbesondere dann aufnehmen, wenn der jeweilige Treibgasexpansionsraum, der in dem Treibgas gerade expandiert, noch klein und der Druck des Treibgases noch hoch ist. Eine zunehmende Ex- pansion des Treibgases und damit eine Vergrößerung des Treibgasexpansions- raumes führt auch zu einer Druckabnahme des Treibgases und entsprechend einer Kraftabnahme des Bewegungskörpers. Zum Ende der Bewegung hin kann diese Bewegung durch den Schwungkörper aufrechterhalten werden, auch wenn eine nachfolgende Einrichtung mechanische Energie entnimmt. Hierdurch ist es zumindest theoretisch möglich, dass sich der Druck des Treibgases zum Ende der Bewegung hin auf Atmosphärendruck absenkt. Hierdurch wäre vermieden, Treibgas mit Überdruck am Ende der Bewegung entweichen zu lassen und damit Energie zu verschenken. Es ist zu bemerken, dass obwohl zum Ende der Bewegung hin die Schwungmasse einen Teil der Bewegung übernimmt, die - wenn- gleich schwache - Expansionskraft bzw. Druckkraft des Treibgases dennoch einen Beitrag zur Bewegung leistet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Wandlungsmechanik vorgeschlagen, die wenigstens eine mit dem Bewegungskörper verbundene Zahnstange aufweist und wenigstens ein mit der Zahnstange gekoppeltes Zahnradmittel, zum Wandeln einer translatorischen Bewegung der Zahnstange in eine rotatori- sche Bewegung am Zahnradmittel. Diese Vorrichtung hat gegenüber einer Konstruktion aus Rad- und Kurbelstange den Vorteil, dass von der Zahnstange im Grunde immer die gleiche Kraft in dasselbe Drehmoment umgesetzt wird, weil durch die Verwendung der Zahnstange an dem Zahnradmittel dauerhaft eine Kraftaufwendung in einem 90-Grad-Winkel von der translatorischen Bewegungsrichtung zum Radius, an dem die Zahnstange angreift, erreicht wird.
Vorzugsweise ist die Expansionsmaschine dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlungsmechanik wenigstens ein erstes Zahnradmittel aufweist, um eine translatorische Bewegung einer ersten Richtung des Bewegungskörpers in eine Drehbewegung mit einer ersten Drehrichtung zu wandeln und ein zweites Zahnradmittel aufweist, um eine translatorische Bewegung einer zweiten Richtung des Bewegungskörpers in eine Drehbewegung mit der ersten Drehrichtung zu wandeln. Es wird also in jedem Fall eine translatorische Bewegung in eine Drehbewegung mit ein und derselben Drehrichtung gewandelt. Dabei wird vorgeschla- gen, dass zwischen dem ersten und zweiten Zahnradmittel so umgeschaltet wird, dass eine Bewegung des Bewegungskörpers in eine Drehbewegung mit der ersten, also nur einer, Drehrichtung gewandelt wird. Vorzugsweise weist jedes Zahnradmittel hierzu einen Freilauf auf, insbesondere einen gesteuerten Kupplungsfreilauf, um jeweils nur bei der ersten bzw. der zweiten Richtung der transla- torischen Bewegung wirksam zu sein. Entsprechend braucht gemäß einer Variante keine aktive Umschaltung durchgeführt zu werden und es wird immer eine Umwandlung in die genannte erste Drehbewegung durchgeführt. Wird ein gesteuerter Kupplungsfreilauf verwendet, ist es möglich, den Freilauf gezielt zu deaktivieren, so dass eine Kraft von dem Zahnradmittel auch bei der genannten Drehrichtung auf den Bewegungskörper übertragen werden kann. Dies kann dann von Vorteil sein, wenn zu einer Endposition des Bewegungskörpers hin seine Bewegung durch die Zahnradmittel noch unterstützt werden soll.
Vorzugsweise kann der Bewegungskörper mit zwei Zahnstangen bzw. einer Doppelzahnstange ausgebildet sein, indem eine Zahnstange bzw. ein Teil einer Doppelzahnstange für jeweils eine translatorische Bewegung zu einer Übertragung führt. Die Expansionsmaschinensteuereinheit ist gemäß einer Ausführungsform dazu vorbereitet, die Bewegung einer Lineareinheit, die insbesondere Kolben und Kolbenstange umfasst, über Ventilstellungen zu steuern. Außerdem können ggf. Kupplungsfreiläufe gesteuert werden, um eine Drehmomentübertragung geeignet zu steuern. Insbesondere sind die Messung und Berücksichtigung der Zustands- größen Kolbenort, Kolbengeschwindigkeit, Kolbenbewegungsrichtung, erzeugte Drehzahl an einer Abtriebswelle und Ventilstellungen sowie ggf. Zustände der Kupplungsfreiläufe vorgesehen. Bei Kopplung mehrerer Expansionsmaschinen kann die Expansionsmaschinensteuereinheit dazu vorbereitet sein, diese Expan- sionsmaschinen in ihrer Bewegung zu koordinieren. Vorzugsweise kann eine zentrale Steuereinheit vorgesehen sein, die neben den Aufgaben der Expansionsmaschinensteuereinheit auch die Steuerung einer Treibgaserzeugungseinheit übernimmt vorzugsweise kann eine Steuereinheit für eine Treibgaserzeugungseinheit und eine Expansionsmaschinensteuereinheit koordiniert und/oder in einer Einheit kombiniert sein.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Anordnung wenigstens zweier Expansionsmaschinen vorgeschlagen, wobei die Expansionsmaschinen so gekoppelt sind, dass sie jeweils ein Drehmoment auf eine gemeinsame Welle leiten, wobei insbesondere die Expansionsmaschinen dazu vorbereitet sind, synchronisiert und/oder koordiniert betrieben zu werden. Hierbei können zwei Expansionsmaschinen über eine Wandlungsmechanik gekoppelt sein, indem bspw. jede Expansionsmaschine mit einer Zahnstange an einer Wandlungsmechanik mit zwei Zahnradmitteln angreift. Ebenso können zwei, oder auch mehrere Expansionsmaschinen ein Drehmoment auf eine gemeinsame Welle übertragen, wobei die Expansionsmaschinen einzeln oder paarweise in axialer Richtung der gemeinsamen Welle hintereinander angeordnet sind. Jedenfalls bei Kopplung mehrerer Expansionsmaschinen gleicher Bauart und Baugröße und/oder Verwendung gleicher Wandlungsmechaniken sollten die Expansionsmaschinen im Gleichlauf gekoppelt sein. Sie laufen dabei zumindest teilweise phasenverschoben, ansons- ten aber synchron, bzw. mit gleicher Frequenz. Erfindungsgemäß wird zudem ein Verfahren zum Betreiben einer Expansionsmaschine mit einer ersten Expansionsteilanordnung mit einem Füllraum und einem Treibgasexpansionsraum gemäß Anspruch 35 vorgeschlagen. Demnach werden folgende Schritte durchgeführt: Im Ersten Schritt wird der Füllraum über wenigstens ein Füllraumbetreibgas befüllt, wobei der Druck des Treibgases auf eine erste Druckfläche an dem Bewegungskörper wirkt und diesen in eine erste Richtung drückt und damit in diese Richtung bewegt. Im zweiten Schritt wird das wenigstens eine Füllventil geschlossen und anschließend wenigstens ein Überströmventil geöffnet, so dass das Treibgas aus dem Füllraum in einen Treibgas- expansionsraum strömt. Das Öffnen des wenigstens einen Überströmventils kann über dem Schließen des wenigstens einen Füllventils etwas zeitversetzt, also später, erfolgen, um ein Strömen von Treibgas direkt in das Füllventil, und durch das Überströmventil, zu verhindern. In dem Treibgasexpansionsraum wirkt eine Kraft auf die zweite Druckfläche an dem Bewegungskörper und dieser wird damit in eine zweite Richtung gedrückt und damit bewegt. Die zweite Richtung ist zu der ersten entgegen gesetzt, so dass sich der Bewegungskörper gegenüber Schritt 1 wieder zurückbewegt.
Im dritten Schritt wird wenigstens ein Auslassventil in der Treibgasexpansions- kammer geöffnet, um das Treibgas aus dem Treibgasexpansionsraum entwei- chen zu lassen. Der Druck des Treibgases ist hierbei optimalerweise gleich dem umgebenden, also Atmosphärendruck.
Im vierten Schritt wird das Verfahren beginnend mit Schritt 1 wiederholt, wobei das wenigstens eine Auslassventil zunächst geöffnet bleibt. Bei der Bewegung des Bewegungskörpers in die erste Richtung gemäß Schritt 1 wird der Treibgas- expansionsraum wieder verkleinert und durch das wenigstens eine geöffnete Auslassventil kann das enthaltene Treibgas entweichen.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer Expansionsmaschine mit einer Expansionsteilanordnung mit einem Treibgasexpansionsraum und einem Kompressionsraum gemäß Anspruch 36 vorgeschlagen. Dem- nach wird im ersten Schritt der Treibgasexpansionsraum mit Treibgas befüllt, so dass der Druck des Treibgases auf eine Druckfläche an einem Bewegungskörper wirkt und den Bewegungskörper dadurch in eine erste Richtung bewegt. Durch diese Bewegung in die erste Richtung wird der Kompressionsraum verkleinert und das darin enthaltene Prozessgas komprimiert. Das komprimierte Prozessgas kann im Anschluss oder bereits während des Komprimierens seiner Verwendung zugeführt werden.
Im zweiten Schritt wird der Bewegungskörper in die zweite Richtung zurückbewegt, wobei der Treibgasexpansionsraum aufgrund wenigstens eines geöffneten Auslassventils entleert wird. Die Rückbewegung des Bewegungskörpers kann beispielsweise durch eine Schwungmasse oder eine andere nicht durch diese erste Expansionsteilanordnung hervorgerufene Kraft erreicht werden. In diesem zweiten Schritt wird der Kompressionsraum mit Prozessgas gefüllt. Dies kann im einfachsten Fall bedeuten, dass ein Einlassventil in dem Kompressionsraum geöffnet wird und durch das Zurückbewegen des Bewegungskörpers Luft in den Kompressionsraum einströmt.
Im dritten Schritt wird Schritt 1 wiederholt, wobei zuvor jedenfalls das beschriebene Einlassventil in dem Kompressionsraum geschlossen wurde, so dass sich ein gewünschter Kompressionsdruck für das Prozessgas aufbauen kann.
Vorzugsweise werden zwei Expansionsteilanordnungen mit gleichen Merkmalen gekoppelt betrieben. Unter gleichen Merkmalen ist nicht zwingend zu verstehen, dass die Expansionsteilanordnungen vollständig identisch sind, aber dass sie prinzipiell den gleichen Aufbau aufweisen, insbesondere zwei Expansionsteilanordnungen mit jeweils einem Füllraum und jeweils einem Treibgasexpansionsraum gekoppelt betrieben werden, oder zwei Expansionsteilanordnungen mit jeweils einem Treibgasexpansionsraum und einem Kompressionsraum gemeinsam betrieben werden.
Die Bewegungsrichtungen sind hierbei entgegen gesetzt, wobei die Bewegungen sich ergänzen, indem die beiden Expansionsteilanordnungen einen gemeinsamen Bewegungskörper aufweisen. Die beiden Expansionsteilanordnungen wer- den demnach so betrieben, dass sie den Bewegungskörper jeweils in dieselbe Richtung bewegen, so dass das Befüllen und Entleeren des Treibgasexpansions- raumes der ersten Expansionsteilanordnung immer umgekehrt zum Befüllen und Entleeren des Treibgasexpansionsraumes der zweiten Expansionsteilanordnung erfolgt.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Wärmekraftmaschine zum Erzeugen einer mechanischen Bewegung unter Verwendung eines Brennstoffes vorgeschlagen, die eine erfindungsgemäße Treibgaserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Treibgases umfasst und eine erfindungsgemäße Expansionsmaschine zum Wandeln einer Expansion von Treibgas unter Druck in eine mechanische Bewegung, insbesondere Drehbewegung, wobei die Treibgaserzeugungseinrichtung und die Expansionsmaschine so miteinander gekoppelt sind, dass das von der Treibgaserzeugungseinrichtung erzeugte Treibgas der Expansionsmaschine zugeführt wird, insbesondere an wenigstens einem Füllventil oder Einlassventil in einer Treibgasexpansionskammer bereitgestellt wird. Vorzugsweise sind hierbei die Treibgaserzeugungseinrichtungen und die Expansionsmaschine aufeinander abgestimmt. Insbesondere liefert die Treibgaserzeugungseinrichtung im Wesentlichen ein Treibgas mit möglichst konstanten Werten wie konstantem Druck und Temperatur. Die Expansionsmaschine ist dazu vorbereitet, im Wesentlichen mit einem Treibgas mit konstantem Druck betrieben zu werden. Die beiden Einrichtungen ergänzen sich somit vorteilhaft zu der Wärmekraftmaschine. Gemäß einer Ausführungsform wird eine Expansionsmaschine mit wenigstens einem Expansionsraum, vorzugsweise zwei Expansionsräumen eingesetzt. Somit kann die Expansionsmaschine mit dem von der Treibgaserzeugungseinrichtung bereitge- stellten Treibgas betrieben werden und gleichzeitig ein Prozessgas komprimieren und als komprimiertes Gas, insbesondere Druckluft der Treibgaserzeugungseinrichtung, insbesondere dem Brenner zur Verfügung stehen. Hierdurch ergeben sich besonders gute Synergieeffekte.
Zudem wird ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 40 vorgeschlagen. Weiter erfindungsgemäß wird ein Kompressor zum Komprimieren eines Prozessgases, insbesondere Luft, gemäß Anspruch 41 vorgeschlagen. Ein solcher Kompressor weist einen ersten und einen zweiten Kompressionsraum mit jeweils einem ersten bzw. zweiten Kompressionskörper auf. Dabei erfolgt eine Kopplung der beiden Kompressionsräume dadurch, dass der zweite Kompressionsraum in dem ersten Kompressionskörper ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist der erste Kompressionsraum dazu vorbereitet, das Prozessgas in einer ersten Kompressionsstufe auf ein Volumen mit einem ersten Kompressionsdruck zu komprimieren. Um das komprimierte Prozessgas dann in den zwei- ten Kompressionsraum zu überführen ist ein entsprechendes Verbindungsventil - oder mehrere - vorgesehen. Nach dem Komprimieren in der ersten Kompressionsstufe strömt somit das Prozessgas in den zweiten Kompressionsraum.
Der zweite Kompressionsraum ist dann dazu vorbereitet, das Prozessgas weiter in einer zweiten Kompressionsstufe zu komprimieren, wobei entsprechend das Volumen verringert und der Kompressionsdruck erhöht werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform sind dabei der erste Kompressionsraum und der zweite Kompressionskörper fest zueinander angeordnet und der erste Kompressionskörper zu dem ersten Kompressionsraum und dem zweiten Kompressionskörper so in zwei Richtungen beweglich angeordnet, dass seine Bewegung entweder den ersten Kompressionsraum verkleinert oder den zweiten vergrößert oder umgekehrt. Vorzugsweise bildet der erste Kompressionsraum einen Zylinder, in den der erste Kompressionskörper ebenfalls zylinderförmig geführt ist. In dem ersten Kompressionskörper ist der zweite Kompressionsraum ebenfalls als Zylinder - entsprechend mit kleinerem Durchmesser - angeordnet. Der zweite Kompressionskörper ist schließlich in diesen zweiten Kompressionsraum ebenfalls als entsprechender Zylinder mit kleinerem Durchmesser geführt. Zum Komprimieren des Prozessgases wird dieses nun zunächst in den ersten Kompressionsraum eingelassen, der hierbei expandiert ist. Der erste Kompressionskörper bewegt sich nun - nachdem die entsprechenden Ven- tile geschlossen wurden - so in dem ersten Kompressionsraum, dass dieser verkleinert und das Prozessgas komprimiert wird. Da der erste Kompressionsraum und der zweite Kompressionskörper jeweils feststehen, vergrößert sich automatisch der zweite Kompressionsraum durch die Bewegung des ersten Kompressionskörpers. Aufgrund des kleineren Zylinderdurchmessers ist dieser zweite Kompressionsraum aber verhältnismäßig klein und es kann nun das in der ersten Kompressionsstufe komprimierte Prozessgas in diesen zweiten Kompressionsraum eingelassen werden, ohne dass dieses seine Komprimierung wieder verliert. Dabei kann aufgrund des kleinen zweiten Kompressionsraumes das Verbindungsventil zwischen erstem und zweitem Kompressionsraum während der ersten Kompressionsstufe geöffnet sein. Bei dieser ersten Kompressionsstufe wird zwar der zweite Kompressionsraum vergrößert während der erste verkleinert wird, er ist dennoch im Vergleich zum großen Kompressionsraum klein und das zur Verfügung stehende Volumen für das Prozessgas wird auch mit geöffnetem Verbindungsventil verkleinert. Für die zweite Kompressionsstufe muss das Verbindungsventil jedoch geschlossen werden, damit beim Zurückwiegen des ersten Kompressionskörpers, wodurch der zweite Kompressionsraum verkleinert wird, das Prozessgas nicht zurück in den ersten Kompressionsraum strömt.
Vorzugsweise kann das Verbindungsventil als Rückschlagventil vorgesehen sein, das nur eine Strömung vom ersten zum zweiten Kompressionsraum zulässt. Ebenso kann ein Einlassventil von außen zum ersten Kompressionsraum als Rückschlagventil ausgebildet sein.
Außerdem wird vorzugsweise vorgeschlagen, Zuführungen, Leitungen und möglichst alle Elemente die einer Erwärmung ausgesetzt sind thermisch zu isolieren, um insbesondere Wärmeabfluss zu vermeiden. Hierdurch soll verhindert werden, dass Wärme ungenutzt das System verlässt.
Eine weitere Ausführungsform schlägt vor, einen Kompressor, also insbesondere einen beschriebenen Kompressor, der grundsätzlich bautechnisch unabhängig von einer Expansionsmaschine ist, mechanisch mit einer Expansionsmaschine zu koppeln, um eine von der Expansionsmaschine erzeugte Kraft zum Betreiben des Kompressors zu verwenden. Insbesondere wird vorgeschlagen, einen sol- chen Kompressor auf eine Wandlungsmechanik aufzusetzen, insbesondere mit einem Zahnradmittel der Wandlungsmechanik zu verbinden, um so den Kompressor zu betreiben.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Dampferzeuger vorgeschlagen zum Erzeu- gen von Wasserdampf aus Wasser umfassend:
- einen Vorwärmbereich zum Vorwärmen des Wassers,
- einen Verdampfungsbereich zum Verdampfen des Wassers und
- eine Wärmequelle zum Erwärmen des Vorwärmbereichs und des Verdampfungsbereichs,
wobei der Dampferzeuger dazu vorbereitet ist, vorgewärmtes Wasser aus dem Vorwärmbereich über Treibmitteleinspritzdüsen in den Verdampfungsbereich einzuspritzen, sodass das Wasser in dem Verdampfungsbereich zu Wasserdampf verdampft, wobei die Wärmequelle vorzugsweise dazu vorbereitet ist, ein Heizmedium bereitzustellen und/oder zu erzeugen, das zunächst zum Verdamp- fungsbereich geleitet wird um diesen zu erwärmen und von dort zum Vorwärmbereich geleitet wird um diesen zu erwärmen.
Günstig ist es, einen solchen Dampferzeuger als Wärmetauscher einzusetzen, insbesondere um Treibgas einer Treibgaserzeugungseinrichtung als Wärmequelle zu nutzen, nachdem es eine Expansionsmaschine durchlaufen hat und da- durch in dem Wärmetauscher Wasserdampf zu erzeugen zur Verwendung als Sekundärtreibstoff in der Treibgaserzeugungseinrichtung.
Zur Erläuterung einiger Begriffe:
Der erste Expansionsraum kann auch als Treibgasfüllraum bezeichnet werden und der zweite Expansionsraum kann auch als Treibgasexpansionsraum be- zeichnet werden. Brennstoff und/oder Kraftstoff kann auch als Treibstoff bezeichnet werden, unterscheidet sich aber in seiner Funktion vom Sekundärtreibstoff. Brennstoff, Kraftstoff und Treibstoff sind in der Bedeutung von Sekundärtreibstoff abzugrenzen.
Treibgasdruckbehälter kann auch als Treibgasreaktordruckbehälter bezeichnet werden.
Eine Steuereinheit umfasst üblicherweise eine Mess-, Steuer- und Regelungseinheit.
Es ist zu beachten, dass eine Druckfläche eine Teilfläche einer Gesamtfläche bilden kann, wobei der Druck zwar auf der Gesamtfläche lastet, aber nur auf der Druckfläche wirksam ist. Der Begriff Druckfläche bezieht sich auf die Fläche an der der Druck wirksam wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Beispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Treibgaserzeugungseinrichtung mit zwei Treibgasdruckbehältern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Expansionsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Betriebsstellung.
Fig. 3 bis 5 zeigen eine Expansionsmaschine gemäß Fig. 2 in weiteren Betriebsstellungen.
Fig. 6A zeigt eine Treibgaserzeugungseinrichtung gemäß Fig. 1 , und eine Expansionsmaschine gemäß der Figuren 2 bis 5, die gekoppelt sind.
Fig. 6B zeigt eine Wärmekraftmaschine gemäß Figur 6Aa, jedoch mit einer veränderten Betriebsstellung der Expansionsmaschine.
Fig. 7 zeigt einen Treibgasreaktor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8 zeigt einen Treibgasreaktor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 9 veranschaulicht den Aufbau und die Funktionsweise einer Expansionsmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 10 bis 12 zeigen eine Wärmekraftmaschine gemäß einer Ausführungsform mit zwei Treibgasreaktoren und einer Expansionsmaschine in einer schematischen Darstellung und in unterschiedlichen Betriebszuständen.
Fig. 13 zeigt eine Wärmekraftmaschine mit Treibgasreaktoren und einer Expansionsmaschine, die über ihre Wandlungsmechanik mit einem Kompressor gemäß einer Ausführungsform verbunden ist.
Fig. 14 zeigt eine Wandlungsmechanik die mit zwei verzahnten Kolbenstangen gekoppelt ist in einer perspektivischen Darstellung.
Fig. 15 verdeutlicht schematisch die Kraft- und Drehmomentwirkungen der in Figur 14 gezeigten Anordnung.
Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine schematisch.
Fig. 17 zeigt einen Ausschnitt einer Expansionsmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Fig. 18 zeigt einen Kolben einer Expansionsmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Fig. 19 zeigt einen Querschnitt durch einen isolierten Zylinder einer Expansionsmaschine, um den Aufbau zu verdeutlichen. Fig. 20 zeigt einen Dampferzeuger zum Erzeugen von Wasserdampf aus Wasser gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 21 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Expansionsmaschine in einer Seitenansicht.
Fig. 22 zeigt eine Expansionsmaschine gemäß der Figur 21 in einer Draufsicht.
Ein Aspekt der Erfindung ist die Treibgaserzeugungseinrichtung. Grundsätzlich kann eine geeignete Treibgaserzeugung auf vielfältige Art bewerkstelligt werden. Entsprechend dem gewählten Energieträger (Brennstoff) sollte die jeweils geeignete Technologie gewählt werden. Bei Festbrennstoffen wie Kohle, Holz usw. kommen z.B. handelsübliche Dampfkesselanlagen in Frage. Bei flüssigen Brennstoffen wie Öl, oder bei gasförmigen Brennstoffen wie Deponiegas, Biogas, Erdgas usw., kann die erfindungsgemäße Treibgaserzeugungseinrichtung verwendet werden.
Die folgenden Eigenschaften der Treibgaserzeugungseinrichtung werden angestrebt:
1. Die Energieumwandlung vom Energieträger zum Treibgas sollte einen Wirkungsgrad μ > 90% haben.
2. Die Temperatur des Treibgases sollte zumindest so regelbar sein, dass sie in der Expansionsmaschine keine thermischen Schäden verursacht.
3. Der Druck des Treibgases soll regelbar sein.
4. Die Volumenmenge des Treibgases soll regelbar sein.
Die Treibgaserzeugungseinrichtung 2 gemäß der Figur 1 weist zwei Treibgasdruckbehälter 4 auf, die im Grunde gleich aufgebaut sind und im Übrigen auch als Treibgasreaktordruckbehälter bezeichnet werden können. Die Aufgabe der Treibgasdruckbehälter 4 ist es, durch Reaktion von Luft, Treibstoff und vorgewärmten Wasser geeignetes Treibgas herzustellen, so dass dieses in der Lage ist, mechanische Arbeit zu verrichten.
Im in jedem der beiden Treibgasdruckbehälter 4 ist eine Brennkammer 6 mit je einem Brenner 8 angeordnet, um Treibstoff zu verbrennen. Aufgabe der Brennkammer 6 ist es, eine möglichst optimale Verbrennung eines Treibstoff- Luftgemisches zu gewährleisten. Der Treibgasdruckbehälter mit der Brennkammer 6 bildet einen Treibgasreaktor 5.
Jeder Brenner 8 soll durch Verwirbelung von Luft, Treibstoff und deren Entzündung eine optimale Verbrennung starten und dauerhaft gewährleisten.
Weiterhin umfasst die Treibgaserzeugungseinrichtung 2 eine zentrale Mess-, Steuer- und Regeleinheit 10, auch kurz als MSRe oder MSR 10 bezeichnet. Variable Eingänge dieser MSR 10 sind ein Eingang für eine Leistungsvorgabe 12, über die ein Benutzer über Bedienerbefehle eine Leistung vorgeben kann, sowie wenigstens ein Eingang für einen Temperaturmesswert 14, ein Eingang für einen Druckmesswert 16 und ein Eingang für einen Drehzahlmesswert einer mit der Treibgaserzeugungseinrichtung angetriebenen Mechanik. Die Messwerte der Temperatur und des Druck beziehen sich auf die Temperatur und den Druck des Treibgases, insbesondere an einem Auslass 18 des Treibgasdruckbehälters 4.
Als Ausgänge gibt die MSR 10 Ansteuerungsbefehle aus. Hierzu gehören ein Luftsteuerausgang 20 zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls an wenigstens ein Luftdruckregelventil 22, um eine Luftzufuhr zum Brenner 8 zu steuern, ein Kraftstoffsteuerausgang 24 zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls an wenigstens ein Kraftstoffregelventil 26, um eine Kraftstoffzufuhr zu steuern und ein Wassersteuerausgang 28 zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls an wenigstens ein Wassermengenregelventil 30 um die Zufuhr einer Wassermenge zum Treibgasdruckbehälter zu steuern. Weiterhin weist die MSR 10 einen Füllmengensteuerausgang 32 auf, zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls, um für eine nachgeschaltete Expansionsmaschine eine Füllmenge des Treibgases zu steuern, und ein Füllmengensteuerausgang 34, zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls, um für eine nachgeschaltete Expansionsmaschine ein Auslassventil zum Auslassen des Treibgases aus der Expansionsmaschine zu steuern.
Die MSR 10 ist dazu vorgesehen, auf der Basis eines Programms und in Abhängigkeit der oben genannten Eingänge eine bestmögliche Treibgaserzeugung zu berechnen und diese durch entsprechende Steuerbefehle zu steuern.
Weiterhin ist ein Luftkompressor 36 vorgesehen, der mittels eines Speichers vor dem Luftdruckregelventil 22 einen Luftdruck bereitstellt, der in einer Ausführungsform mindestens 43 bar beträgt. Der Kompressor 36 wird durch eine lineare Verkopplung von der Expansionsmaschine angetrieben, um eine proportionale Druckluftmengenerzeugung sicherzustellen.
Der Kompressor 36 stellt Druckluft bereit und Aufgabe des Luftdruckregelventils 22 ist es, entsprechend einer Vorgabe durch die zentrale MSR 10 den Brennkammern 6 der Treibgasreaktoren 5 eine optimale Luftmenge zuzuführen.
Eine Treibstoffpumpe 38 ist vorgesehen, um mittels eines Speichers vor dem Kraftstoffregelventil 26 einen Kraftstoffdruck zu gewährleisten. Dieser
Kraftstoffdruck beträgt in der vorliegenden Ausführungsform bei Verwendung eines flüssigen Kraftstoffs etwa 200 bar. Das Kraftstoffregelventil 26, das auch als
Treibstoffmengenregelventil bezeichnet wird, soll entsprechend oben beschriebener Vorgaben der MSR 10 den Brennkammern 6 der Treibgasreaktoren 5 möglichst optimale Treibstoffmengen zuführen. Hierzu weisen die Brennkammern 6 wenigstens eine Einspritzdüse 40 auf.
Mittels einer Wasserpumpe 42 und einem Speicher soll vor dem Wassermengenregelventil 30 ein Wasserdruck bereitgestellt werden, der etwa 200 bar betragen kann. Das Wassermengenregelventil 30 soll für eine geregelte Zufuhr des Wassers zu den Treibgasdruckbehältern sorgen. Diese Zufuhr erfolgt entsprechend einer Vorgabe der MSR 10, wobei das Wasser Vernebelungsdüsen 44 in den Treibgasdruckbehältern 4 der Treibgasreaktoren 5 zugeführt wird, die jeweils im Bereich einer Behälterwand 46 angeordnet sind. Dabei sollen optimale Wassermengen vorgewärmten Wassers zugeführt werden, um eine Temperatur- und Volumenoptimierung des Treibgases zu erreichen. Für die Zuführung des Wassers sind vom Wassermengenregelventil 30 zu den Vernebelungsdüsen entsprechende Wasserzuführleitungen 48 vorgesehen.
Der Treibgasreaktor 5 arbeitet mit einer nichtatmosphärischen Verbrennungstechnik, dass heißt, die Verbrennung findet unter Überdruck statt. Es wird im Treibgasreaktor 5 Treibgas aus Brennstoff, Luft und Wasser erzeugt.
Die spezielle Aufgabe des Treibgasreaktors 5 besteht darin, Treibgas mit möglichst großem Volumen und moderater Temperatur zu erzeugen. Unter moderater Temperatur ist ein Temperaturbereich zu verstehen, der keine Beschädigungen an den Maschinenkonstruktionen vom
Treibgasreaktordruckbehälter 6 und einer Expansionsmaschine verursacht, der das erzeugte Treibgas zugeführt wird.
Geregelt und gesteuert von der MSR 10 wird über den Luftkompressor 36, der auch als Drucklufterzeuger bezeichnet werden kann, und dem Luftmengenregelventil 22, sowie einem die Luftleitungen 35 umfassenden Leitungssystem Druckluft zu einem den Brenner 8 umfassenden Brennersystem innerhalb der Brennkammer 6 im Treibgasreaktordruckbehälter 4 zugeführt.
Gleichzeitig wird - ebenfalls von der MSR 10 gesteuert - Treibstoff, über die Treibstoffpumpe 38 mit Treibstoffdruckspeicher und dem Treibstoffmengenregelventil 26, sowie über ein dazu gehörendes und Treibstoffleitungen umfassendes Leitungssystem dem Brennersystem innerhalb der Brennkammer 6 im Treibgasreaktordruckbehälter 4 geführt. Im Brennersystem angekommen werden die - mengenmäßig möglichst optimal zusammengesetzten - Komponenten Treibstoff, wie Gas, Öl usw., und Druckluft innig vermischt und dort zur Entzündung gebracht, wobei eine erhebliche Volumenvergrößerung und Temperaturerhöhung über dem Brennersystem in der Brennkammer 6 stattfindet.
Aufgabe der Brennkammer 6 ist es dem Verbrennungsvorgang einen ausreichenden Schutzraum zu bieten, in dem die Verbrennung möglichst optimal, dass heißt bei möglichst hohen Temperaturen und der notwendigen Verweilzeit, möglichst restlos stattfinden kann, um ein möglichst sauberes Brenngas entstehen zu lassen. Positive Merkmale sind hierbei, dass ein möglichst optimiertes Verbrennungszeitfenster erzielbar ist und Möglichkeiten für eine optimale Treibstoffverbrennung geschaffen werden, um auch ein etwaiges Feinstaubrisiko gering zu halten und möglichst wenig NOx zu erhalten.
Durch in der Brennkammer 6 konstruktiv vorgesehene Öffnungen 7 verlässt ein sehr warmes bzw. heißes Brenngas die Brennkammer 6 und gelangt in den größeren Treibgasreaktordruckbehälter 4.
In dem Treibgasdruckbehälter 4 angekommen wird in das sehr warme Brenngas, ebenfalls sehr warm vorgeheiztes Wasser mit hohem Druck eingenebelt.
Auch dieser Vorgang wird vom MSR geregelt und gesteuert, wobei das Druckwasser zuvor die Wasserpumpe 42, den Wasserspeicher und das Wassermengenregelventil 30 durchlaufen hat. Zum Erwärmen hat das Wasser ggf. einen Wärmetauscher des Drucklufterzeugers bzw. Luftkompressors 36 durchlaufen, wobei es sich stark erwärmt.
Durch das mit hohem Druck, in das sehr warme Brenngas, eingenebelte sehr warme Wasser mischen sich beide Komponenten, zu einem ebenfalls vom MSR 10 kontrollierten Treibgas.
Das MSR 10 System misst, regelt und steuert die zuvor beschriebe Zufuhr von Brenngas und Wasser so, dass ein möglichst großes Treibgasvolumen in einem Temperaturbereich entsteht, welcher den Treibgasreaktordruckbehälter 4 und eine nachgeschaltete Expansionsmaschine thermisch nicht beschädigt.
Hierdurch sind keine Energieabflüsse nach außen durch Kühlung notwendig, weil die zu hohen Temperaturbereiche in nutzbares Treibgasvolumen gewandelt wurden. Weiterhin ist je nach gewähltem Temperaturbereich mit geringen thermischen Energieabflüssen in den Treibgasen hinter der Expansionsmaschine zu rechnen, weil - gemäß einer Ausführungsform - diese Temperatur nur im Bereich von ca. 100° C liegt.
Die Aufgabe des Treibgasreaktordruckbehälters 4 ist es, die in ihm entstandenen Treibgase zu bündeln und der nachgeschalteten Expansionsmaschine ggf. über ein Rohrleitungssystem zu zuführen, sowie dem zu erwartenden Druck, der aus dem Staudruck der Expansionsmaschine resultiert, standzuhalten.
Eine weitere Aufgabe des MSRe Systems ist es, während des Betriebes der WWKM ständig die Mengenverhältnisse von Druckluft, Treibstoff und Wasser in Abhängigkeit von Druck, Volumen und Temperatur des Treibgases zu messen und zu regeln.
Ein besonderer Vorteil des Treibgasreaktorsystems, also des Treibgasreaktors 5 mit zugehörigen Komponenten einschließlich der MSR 10, besteht darin, dass systembedingt eine direkte innige Temperatur - Volumenwandlung stattfindet. Das heißt durch Vermischung wird direkt eine Volumenvergrößerung in demselben Raum erreicht. Wirkungsgradverluste durch Temperatur - Volumen trennende feste Wände wie z.B. Rohrleitungen bei Kesselanlagen sind nicht vorhanden.
Als weiterer Vorteil ist zu erwarten, dass etwaige im Brenngas vorhandene Schadstoffe im Treibgas innig vermischt sind und nach der Kondensation hinter der Expansionsmaschine im Kondensat gebunden sind und damit umweltfreundlich behandelt bzw. entsorgt werden können. Es ist zu beachten, dass die Figur 1 eine schematische Darstellung ist, die zwei Treibgasreaktoren 5 in einer einer Schnittansicht angelehnten Darstellung im prinzipiellen Aufbau zeigt, die keine exakten Größenverhältnisse darstellt. Zur besseren Übersicht sind die MSR 10 und weitere Elemente zwischen den beiden Treibgasreaktoren 5 gezeigt. Auf diese Anordnung kommt es aber nicht an und insbesondere die MSR 10 kann an im Grunde beliebiger Position angeordnet sein.
Gemäß Figur 2 wird eine Expansionsmaschine 202 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erläutert, wobei die Expansionsmaschine 202 zu Erläuterung der einzelnen Elemente in einer Betriebsstellung dargestellt ist. Zur Darstellung wurde eine teilweise Schnittdarstellung gewählt.
Die Expansionsmaschine 202 weist zwei Zylinder 204 auf - gemäß der Figur 2 einen rechten Zylinder und einen linken Zylinder - in die sich Treibgas bei entsprechender Betriebsstellung ausdehnen kann. Jeder Zylinder weist einen Zylinderkopf 206 mit mehreren Auslassventilen 208 auf, durch die Treibgas im geöffneten Zustand herausströmen kann. Die Auslassventile 208 beim rechten Zylinder 204 sind im geöffneten und die beim linken Zylinder im geschlossenen Zustand gezeigt.
Zum Befüllen jedes Zylinders 204 mit Treibgas ist je ein Ringkanal 210 mit Füllventilen 212 vorgesehen. Beim rechten Zylinder 204 ist ein geschlossenes und beim linken Zylinder 204 ein geöffnetes Füllventil 212 gezeigt. In der Position am rechten Zylinder 204 kann somit Treibgas am Ringkanal 210 bereitgestellt werden und durch das wenigstens eine, rechts dargestellte Füllventil 212 in den Zylinder 204 strömen.
In jedem Zylinder 204 wird ein Kolben 214 mittels je einer ringförmigen Zylinderführung 216 in einem zylindrischen Innenraum bzw. einer zylindrischen Bohrung geführt, um eine axiale Bewegung des Kolbens 214 zu ermöglichen. Die Zylinderführung 216 ist in und an dem Zylinder 204 angeordnet und gewährleistet auch eine Abdichtung des Kolbens 214 gegen den Zylinder 204. An jedem Kolben 214 ist zudem eine ringförmige Kolbendichtung 218 angeordnet, die den Kolben auch gegen den Zylinder 204 abdichtet und eine Führung erreicht. Der Kolben 214 weist einen Kolbenkörper 220 und eine Kolbenstimwand 222 auf, die jeweils fest miteinander verbunden sind, wobei diese Verbindung des Kolbenkörpers 220 mit der Kolbenstirnwand 222 in der Figur 2 nicht dargestellt ist.
Jeder Zylinder 204 weist einen Treibgasfüllraum 224 auf. Der Treibgasfüllraum 224 ist zwischen dem Kolbenkörper 220, der Kolbenstirnwand 222 und dem Zylinder 204 ausgebildet und verändert sich mit der Stellung des jeweiligen Kolbens 214. Der beim rechten Zylinder 204 dargestellte Treibgasfüllraum 224 setzt sich somit aus einem zylindrischen Abschnitt und einem Ringspalt zusammen.
Der Treibgasfüllraum 224 ist über mehrere Überströmventile 226 mit einem Treibgasexpansionsraum 228 verbunden. Der Treibgasexpansionsraum 228 verändert sich mit der Stellung des Kolbens 214 und weist beim rechten Zylinder 204 seine größte und beim linken Zylinder 204 seine kleinste Ausdehnung auf. Die Überströmventile 226 beim rechten Zylinder 204 sind verschlossen und die beim linken Zylinder 204 geöffnet dargestellt. Bei geöffneten Überströmventilen 226 kann Treibgas von dem Treibgasfüllraum 224 in den jeweiligen Treibgasexpansionsraum 228 strömen.
Beide Kolben 214 sind miteinander über eine gemeinsame Kolbenstange 230 fest verbunden. Die Kolbenstange 230 ist beidseitig verzahnt, um in zwei Zahnkränze 232 einzugreifen, um eine Kraft der Kolben 214 in ein Drehmoment zu wandeln. Jeder Zahnkranz 232 ist mit einem Freilauf 234 verbunden, so dass jeweils nur in eine Drehrichtung ein Drehmoment auf mit dem Freilauf 234 verbundene Radnabe 236 übertragen wird. Mit Pfeilen ist eine Drehrichtung 238 angedeutet, in die ein Drehmoment übertragen wird. Beide Freiläufe 234 sind so gewählt, dass ein Drehmoment immer in Richtung dieser Drehrichtung 238 von jeweils einem Zahnkranz 232 auf die entsprechende Radnabe 236 übertragen wird. Die Radnaben weisen eine Kettenradverzahnung auf und sind über einen Kettentrieb 240 mit einander verbunden, um eine Synchronisation des Drehmomentes zu erreichen. Eine oszillierende Bewegung der Kolbenstange 230 kann somit über die Wahl des Freilaufs 234 immer in ein Drehmoment mit der Drehrichtung 238 umgesetzt werden. Das so erzeugte Drehmoment kann über Abtriebswellen 242 entnommen und einer weiteren Nutzung zugeführt werden.
In der Betriebsstellung gemäß Figur 2 steht Treibgasdruckvolumen von einem Treibgasreaktor kommend und von einem MSR gesteuert an allen Ringkanälen 10 der Expansionsmaschine 202 an. Die Hubrichtung ist gemäß der Darstellung der Figur 2 nach rechts gerichtet.
Die Überströmventile 226, Füllventile 212 und Auslassventile 208 werden regelmäßig gesteuert. Wenn die Kolben 214 und Kolbenstange 230 an einem linken inneren Richtungsumkehrpunkt angekommen sind, wenn also beim rechten Zylinder 204 die Kolbenstirnwand 222 etwa beim Füllventil 212 angekommen ist, schließen beim rechten Zylinder 204 die Überströmventile 226, öffnen die Füllventile 212 im rechten Ringkanal 210, sowie die Auslassventile 208 im rechten Zylinderkopf 206 und geben eine im wesentlich expansionslose Treibgasfüllung des rechten Treibgasfüllraumes 224 frei. Gleichzeitig öffnen sich - ebenfalls regelmäßig gesteuert - die Überströmventile 226 im linken Kolben 214 und eröffnen damit einen Expansionsprozess des linken zuvor gefüllten Treibgasfüllraums 224.
Damit entfalten beide Kolben 214 ihre Schub- bzw. Expansionskräfte sich gegenseitig addierend nach rechts. Leitungsgerecht von der MSR gesteuert werden die Füllventile 212 wieder geschlossen, wenn der rechte Füllraum 224 gefüllt und der Kolben 214 in seiner äußersten rechten Stellung angekommen ist.
Durch das Befüllen entstehen Schubkräfte auf den Kolben 214, resultierend aus dem Treibgasfülldruck multipliziert mit der wirksamen Kreisringfläche, die einer Stirnfläche des Ringspaltes des Treibgasfüllraumes 224 entspricht. Dies führt zu einem Kolbenhub. Im Verlaufe dieses Hubes, der sich an die in Figur 2 gezeigte Betriebsstellung anschließt, sind die Schubkräfte, die auf die Kreisringfläche des rechten Kolbens 214 wirken gleich bleibend. Das Treibgas dehnt sich in diesem Schritt noch nicht aus.
Durch die geöffneten Überströmventile 226 beim linken Zylinder 204 dehnt sich hier das Treibgas in den Füllraum 224 aus und führt zu Expansionskräften, die sich aus dem momentanen Expansionsdruck multipliziert mit der wirksamen Kolbenfläche ergibt. Die wirksame Kolbenfläche ist die Größe der Kreisfläche der Stirnseite des Kolbenkörpers 220.
Die auf den gemäß der Darstellung der Figur 2 linken Kolben 214 wirkenden Expansionskräfte sind infolge der abfallenden Druckkurve, also des abnehmenden Drucks zunächst sehr groß, wobei der Maximaldruck näherungsweise dem Fülldruck entspricht, und nehmen ggf. bis null ab, wenn sich der Druck bis zum atmosphärischen Druck verringert. In diesem Fall ergeben sich keine Energieabflüsse durch ungenutzten entweichenden Restdruck.
Figur 3 zeigt die Expansionsmaschine kurz vor dem Erreichen des rechten inneren Richtungsumkehrpunktes, also kurz bevor bei dem linken Zylinder 204 die Kolbenstirnwand 222 das Füllventil 212 erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt gibt die MSR den rechten Auslassventilen 208 den Schließbefehl, infolge dessen sich ein Resttreibgaspolster aufbaut, welches die kinetische Energie, aus der sich bewegenden Lineareinheit, nämlich den Kolben 214 und der Kolbenstange 230, aufnimmt und diese dabei auf Geschwindigkeit 0 abbremst und sofort wieder in die andere Richtung linear beschleunigt.
Während im Vergleich zum Stand der Technik bei Motoren die notwendigen Umkehrbeschleunigungskräfte der linear wirkenden Massen wie Kolben, Pleuel usw. aus dem Energiepotential der Schwungmasse entnommen werden muss, werden diese Kräfte bei der erfindungsgemäßen Technologie direkt umgelenkt und bewirken nur einen geringen Richtungsumkehrverlust.
In Figur 4 wird die Expansionsmaschine 202 in einer Betriebsstellung gezeigt, bei der Hub links ist. Am linken inneren Richtungsumkehrpunkt der Lineareinheit, nämlich der Kolben 214 und der Kolbenstange 230 angekommen, schließen die linken Überströmventile 226, öffnen die Füllventile 212 im linken Ringkanal 210, sowie die Auslassventile 208 im linken Zylinderkopf 206 und geben die expansionslose Treibgasfüllung des Treibgasfüllraumes 224 frei. Gleichzeitig öffnen sich ebenfalls regelmäßig gesteuert die Überströmventile 226 im gemäß der Darstellung der Figur 4 rechten Kolben 214 und eröffnen damit den Expansionsprozess des rechten zuvor gefüllten Treibgasfüllraums 224.
Damit entfalten beide Kolben 214 ihre Schub- bzw. Expansionskräfte sich gegenseitig addierend nach links. Im Verlaufe ihres Hubes sind die Schubkräfte auf die Kreisringfläche des linken Kolbens - resultierend aus dem Treibgasfülldruck mal der wirksamen Kreisringfläche - gleich bleibend. Die auf den rechten Kolben 214 wirkenden Expansionskräfte sind infolge der abfallenden Druckkurve zunächst sehr groß, wobei auch hier der Maximaldruck etwa dem Fülldruck entspricht und sich bei restloser Expansion bis auf Umgebungsdruck abbauen kann. Ein positiver Drehmomenteintrag von ca. 96% wird angestrebt. Baut sich der Expansionsdruck bis auf Umgebungsdruck ab, so ergeben sich hier keine Energieabflüsse durch ungenutzten entweichenden Restdruck.
Kurz vor dem Erreichen des linken inneren Richtungsumkehrpunktes, wie in der Figur 5 dargestellt ist, gibt die MSR den linken Auslassventilen 208 den
Schließbefehl, infolge dessen sich ein Resttreibgaspolster aufbaut, welches die kinetische Energie aus der sich bewegenden Lineareinheit, bestehend aus den
Kolben 214 und der Kolbenstange 230, aufnimmt, diese dabei auf
Geschwindigkeit 0 abbremst und sofort wieder in die andere Richtung linear beschleunigt.
Mit dem Erreichen des linken inneren Richtungsumkehrpunktes steht der unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 5 bislang beschriebene Linearzyklus an seinem Ausgangspunkt und beginnt einen neuen Linearzyklus mit gleichem Ablauf. Mit diesem beschriebenen Linearzyklus wird die zuvor im Treibgasreaktor erzeugte bzw. gewandelte thermisch dynamische Energie in eine lineare mechanische Energie gewandelt.
Die beidseitig verzahnte Kolbenstange 230 weist eine Verzahnung auf, die - gemäß Figur 2 - oben und unten mit jeweils einem Zahnkranz 232 im Eingriff steht. Bewegt sich die Kolbenstange 230 nach rechts so entsteht im oberen
Zahnkranz 232 ein links drehendes Drehmoment und im unteren Zahnkranz 232 ein rechts drehendes Drehmoment. Bewegt sich die Kolbenstange 230 nach links so entsteht im oberen Zahnkranz 232 ein rechts drehendes Drehmoment und im unteren Zahnkranz 232 ein links drehendes Drehmoment.
Somit ist eine Kraftdrehmomentwandlung möglichst optimal, da der wirksame Hebelarm immer gleich groß bleibt und konstruktiven Wünschen angepasst werden kann.
Die Freiläufe 234 sind zwischen beiden Zahnkränzen 232 und den Radnaben 236, die entsprechende Kettenradverzahnungen aufweisen, angeordnet. Die
Aufgabe der Freiläufe 234 besteht darin, die wie hier gezeigten jeweils links drehenden Drehmomente auf die Radnaben 236 zu übertragen, bzw. die jeweils rechts drehenden Drehmomente nicht auf die Radnaben 236 zu übertragen.
Wünscht man eine rechts drehende Expansionsmaschine 202, so muss nur die Wirkrichtung der Freiläufe 236 gewechselt werden.
Die Aufgaben der mit den Radnaben 236 drehmomentfest verbundenen und radial, sowie axial gelagerten Antriebswellen, bestehen darin, die erzeugten Drehmomente - die erzeugten Leistungen der Expansionsmaschine mit weiteren Elementen zu koppeln, bzw. an einen Leistungsabnehmer weiter zu leiten.
Der Kettentrieb 240 ist zur Synchronisation der Drehmomente an beiden Radnaben vorgesehen, dessen Aufgabe darin besteht beide Abtriebswellen 242 drehmomentfest zu synchronisieren und darüber hinaus eine Drehmoment- bzw. Leistungsübergabe der Gesamtleistung wahlweise an beiden Abtriebswellen 242 zu ermöglichen.
Es ist zu beachten, dass die Figuren 2 bis 5 dieselbe Expansionsmaschine 202 schematisch darstellen, auch wenn evtl. bei der Darstellung einige Abweichungen in der Größe vorhanden sein sollten. Die Figuren 2 bis 5 unterscheiden sich in den jeweils dargestellten Betriebszuständen.
Figur 6A verdeutlicht das Zusammenwirken der Treibgaserzeugungseinrichtung 2 mit einer damit gekoppelten Expansionsmaschine 202. Die Treibgaserzeugungseinrichtung 2 erzeugt Treibgas in den beiden Treibgasreaktoren 5. Die Treibgasreaktoren 5 sind mit ihren Treibgasdruckbehältern 4 mit den Zylindern 204 der Expansionsmaschine 202 so gekoppelt, dass Treibgas aus dem Auslass 18 des Treibgasdruckbehälters den Ringkanälen 210 zugeführt wird und so an den Füllventilen 212 bereitgestellt wird.
Die MSR 10 ist zum gleichzeitigen Steuern der Treibgasreaktoren 5 und der Expansionsmaschine 202 vorgesehen. Es können dabei Messwerte von den Treibgasreaktoren 5 und der Expansionsmaschine 202 berücksichtigt werden. So kann ein Messwert der Druck in dem Treibgasfüllraum 224 sein.
Gemäß Figur 6A ist die Bewegungsrichtung der Lineareinheit bestehend aus den Kolben 214 und der Kolbenstange 230 gemäß der Darstellung nach rechts gerichtet und führt zu einer Kraft- und Drehmomentübertragung über den oberen Zahnkranz 232 und die Drehrichtung ist hierbei links herum gerichtet. In der Figur 6B ist die Bewegungsrichtung der Lineareinheit gemäß der Darstellung nach links gerichtet und führt zu einer Kraft- und Drehmomentübertragung über den unteren Zahnkranz 232 und die Drehrichtung ist ebenfalls links herum gerichtet. In beiden Fällen, die in Figur 6A und Figur 6B dargestellt sind, ist das Drehmoment an den Radnaben 236 links herum gerichtet. Die beiden Zahnkränze 232 drehen sich jedoch entgegengesetzt und mit wechselnder Richtung. Der Treibgasreaktor 705 der Figur 7 weist eine Brennkammer 706 mit einem Brenner 708 auf. Im Bereich des Brenners 708 wird der Brennkammer 706 Treibstoff über Einspritzdüsen 740 und Verbrennungsluft über Lufteinlässe bzw. Luftdüsen 737 zugeführt. Dabei wird der Treibstoff über Treibstoffleitungen 739 und die Verbrennungsluft über Luftleitungen 735 zugeführt.
In der Nähe der Brennkammer 706 wird weitere Druckluft über Druckluftzuführungen 750 zugeführt. Diese weitere Druckluft wird über Druckluftleitungen 752 bereitgestellt. Diese weitere Druckluft kann auch als Sekundärtreibstoff bezeichnet werden, der die Temperatur des Treibgases senkt und dessen Volumen vergrößert.
Ein Teil der Druckluftzuleitungen 752 verläuft unmittelbar außerhalb der Brennkammer 706 und bildet dadurch für die Brennkammer 706 eine zweite Wandung aus. Hierdurch wird einerseits die Brennkammer 706 nach außen thermisch isoliert, was andererseits auch zu einer Erwärmung der in dieser doppelten Wandung zugeführten weiteren Druckluft führt. Die Druckluft wird somit vor dem Zuführen im Bereich der Druckluftzuführungen 750 erwärmt, um den Prozess in dem Treibgasreaktor 705 zu begünstigen.
Über Zuführungsleitungen 748 wird dem Treibgasreaktor 705 Wasser und/oder Wasserdampf über Zuführungen 749 unter Druck zugeführt. Die Zuführungen 749 sind gemäß Figur 7 noch oberhalb der Druckluftzuführungen 750 angeordnet. Das Wasser soll in dem erzeugten Treibgas im Wesentlichen thermisch wirken, nicht jedoch unmittelbar auf den Verbrennungsprozess in der Brennkammer 706 einwirken. Ein Teil der Zuführungsleitungen 748 werden außerhalb der Brennkammer 706 aber innerhalb einer Isolierungswandung 745 geführt, so dass eine weitere Doppelwandigkeit entsteht, die die Isolierung des Treibgasreaktors 705 nach außen erhöht und gleichzeitig zu einer Erwärmung des Wassers bzw. Wasserdampfs in den Zuführungsleitungen 748 führt. Das Wasser bzw. der Wasserdampf wird somit erwärmt dem Treibgasreaktor 705 zugeführt. Die Zuführung des Wasserdampfes führt zu einer Volumenerhöhung des Treibgases bei gleichzeitiger Temperaturminderung und das Wasser bzw. Wasserdampf kann somit auch als weiterer Sekundärtreibstoff bezeichnet werden. Generell kann der Begriff Wasser von der Bedeutung her auch Wasserdampf beinhalten.
In der Brennkammer 706 erfolgt somit durch Zuführung von Treibstoff über die Einspritzdüsen 740 und Verbrennungsluft über die Luftdüsen 737 eine Verbrennung, die durch das Zuführen weiterer Druckluft im Bereich der Druckluftzuführungen 750 noch unterstützt werden kann. Hierbei wird ein heißes Treibgas mit höherem Druck und geringerer Temperatur erzeugt. Eine weitere Volumenerhöhung und Temperaturabsenkung wird durch das Zuführen des Wassers im Bereich der Wasserzuführungen 749 erreicht. Das so erzeugte Treibgas kann schließlich durch den Auslass 718 den Treibgasreaktor 705 verlassen und einer weiteren Verbindung, insbesondere einer Expansionsmaschine zugeführt werden.
Der Treibgasreaktor 805 der Figur 8 weist einen Treibgasdruckbehälter 804 auf, dessen Innenraum 803 sich unmittelbar an eine Brennkammer 806 anschließt. In die Brennkammer 806 wird im Bereich eines Brenners 808 über eine
Brennstoffeinspritzdüse 840 Brennstoff in die Brennkammer 806 geleitet.
Verbrennungsluft wird über Luftdüsen 837 ebenfalls in die Brennkammer 806 eingeleitet. Nach einer Zündung verbrennt der Treibstoff mit der Verbrennungsluft zu einem Brenngas in der Brennkammer 806 und gelangt von da aus weiter in den Treibgasdruckbehälter 804.
Die Brennkammer 806 und der Innenraum 803 sind im Wesentlichen mit einer wärmebeständigen Wand 860 umgeben.
Außerhalb der wärmebeständigen Wand 860 wird ein erster Sekundärtreibstoff über einen ersten Sekundärtreibstoffkanal 851 zugeführt. Der Sekundärtreibstoffkanal 851 mündet in erste Sekundärtreibstoffzuführungen 850, die in der wärmebeständigen Wand 860 ausgebildet sind und das Zuführen des ersten Sekundärtreibstoffs in den Treibgasdruckbehälterinnenraum 803 ermöglichen. In diesem Bereich bei den ersten Sekundärtreibstoffzuführungen 850 ist der Verbrennungsprozess bereits vollständig oder zumindest im Wesentlichen abgeschlossen. Die Vermischung des ersten Sekundärtreibstoffs mit dem Brenngas führt zu einer Volumenvergrößerung des entstehenden Treibgases. Außerdem nimmt der erste Sekundärtreibstoff hierbei Wärme von dem Brenngas auf.
Der erste Sekundärtreibstoffkanal 851 ist nach außen hin durch eine wärmebeständige Mittelwand 862 begrenzt. Außerhalb dieser wärmebeständigen Mittelwand 862 ist ein zweiter Sekundärtreibstoffkanal 871 angeordnet, der einen zweiten Sekundärtreibstoff dem Innenraum 803 des Treibgasdruckbehälters 804 und damit des Treibgasreaktors 805 bereitstellt. Gemäß dem Treibgasreaktor 805 der Figur 8 ist vorgesehen, als ersten Sekundärtreibstoff Druckluft zuzuführen und als zweiten Sekundärtreibstoff Wasserdampf zuzuführen.
Der zweite Sekundärtreibstoffkanal 871 mündet in zweite Sekundärtreibstoffzuführungen 870, die den zweiten Sekundärtreibstoff in den Innenraum 803 einleiten können. Der zweite Sekundärtreibstoff wird dem zweiten Sekundärtreibstoffkanal 871 über eine zweite Sekundärtreibstoffleitung 872 zugeführt. Dabei wird mittels der zweiten Sekundärtreibstoffleitung 872 der zweite Sekundärtreibstoff um einen Treibgasauslass 818 in mehreren Windungen 874 geführt, so dass ggf. der zweite Sekundärtreibstoff hier durch wärmeaustretendes Treibgas vorgewärmt werden kann. Je nach Auslegung kann im Bereich dieser Windungen 874 aus Druckwasser Wasserdampf entstehen.
Der zweite Sekundärtreibstoffkanal 871 ist von einer äußeren wärmebeständigen Wand 864 umgeben, die wiederum von einem druckbeständigen Gehäuse 866 umgeben ist, das somit die Brennkammer 806 und den Innenraum 803 im Wesentlichen vollständig schließt. Schließlich ist um das druckbeständige Gehäuse 866 herum eine Isolierung 868 vorgesehen. Es ist zu beachten, dass die Isolierung insbesondere dazu vorgesehen ist, Wärme in dem System zu belassen, um Energieverluste zu vermeiden. Ein Schutz vor Überhitzung wird prinzipbedingt vielmehr dadurch erreicht, dass vorhandene Wärme zur Volumenvergrößerung des Treibgases genutzt wird. Die Expansionsmaschine 902 der Figur 9 umfasst zwei Expansionsteilanordnungen 903. Jede Expansionsteilanordnung 903 weist einen Zylinder 904 und einen darin geführten Kolben 914 auf. In dem Zylinder 904 ist ein Treibgasexpansionsraum 928 vorgesehen zum Befüllen mit Treibgas, damit dieses sich dort ausdehnt und zu einer Bewegung des Kolbens 914 führt. Weiterhin ist in dem Zylinder 904 ein Kompressionsraum 925 vorgesehen, der zum Komprimieren von Luft Verwendung findet. Die beiden Kolben 914 sind über eine Kolbenstange 930 mechanisch fest miteinander gekoppelt. Die Kolbenstange 930 weist eine Verzahnung an zwei Seiten auf, mit denen sie im Eingriff mit zwei Zahnkränzen 932 ist. Die Zahnkränze 932 ändern ihre Drehrichtung je nach Bewegungsrichtung der Kolbenstange 930. Über Freiläufe 934 wird eine oszillierende Bewegung der Kolbenstange 930 in ein Drehmoment mit nur einer Drehrichtung an den Radnaben 936 und damit den damit verbundenen Antriebswellen 942 umgewandelt. Für eine Synchronisation der Radnaben 936 ist ein Kettentrieb 940 vorgesehen.
Nachfolgend wird auf die beiden Expansionsteilanordnungen 903 als rechte bzw. linke Expansionsteilanordnung Bezug genommen, wobei sich die Begriffe rechts bzw. links auf die Darstellung gemäß der Figur 9 beziehen. Zum Betreiben der Expansionsmaschine 902 wird beispielsweise auf der linken Seite Treibgas über ein Füllventil 912 dem Treibgasexpansionsraum 928 zugeführt. Das Treibgas dehnt sich daraufhin in dem Treibgasexpansionsraum 928 aus und führt damit zu einer Bewegung des linken Kolbens 914 nach rechts. Der Treibgasexpansionsraum 928 vergrößert sich dabei, wobei sich der Kompressionsraum 925 verkleinert und zu einer Kompression darin enthaltener Luft führt. In diesen linken Kompressionsraum 925 wurde zuvor durch das Luftfüllventil 962 Luft eingelassen, die nun komprimiert wird. Nach gewünschter Kompression kann die komprimierte Luft aus dem Kompressionsraum 925 über das Luftauslassventil 958 ausgelassen und einer gewünschten Verwendung, insbesondere einer Treibgaserzeugungseinrichtung als Sekundärtreibstoff bzw. Verbrennungsluft zugeführt werden.
Die beschriebene Bewegung führt außerdem zu einer Bewegung der Kolbenstange 930 nach rechts, die zu einer Linksdrehung des oberen Zahnkranzes 932 und einer Rechtsdrehung des unteren Zahnkranzes 932 führt. Bei dieser Bewegung wird die Linksdrehung des oberen Zahnkranzes 932 in ein Drehmoment mit Linksdrehung an der oberen Radnabe 936 umgewandelt. Aufgrund des Freilaufes 934 führt im unteren Zahnkranz 932 die Bewegung zu keinem Drehmoment an der Radnabe 936. Vielmehr drehen sich hierbei der untere Zahnkranz 932 und die untere Radnabe 936 gegenläufig.
Durch die Kopplung der beiden Kolben 914 wird durch die Expansion von Treibgas in dem linken Treibgasexpansionsraum 928 auch zu einer Bewegung des rechten Kolbens 914 nach rechts, so dass sich der rechte Treibgasexpansionsraum 928 verkleinert. Hierbei ist das Auslassventil 908 geöffnet, so dass Treibgas hierdurch den rechten Treibgasexpansionsraum 928 verlässt. Dieses Treibgas weist optimalerweise Atmosphärendruck auf, weist aber gleichzeitig noch eine relativ zur Umwelt erhöhte Temperatur auf. Das aus dem Auslassventil 908 ausströmende Treibgas wird somit einem Wärmetauscher 970 zugeführt. In dem Wärmetauscher 970 kann Wärme des Treibgases an Wasser abgegeben werden, wodurch das Wasser erhitzt und als weiterer, insbesondere zweiter Sekundärtreibstoff verwendet und einer Treibgaserzeugungseinrichtung zugeführt werden kann.
Aufgrund der Bewegung des rechten Kolbens 914 nach rechts vergrößert sich zudem der Kompressionsraum 925 in dem rechten Zylinder 904 und es kann dort Luft durch das Luftfüllventil 962 in den Kompressionsraum 925 einströmen.
Die beiden über die Kolbenstange 930 gekoppelten Kolben 914 bilden eine bewegliche Lineareinheit und diese beiden gekoppelten Kolben 914 werden insgesamt auch als Freikolben bezeichnet. Um die beschriebene, nach rechts gerichtet Bewegung abzudämpfen kann in einer Position, bevor eine Kolbenstirnwand 922 einen Zylinderkopf erreicht, das rechte Auslassventil vor Erreichen der Endstellung dieses Freikolbens geschlossen werden, so dass eine Restmenge Treibgas in dem rechten Treibgasexpansionsraum 928 verbleibt und ein Gaspolster bildet. Ein zentraler Bestandteil der Erfindung ist ein Treibgasreaktor, dessen Aufgabe es ist unter möglichst optimaler Ausnutzung der im Brennstoff enthaltenen Wärmeenergie einen maximalen Treibgas-Volumenstrom unter hohem Druck zu erzeugen, um ihn einer nachgeschalteten Maschine zuzuführen.
Die Anpassung an verschiedene Leistungszustände der Gesamtmaschine also einer Kombination des Treibgasreaktors mit einer Expansionsmaschine oder dergleichen erfolgt durch entsprechende Änderung der zugeführten Treibstoff-, Verbrennungsluft- und SKT-Mengen.
Die Maximierung des Treibgas-Volumenstroms soll unter Berücksichtigung der Temperaturverträglichkeit der am Auslass des Reaktors - und am Einlass der Maschine - verwendeten Werkstoffe durch Einsatz von Druckluft als Verbrennungsluft, Sekundärtreibstoffen (SKT) in Form von Druckluft, Wasser bzw. Wasserdampf erfolgen.
Der Treibgasreaktor besteht aus einer wärmeisolierten, druckfesten Außenhülle. Zentral im unteren Bereich werden Treibstoff und die zur Verbrennung bei erhöhtem Druck notwendige Verbrennungsluft einer Kammer zugeführt, in der der Verbrennungsprozess vollständig stattfinden kann.
Durch weitere Einlasse können SKT's in Form von zusätzlicher Pressluft, Wasser bzw. Wasserdampf eingespeist und dem Verbrennungsgas zugeführt werden wie für eine Ausführungsform in Fig. 8 gezeigt ist. Das so erzeugte Treibgas verlässt den Reaktor durch eine Öffnung im oberen Bereich und dient zum Antrieb einer Maschine, insbesondere einer Expansionsmaschine.
Im Idealfall werden diese SKT's so zugeführt, dass deren Volumenströme die äußere Reaktorwand vor Überhitzung schützen. Gegebenenfalls ist der Einsatz einer hochtemperaturfesten Auskleidung der Brennkammer notwendig.
Figur 9 veranschaulicht zudem, dass das Treibgas von einer Treibgaserzeugungseinrichtung 900 kommt, die kurz als Reaktor bezeichnet wird. Dieser Treibgaserzeugungseinrichtung 900 werden Treibstoff und Verbrennungsluft zugeführt, sowie ein erster Sekundärtreibstoff SKT1 , der als Druckluft durch den Kompressionsraum 925 bereitgestellt werden kann, und einen zweiten Sekundärtreibstoff SKT2, der in dem Wärmetauscher 970 als erwärmtes Wasser oder Wasserdampf vorbereitet und bereitgestellt werden kann.
Die Wärmekraftmaschine 1000 der Figuren 10 bis 12 umfasst zwei Treibgasreaktoren 1005, die mit einer Expansionsmaschine 1102 gekoppelt sind. In den Treibgasreaktoren 1005 wird ein Treibgas erzeugt, das jeweils über einen Auslass 1018 und eine sich daran anschließende Treibgaszuführung 1019 jeweils einer Expansionsteilanordnung 1103 zugeführt werden kann. Bei der Expansionsteilanordnung 1103 kann das Treibgas grundsätzlich über ein Füllventil 1112 einem Treibgasexpansionsraum 1128 zugeführt werden. Nach einer etwaigen Expansion kann das Treibgas über ein Auslassventil 1108 wieder abgelassen werden. Dabei ist dem Auslassventil 1108 eine Auslassleitung 1109 nachgeschaltet.
Durch eine Expansion von Treibgas in dem Treibgasexpansionsraum 1128 jeweils einer der Expansionsteilanordnungen 1103 vergrößert sich der entsprechende Treibgasexpansionsraum 1128 und bewegt einen Kolben 1114 über eine Kolbenstirnwand 1122. Die beiden Kolben 1114 sind über eine Kolbenstange 1130 mechanisch gekoppelt und eine Bewegung der Kolben 1114 und somit der Kolbenstange 1130 führt zu einer Umwandlung in ein Drehmoment in der Wandlungsmechanik 1144. Die Funktionsweise der Wandlungsmechanik 1144 entspricht etwa der im Zusammenhang mit der Expansionsmaschine gemäß Figur 9 beschriebenen.
Durch eine Bewegung der Kolben 1114 und der Kolbenstange 1130 - die zusammen eine Lineareinheit bilden - wird außerdem das Volumen der Kompressionsräume 1125 verändert. Bewegt sich ausgehend von der Figur 10 diese Lineareinheit gemäß der Darstellung nach rechts, so verkleinert sich der linke Kompressionsraum 1125 und führt zu einer Kompression darin enthaltener Luft, die somit als Druckluft bereitgestellt werden kann. Diese Druckluft kann entsprechend an einem Luftauslassventil 1158 entnommen werden. Gleichzeitig vergrößert sich der rechte Kompressionsraum 1125 und Luft kann durch das Luftfüllventil 1162 in den Kompressionsraum 1125 einströmen.
Die Treibgasreaktoren 1005 werden mit einem Brennstoff und Verbrennungsluft betrieben. Der Brennstoff wird mittels einer Brennstoff bzw. Treibstoffpumpe 1038 und einem Kraftstoffventil 1026 zur Steuerung der Kraftstoff- bzw. Brennstoffzufuhr zugeführt. Die Verbrennungsluft wird als Druckluft durch die Expansionsmaschine 1102 bereitgestellt, wobei die Druckluft wie beschrieben im Bereich der Luftauslassventile 1158 bereitgestellt wird. Diese Druckluft wird dem Treibgasreaktor 1005 außerdem als erster Sekundärtreibstoff außerhalb der Brennkammer 1006 durch die erste Sekundärtreibstoffzuführung 1050 zugeführt.
Weiterhin wird Wasserdampf als zweiter Sekundärtreibstoff bei den zweiten Sekundärtreibstoffzuführungen 1070 zugeführt. Der zweite Sekundärtreibstoff wird zunächst durch eine Wasserpumpe 1042 und Wassermengenregelventil 1030 mit Druck bereitgestellt. Vor der Zuführung zum Treibgasreaktor 1005 erfolgt jedoch zunächst eine Vorwärmung durch entsprechende Leitungswindungen 1076 im Bereich der Treibgasauslassleitung 1109, durch die das Treibgas aus dem Treibgasexpansionsraum 1128 ausströmt. Eine weitere Erwärmung des Wassers insbesondere zum Wasserdampf hin erfolgt dann bei weiteren Windungen 1074 im Bereich der Treibgaszuführung 1019, die sich an den Auslass 1018 des Treibgasreaktors 1005 anschließt. Das so erwärmte insbesondere zu Wasserdampf erwärmte Wasser wird dann als zweiter Sekundärtreibstoff durch die zweiten Sekundärtreibstoffzuführungen 1070 dem Treibgasreaktor 1005 zugeführt.
Die Figuren 11 und 12 veranschaulichen nochmal - ausgehend von der Figur 10 - eine Bewegung der Lineareinheit, die aus den beiden Kolben 1114 und der Kolbenstange 1130 gebildet wird, nach rechts gemäß der Darstellung. Hiermit sollen auch die Druckverteilungen veranschaulicht werden. Gemäß Figur 10 ist Treibgas in den Treibgasexpansionsraum 1128 auf der linken Seite eingeführt worden. Von Figur 10 über Figur 11 zu Figur 12 führt dieses Treibgas nun zu einer Volumenvergrößerung des linken Treibgasexpansionsraums 1128 und damit einer Druckabnahme des darin enthaltenen Treibgases. Gleichzeitig erfolgt in dem linken Kompressionsraum 1125 eine Druckzunahme der enthaltenen Luft.
Gleichzeitig wird Treibgas aus dem rechten Treibgasexpansionsraum 1128 ausgestoßen, wobei der Druck des Treibgases dort im Wesentlichen gleich bleibt, nämlich etwa Atmosphärendruck entspricht. Auch der Druck in dem Kompressionsraum 1125 im rechten Zylinder 1104 bleibt im Wesentlichen konstant, nämlich auf etwa Atmosphärendruck, da Luft durch das Luftfüllventil 1162 einströmt. Nach Erreichen der Position gemäß Figur 12 kehrt sich der Prozess um und die Lineareinheit wird wieder nach links fahren.
Außerdem ist in den Figuren 10 bis 12 eine zentrale Mess-, Regel- und Steuereinheit 1010 dargestellt. Diese Mess-, Regel- und Steuereinheit 1010, die abgekürzt als MRS 1010 bezeichnet wird, wird zur Steuerung sowohl der Treibgaserzeugungseinrichtung, also auch der Treibstoffpumpe 1038, dem Kraftstoffventil 1026 und der Wasserpumpe 1042 sowie dem Wasserregelventil 1030 verwendet, als auch zur Steuerung der Expansionsmaschine, also insbesondere der Ventile. Außerdem weist die Wandlungsmechanik 1144 einen gesteuerten Freilauf bzw. Kupplungsfreilauf auf, der ebenfalls durch die zentrale MRS 1010 gesteuert wird. Die zentrale MRS 1010 kann auch verwendet werden, um mehrere Wärmekraftmaschinen gemäß der Figuren 10 bis 12 zu koppeln. In diesem Fall übernimmt die MRS 1010 auch eine Gleichlaufsteuerung, so dass die Wärmekraftmaschinen, insbesondere die Expansionsmaschinen mit gleicher Frequenz bzw. bezogen auf das resultierende Drehmoment mit gleicher Drehzahl aber verschobener Phase betrieben werden. Hierdurch kann eine mechanische Gleichlaufkopplung vermieden werden, wodurch der Betrieb einer und insbesondere mehrerer Wärmekraftmaschinen flexibler und insbesondere variabler wird.
Die Wärmekraftmaschine 1300 der Figur 13 umfasst eine Treibgaserzeugungseinrichtung 1301 mit zwei Treibgasreaktoren 1305 und einer Expansionsmaschine 1302 mit einer Wandlungsmechanik 1344. Diese Wärmekraftmaschine 1300 entspricht im Wesentlichen der Wärmekraftmaschine gemäß der Figuren 6A und 6B, wobei zusätzlich ein Kompressor 1350 vorgesehen und über die Wandlungsmechanik 1344 mit der Expansionsmaschine 1302 gekoppelt ist.
Der Kompressor 1350 weist zwei erste Kompressionsräume 1352 und zwei zweite Kompressionsräume 1354 auf. Jeder zweite Kompressionsraum 1354 ist in einem Kompressionskörper, nämlich Kompressionskolben 1356 ausgebildet, wobei die Kompressionskolben 1356 über einen Zahnstangenabschnitt 1358 mechanisch fest miteinander gekoppelt sind und im Grunde einen Bewegungskörper 1360 bilden. Jeder der ersten Kompressionsräume 1352 ist in einem Zylindermantel 1362 ausgebildet, indem sich der jeweilige Kompressionskolben 1356 bewegt.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Komprimierens eines gastförmigen Mediums wie Luft beschrieben, wobei sich Richtungsangaben wie rechts und links auf die Darstellung gemäß der Figur 13 beziehen. Grundsätzlich bildet jeder erste Kompressionsraum 1352 eine erste Kompressionsstufe und jeder zweite
Kompressionsraum eine zweite Kompressionsstufe. Gemäß der Darstellung der
Figur 13 bewegt sich der Kompressionskolben 1356 nach links und komprimiert dabei Luft in dem ersten Kompressionsraum 1352 der linken Seite, die zuvor durch Kompressoreinlassventile 1364 eingeströmt ist. Bei dieser Kompression im ersten Kompressionsraum 1352 auf der linken Seite strömt Luft mit zunehmender
Kompression durch Verbindungsventile 1366 in den zweiten Kompressionsraum
1354. Es wird hierbei die erste Kompressionsstufe im linken Teil des Kompressors 1350 vorgenommen.
Im rechten Teil des Kompressors 1350 wird die zweite Kompressionsstufe gemäß der Betriebsstellung in der Figur 13 durchgeführt. Bereits komprimierte Luft befindet sich in dem zweiten Kompressionsraum 1354 dieser rechten Seite und wird durch die nach links gerichtete Bewegung des Kompressorkolbens 1356 weiter komprimiert, indem sich der zweite Kompressionsraum 1354 bedingt durch die Bewegung des Kompressorkolbens 1356 verkleinert. Die in dieser zweiten Stufe komprimierte Luft kann durch ein Kompressorauslassventil 1368 in einen Kompressorauslassbereich 1370 gelangen und von dort schließlich einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
Bei der genannten Bewegung des Kompressionskolbens 1356 vergrößert sich zudem im rechten Teil der erste Kompressionsraum 1352 und Luft kann durch die Kompressoreinlassventile 1364 einströmen, um gleichzeitig eine erste Kompressionsstufe vorzubereiten. Bei dem Kompressor 1350 ist der Bewegungskörper 1360, der aus den beiden Kompressionskolben 1356 und dem Zahnstangenabschnitt 1358 besteht, im Grunde das einzige bewegliche Teil, mit Ausnahme der beweglichen Elemente der Ventile. Der Bewegungskörper 1360 bewegt sich somit relativ zu dem Zylindermantel 1362 und dem Kompressorauslassbereich 1370. Zum Erzeugen der oszillierenden Bewegung des Bewegungskörpers 1360 ist dieser über den Zahnstangenabschnitt 1358 mit dem oberen Zahnkranz 1332 der Wandlungsmechanik 1344 gekoppelt, wobei der Zahnkranz 1332 durch die Kolbenstange 1330 der Expansionsmaschine 1302 bewegt wird. Somit ist die Bewegung des Bewegungskörpers 1360 des Kompressors 1350 entgegengesetzt der Bewegung der Kolbenstange 1330 der Expansionsmaschine 1302.
Zur Funktionsweise der Wärmekraftmaschine im übrigen wird auf die Beschreibung zu anderen Ausführungsformen einschließlich der Ausführungsformen der Figuren 6A und 6B verwiesen. Die durch den Kompressor 1350 erzeugte komprimierte Luft kann in den Treibgasreaktoren 1305 beispielsweise als Verbrennungsluft oder auch als ein Sekundärtreibstoff verwendet werden.
Auch zu der Figur 13 ist zu erwähnen, dass die Darstellung schematisch ist und keinen Rückschluss auf etwaige Größenverhältnisse zulässt.
Die Wandlungsmechanik 1444 der Figur 14 weist zwei Zahnkränze 1432 auf, die drehbar in einem Gehäuse 1446 gelagert sind. Zwischen den beiden Zahnkränzen 1432 ist eine erste verzahnte Kolbenstange 1430 einer ersten Expansionsmaschine gelagert und ist mit beiden Zahnkränzen 1432 im Eingriff. Eine zweite Kolbenstange 1429 einer zweiten Expansionsmaschine ist nur mit einem Zahnkranz 1432 im Eingriff. Die Kolbenstangen 1429 und 1430 bewegen sich gegenläufig und gemäß der Darstellung der Figur 14 ist die erste Kolbenstange 1430 in einer nach links bewegten Position und entsprechend die zweite Kolbenstange 1429 in einer nach rechts bewegten Position dargestellt. Die Bewegung der ersten Kolbenstange 1430 wird unmittelbar auf den oberen oder unteren Zahnkranz 1432 übertragen. Die Bewegung der zweiten Kolbenstange 1429 wird unmittelbar auf den unteren Zahnkranz 1432 übertragen und über den unteren Zahnkranz die erste Kolbenstange 1430 indirekt auf den oberen Zahnkranz 1432, wobei die genannten Richtungsangaben sich auf die Darstellung gemäß der Figur 14 beziehen.
Die Drehbewegung der Zahnkränze 1432 wird je nach Richtung durch den oberen oder unteren Zahnkranz 1432 in ein Drehmoment übertragen.
Die Kraft- und Drehmomentwirkungen sind in Figur 15 veranschaulicht, demnach die obere Kolbenstange 1430 eine Kraft F1 mit wechselnder Richtung ausüben kann und die zweite Kolbenstange 1429 eine Kraft F2 ebenfalls mit wechselnder Richtung. Führt die erste Kolbenstange 1430 eine - bezogen auf die Darstellung der Figur 15 - nach rechts gerichtete Kraft F1 aus, so wird diese auf den oberen Zahnkranz 1432 in ein links herum gerichtetes Drehmoment M1 übertragen, das weiter auf die Radnabe 1436 übertragen wird. Hierbei übt die zweite Kolbenstange 1429 eine nach links gerichtete Kraft F1 aus, die übertragen wird auf den unteren Zahnkranz 1432, von dort auf die erste Kolbenstange 1430 und von dort weiter auf den oberen Zahnkranz 1432, wo diese zu einem links herum gerichteten Drehmoment M2 führt. Die Drehmomente M1 und M2 addieren sich.
Ist die Kraft F1 der ersten Kolbenstange 1430 nach links gerichtet, so wird diese auf den unteren Zahnkranz 1432 als nach links gerichtetes Drehmoment M1 und von dort weiter auf die Radnabe 1436 übertragen. Hierbei ist die Kraft F2 der zweiten Kolbenstange 1429 nach rechts gerichtet und wird direkt auf den unteren Zahnkranz 1432 übertragen und führt dort zu einem links herum gerichteten Drehmoment M2. Auch hier addieren sich die Drehmomente M1 und M2. Es ist zu beachten, dass die Radnaben 1436 über einen Kettentrieb 1440 gekoppelt sind und entsprechendes Drehmoment wahlweise an der oberen und/oder unteren Radnabe 1436 abgenommen werden kann. Gemäß dieser Ausführungsform ist auf einfache Weise eine Kopplung zweier Expansionsmaschinen mit nur einer Wandlungsmechanik erzielbar. Es braucht lediglich eine zweite Führung für die zweite Kolbenstange 1429 vorgesehen werden.
Der Treibgasreaktor 1605 gemäß der Ausführungsform der Figur 16 arbeitet mit einem Brennstoff und Verbrennungsluft sowie drei Sekundärtreibstoffen, nämlich Druckluft als erster Sekundärtreibstoff SKT1 , Wasserdampf als zweiter Sekundärtreibstoff SKT2 und Wasser als dritten Sekundärtreibstoff. Eine Mess-, Regel- und Steuereinheit 1610, kurz als MRS 1610 bezeichnet, steuert die Zuführung der genannten fünf Stoffe. Ein Kompressor 1636 erzeugt Druckluft und weist zudem einen Druckluftbehälter zum Speichern von Druckluft auf. Die Druckluft wird der MRS 1610 zugeführt und dort zum einen als Verbrennungsluft für die Verbrennung in der Brennkammer 1606 bereitgestellt und andererseits als Sekundärtreibstoff SKT1 dem Treibgasreaktor 1605 zugeführt. Wasser erreicht die MRS 1610 unter Druck und wird von da zum einen direkt dem Treibgasreaktor 1605 zugeführt und zum anderen einem Wärmetauscher 1680 zugeführt, so dass das Wasser den Wärmetauscher 1680 als Wasserdampf verlässt und somit als zweiter Sekundärtreibstoff SKT2 dem Treibgasreaktor 1605 zugeführt werden kann. Die Erwärmung in dem Wärmetauscher 1680 erfolgt durch Treibgas, das die dargestellte Expansionsmaschine 1602 verlässt. Nachdem das Treibgas in dem Wärmetauscher 1680 Wärme an das Wasser abgegeben hat, verlässt dieses den Wärmetauscher 1680.
In dem Treibgasreaktor 1605 ist die Brennkammer 1606 angeordnet und von einer wärmebeständigen Wand 1660 umgeben. Außerhalb der wärmebeständigen Wand 1660 strömt das Wasser, das von einer Mittelwand
1662 umgeben ist. Außerhalb der Mittelwand 1662 strömt teilweise der erste Sekundärtreibstoff SKT1 und teilweise der zweite Sekundärtreibstoff SKT2. Schließlich ist der Treibgasreaktor, insbesondere die Führung des ersten und zweiten Sekundärtreibstoffs von der äußeren Wand 1664 umschlossen. Der erste und der zweite Sekundärtreibstoff SKT1 und SKT2 werden mittels Rohre 1669 durch die Mittelwand 1662, im wesentlichen quer durch den Kanal 1661 und durch die wärmebeständige Wand 1660 hindurch zum Innenraum 1603 des Treibgasreaktors 1605 geleitet. Weiter zum Auslass 1618 des Treibgasreaktors 1605 hin wird erst das Wasser dem Treibgas zugegeben. In Strömungsrichtung des Treibgases gesehen daran anschließend ist eine Begrenzungswand 1617 im Grunde im Auslass 1618 vorgesehen. Im Anschluss daran wird das Treibgas über entsprechende Leitungen der Expansionsmaschine zugeführt. Vorzugsweise wird der dritte Sekundärtreibstoff in einer Anlaufphase dem Treibgasreaktor zugeführt. Der zweite Sekundartreibstoff wird vorzugsweise nach der Anlaufphase zugeführt und die Zuführung des dritten Sekundärtreibstoffs wird dabei zurückgefahren.
Figur 17 zeigt einen Zylinderkopf 1701 einer Expansionsmaschine. An dem Zylinderkopf 1701 ist ein Mantelrohr 1702 angeordnet, indem wiederum ein Zylinder 1703 angeordnet ist. In dem Zylinder 1703 wird ein Kolben 1704 beweglich geführt. In dem Kolben 1704 ist ein sogenannter Stauchkolben 1741 angeordnet, der grundsätzlich fest mit dem Kolben 1704 verbunden ist. In der Flucht mit dem Stauchkolben 1741 ist eine Kammer mit Schmieröl bzw. Stauchdämpfungsöl 1705 angeordnet.
Bei der bestimmungsgemäßen Bewegung des Kolben 1704 in dem Zylinder 1703 strömt Treibgas durch ein Einlassventil 1706 in den zylindrischen Raum, in dem sich der Kolben 1704 bewegt und schiebt den Kolben 1704 gemäß der Darstellung der Figur 17 nach links. Kehrt der Kolben 1704 zurück, so ist das Einlassventil 1706 geschlossen und ein Auslassventil 1707 geöffnet. Treibgas wird dann durch den Kolben 1704 aus dem Auslass beim Auslassventil 1707 herausgedrückt. Um hierbei den Kolben 1704 in seiner Bewegung abzudämpfen, kann das Auslassventil 1707 vor Erreichen der Endposition durch den Kolben 1704 geschlossen werden, so dass durch das verbleibende Treibgas ein Dämpfungskissen gebildet wird, das den Kolben 1704 abfedert und dabei gleichzeitig in die entgegengesetzte Richtung beschleunigen kann.
Sollte eine Fehlfunktion auftreten, bei der Beispielsweise diese vor Abschließung des Auslassventils 1707 versagt, würde der Kolben 1704 seine Bewegung fortsetzen und eine Beschädigung des Zylinderkopfes 1701 bestände. Um dies abzufedern ist eine Notkompressionskammer 1711 vorgesehen, in die sich der Kolben 1704 dann bewegen würde. Sobald der Kolben mit einer Stirnseite am Anfang der Notkompressionskammer 1711 angekommen ist, führt dies zu einer zwangsweisen Schließung des Kanals 1709 des Einlassventils 1706 und des Kanals des Auslassventils 1707. Der Kolben wird dann in der Notkompressionskammer 1711 abgefedert.
Als weitere Sicherheitsmaßnahme ist die Kammer mit dem Schmieröl bzw. Stauchdämpfungsöl 1705 vorgesehen. Sollte die Dämpfung durch die Notkompressionskammer 1711 nicht ausreichen, so kann sich der Stauchkolben 1741 im Grunde von der Bewegung des restlichen Kolbens 1704 lösen und weiter in die Kammer mit dem Stauchdämpfungsöl 1705 gelangen und dort abgedämpft werden.
Im Übrigen ist zwischen dem Mantelrohr 1702 und dem Zylinder 1703 ein Temperaturausgleichsraum vorgesehen, in dem ggf. eine Thermofüllung vorhanden ist, die einen Temperaturausgleich entlang, also in Längsrichtung des Zylinders 1703, erreichen soll, insbesondere einen Ausgleich hoher Temperaturen im Bereich des Zylinderkopfes 1701 in die davon abgewandte Richtung des Zylinders 1703.
Der Kolben 1801 in der Figur 18 ist mit einem Stauchkolben 1802 versehen, die über Scherstifte 1803 fest miteinander verbunden sind. In der Flucht des Stauchkolbens 1802 ist ein Stauchraumzylinder 1806 angeordnet, in den der Stauchkolben 1802 im Grunde teilweise eingesetzt ist. Eine Dichtung erfolgt mittels des Dichtrings 1804. Im bestimmungsgemäßen Betrieb bewegt sich der Stauchkolben 1802 somit zusammen mit dem Kolben 1801 . Der Kolben 1801 wird dabei in einem nicht dargestellten Zylinder mittels der Führungsringe 1805 geführt. Zur Schmierung des Kolbens 1801 wird Schmieröl über eine Schmierölzuführung 1808 dem Stauchraum 1806 zugeführt. Über Schmieraustritte 1809 gelangt das Schmieröl zur Außenseite des Kolbens 1801 und kann diesen gegenüber einem Zylinder in dem der Kolben 1801 geführt wird, schmieren. Hierzu ist im Übrigen der Kolbenringsatz 1807 vorgesehen.
Im Falle einer Fehlfunktion, bei der der Kolben 1801 durch den Stauchkolben 1802 in seiner Bewegung weiter als gewünscht gemäß der Darstellung der Figur 18 nach rechts geschoben wird und gegen ein Hindernis insbesondere einen Zylinderkopf stößt, können die Scherstifte 1803 brechen und die Kraft von dem Stauchkolben 1802 kann durch das Schmieröl in dem Stauchraum 1806 abgedämpft werden, das hierbei weiter durch die Schmieraustritte 1809 herausgedrückt werden kann.
In einem Zylinderrohr 1902 wird Treibgas in einen Innenraum 1901 geführt bzw. es kann dort Kraft auf einen nicht dargestellten Kolben ausüben. Außerhalb des Zylinderrohres 1902 ist ein Ringspalt 1903 mit einer Thermoölfüllung vorgesehen, um Temperatur entlang des Zylinderrohrs 1902 insbesondere in Längsrichtung zu verteilen bzw. auszugleichen. Der Ringspalt 1903 ist durch ein Mantelrohr 1904 begrenzt. Um das Mantelrohr 1904 ist ein Isolationsmaterial 1905 angeordnet, das wiederum in einem Außenrohr 1906 aufgenommen ist. Erst von dem Außenrohr 1906 aus nach außen findet eine Temperaturabgabe aus dem System heraus statt, wobei an dem Außenrohr 1906 mit einer Temperatur im Bereich von 30 0C zu rechnen ist.
Erklärung zur Zeichnung Nr. 1.00.1 bzw. Fig. 20:
(Alternative Bezugszeichen in Klammer)
Pos. 1 Reaktorfundament mit Vollisolation (2001 )
Pos. 2 Reaktorkörper (2002) Pos. 3 Zwischenrahmen (2003)
Pos. 4 Kopf- und Sammelplatte (2004)
Pos. 5 Isolierdeckel (2005)
Pos. 6 Treibmittel- Kondensataufbereitung (2006) Pos. 7 Ventil für die Leistungssteuerung (2007)
Pos. 8 Ventil für Kondensatdampfüberdruck (2008)
Pos. 9 Speicherdruckbehälter (2009)
Pos. 10 Arbeitsdruckmessanlage (2010)
Pos. 11 Wärmequelle ( Gas- Ölbrenner usw. ) (2011 ) Pos. 12 Abgassteuerung (2012)
Pos. 13 Kondensator (2013)
Pos. 14 Kondensatpumpe (2014)
Pos. 15 Isolationsgehäuse (2015)
Pos. 16 Zentrale Leistungs- und Maschinensteuerungsanlage (2016) Pos. 17 Treibmittelleitungsnetz (2017)
Pos. 18 Treibmitteleinspritzdüsen (2018)
Pos. A Brennstoffzufuhrleitung Pos. B Luftzufuhrleitung
Pos. C1 Arbeitsdruckleitung
Pos. C2 Überdruckabführleitung mündet in C1
Pos. D Auspuff- / Kondensatsammelleitung
Pos. E Druckluftanschlussleitung
Pos. F Abgasleitung
Bauteilbeschreibunq zu Zeichnung 1.001 :
Pos. 1 :
Das Fundament mit thermischer Vollisolation trägt den Reaktorkörper, sowie seine Aufbauten und isoliert die Wärmestrahlung der Brennkammer nach unten.
Pos. 2 :
Der Reaktorkörper besteht aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff (Kupfer, oder ähnlich) und ist abwechselnd mit Heizgaskanälen (drucklos) und Treibgaskanälen (druckbeaufschlagt) durchwirkt. Die Zeichnung zeigt im rechten HaIb- schnitt den Verlauf des Treibmittel- bzw. Treibgasverlaufes und im linken Halbschnitt den Verlauf der Heizgase.
Pos. 3 :
Der Zwischenrahmen aus gut wärmeleitenden Werkstoff lässt einen Hohlraum zwischen dem Reaktorkörper und der Kopf- und Sammelplatte ( Pos. 2 u. 4 ) entstehen in dem das Treibmittelleitungsnetz (Pos. 17) und die Anschlüsse der Treibmitteleinspritzdüsen (Pos.18) Platz finden. Ferner wird der Zwischenraum als Heizgasumlenkkammer genutzt und dient der zusätzlichen Vorwärmung des Treibmittels vor seiner Einspritzung in den Reaktor.
Pos.4 :
Die Kopf- und Sammelplatte bildet den oberen Abschluss des Reaktorkerns und sammelt alle Treibgaskanäle des Reaktorkerns über die Verbindungsrohre zum Reaktorkern zu einem, oder mehreren zentralen Arbeitsdruckleitung/en (C1 ) .
Des Weiteren verfügt die Kopf- und Sammelplatte über die notwendigen Durchbrüche zum Durchlass der Heizgase nach oben.
Pos. 5 :
Der Isolierdeckel bildet den oberen thermischen Abschluss des Reaktorkerns und isoliert diesen gegen den sonst auftretenden Körperkontaktwärmeabfluss nach oben.
Der Isolierdeckel verfügt über die notwendigen Durchbrüche zur Leitung der Heizgase in den Reaktorhohlraum in dem sich das Rohrnetz für die Kondensataufbereitung (Pos.6) befindet.
Pos. 6 :
Die Kondensataufbereitungsanlage besteht im Wesentlichen aus einem Rohrnetz das zu ca. 75% mit Kondensat gefüllt ist und die Restenergie der den Reaktor- kern verlassenden Heizgase weitgehend entzieht um das Kondensat optimal vorzuwärmen.
Über das Ventil für die Leistungssteuerung (Pos.7) und die Anschlussleitung 17 wird das unter ca. 60 bar Druck stehende Kondensat den Treibmitteleinspritzdüsen (Pos. 18) zugeführt. Eventuell entstehende Überdrücke ( größer 60 bar ) werden über das Steuerventil ( Pos. 8) und der Leitung C2 dem Expansionsteil der WWKM zugeführt.
Pos. 7 :
In Zusammenarbeit mit der zentralen Leistungs- und Maschinensteuerungsanla- ge und den Wärme- und Drucksensoren der WWKM regelt dieses Ventil primär durch die Durchflussmenge des Treibmittels, das das Volumen bzw. den Druck des Treibgases im Reaktorkern entstehen lässt , womit die Leistung der WWKM Anlage geregelt wird.
Pos. 8 :
Das Ventil für den Kondensatdampfdampfüberdruck leitet eventuellen Überdruck über die Druckleitung C2 ab und führt diesen nutzbringend dem Expansionsteil der WWKM Anlage zu.
Pos. 9 :
Der Speicherdruckbehälter sorgt über seine Ventile dafür, das auch nach dem Stillstand und dem Abkühlen der WWKM Anlage genügend Treibmitteldruck ansteht um die Anlage erneut zu starten.
Pos. 10 :
Die Arbeitsdruckmessanlage dient zur Aufnahme des aktuellen Arbeitsdruckes und damit verbunden mit der zentralen Maschinensteuerung zur Regelung und Steuerung des Einlassventils (Pos.9 Expansionsanlage) der Expansionsanlage.
Pos. 11 :
Die Wärmequelle ist die Energiezufuhr der WKM Maschine, sie kann sehr unterschiedlicher Art sein. Heute vorstellbar kann diese Wärmequelle durch verbren- nen von Gasen, Ölen oder Kohlen, aber auch durch atomare Energie hergestellt werden.
Da das Verbrennen der v.g. Energieträger nur unter atmosphärischen Druck geschieht, kann diese besonders effektiv und umweltfreundlich geregelt und gesteuert werden.
Pos. 12 :
Die Abgassteuerungsanlage sorgt für eine thermisch und Unterdruck geregelte Leitung bzw. Ableitung und optimale Ausnutzung der Heizgase.
Pos. 13 :
Der Kondensator nimmt das ausgenutzte drucklose Treibgas der Expansionsanlage über die Sammelleitung D auf und kühlt diese nur soweit zurück das wiederum möglichst warmes, flüssiges Treibmittel entsteht.
Pos. 14 :
Die Kondensatpumpe nimmt das kondensierte Treibmittel vom Kondensator drucklos kommend auf und fördert es in die unter Druck stehende Kondensataufbereitungsanlage.
Pos. 15 :
Das Isolationsgehäuse isoliert den gesamten Reaktor gegen Wärmeverlust nach außen.
Pos. 16 :
Die zentrale Leistungs- und Maschinensteuerungsanlage kontrolliert alle Maschi- nenzustände und regelt und Steuert alle Maschinen- und Leistungsparameter zueinander, solange diese nicht ausschließlich drehwinkelsyncron geregelt werden.
Pos. 17 :
Die Treibmittelleitung führt das Treibmittel über das Regelventil (Pos. 7) den Treibmitteleinspritzdüsen im Reaktorkern zu.
Pos. 18 :
Die Treibmitteleinspritzdüsen vernebeln das Treibmittel möglichst feinnebelig in den erhitzten Treibgaskanälen, wodurch fast explosionsartig das Treibgas entsteht.
Erklärung zur Zeichnung 2.00.1 bzw. Fig. 21 und 22:
Titel : Wärmekraftmaschine Expansionsteil
(Alternative Bezugszeichen in Klammer)
Pos. 1 Maschinenfundament mit Maschinengehäuse (2101 )
Pos. 2 Lagerböcke für 3 Wellen (2102)
Pos. 3 Zahnsegmenträder ca. 180° verzahnt (2103)
Pos. 4 Zahnräder für Synchrongetriebe (2104)
Pos. 5 Verbindungsstange zweiseitig verzahnt (2105)
Pos. 6 Kolbenstangen (2106)
Pos. 7 Kolben (2107) Pos. 8 Zylinder kpl. mit Köpfen und Füßen (2108)
Pos. 9 Einlassventile synchron und leistungsgesteuert (2109)
Pos. 10 Auslassventil synchrongesteuert (2110)
Pos. 11 Umsteuerventil synchrongesteuert (2111 ) Pos. 12 Federspeicher kpl. (21 12) Pos. 13 Wellen / Freilaufwellen (2113) Pos. 14 Zentralwelle / Abtriebswelle (2114) Pos. 15 Synchronstangentrieb kpl. (2115) Pos. 16 Kolbenstangendichtung und Lagerung (2116) Pos. 17 Kolbendichtung und Lagerung (2117) Pos. 18 Abtriebswellendichtung (2118) L = ca. Länge der Maschine hier 7.300 mm H = ca. Höhe der Maschine hier 2.700 mm BF = ca. Breite des Maschinenfundaments hier 1.700 mm BG = ca. Breite des Maschinengehäuses hier 1.400 mm D = Zylinderdurchmesser hier 500 mm d = Kolbenstangendurchmesser hier 493 mm r = Wirkradius des Zahnsegmentrades hier 500 mm / 180° verzahnt
D = Sammel- und Verbindungsleitung zum Kondensator
C = Treibgasleitung zum Reaktorteil / Steuerung
Bauteilbeschreibung zu Zeichnung 2.00.1 :
Pos. 1 :
Das Maschinenfundament mit dem Maschinengehäuse bildet den äußeren Rahmen der Maschine und die Verbindung zu den Zylindern.
Pos. 2 :
Die Lagerböcke stehen auf dem Maschinenfundament und beinhalten die Lage- rungen der Maschinenwellen.
Pos. 3 :
Die Zahnsegmenträder schaffen die formschlüssige Verbindung der Zahnstange mit den Maschinenwellen bzw. deren Freilauf beim jeweiligen Rückhub der Maschine.
Pos. 4 :
Die gleich dimensionierten Zahnräder schaffen in der gezeigten Verbindung mit den Wellen und den Zahnsegmenträdern die Kraft- bzw. Drehmomentübertragung von den krafterzeugenden Lineareinheiten zur Abtriebswelle und synchronisieren alle Teile zueinander. Pos. 5 :
Die Verbindungsstange verbindet beide Kolbenstangen miteinander und leitet die erzeugten Kräfte in die Zahnsegmenträder ab.
Pos. 6 :
Die Kolbenstangen bilden gemeinsam mit den Kolben und deren Dichtungen sowie den Zylindern die krafterzeugenden Lineareinheiten.
Pos. 7 :
Die Kolben beinhalten die Umsteuerventile und sind Bestandteil der Lineareinheiten.
Pos. 8 :
Die Zylinder kpl. bestehen aus den Zylinderrohren in denen die Kolben mit ihren Dichtungen laufen, sowie aus den Zylinderköpfen mit den Auslassventilen und den Zylinderfüßen mit den Kolbenstangendichtungen und Einlassventilen.
Pos. 9 :
Die Einlassventile werden zum Einlasszeitpunkt synchron - und zum Schließzeitpunkt von der Maschinensteuerung beeinflusst angesteuert.
Pos. 10 :
Die Auslassventile werden synchron angesteuert. Pos. 11 :
Die Umsteuerventile werden synchron angesteuert. Im geöffneten Zustand sorgen sie für den dann freiwerdenden Druckausgleich zwischen dem Treibmittelvo- lumen auf der Kolbenstangenseite und der Zylinderkopfseite, wodurch infolge der Flächendifferenz der kraftvolle Rückhub, in der Verbindung der Treibgasexpansion und der ebenfalls dabei entstehende Druckabbau auf annähernd drucklos und die Treibgasrückkühlung infolge der Expansionskälte, stattfindet.
Pos. 12 :
Der Federspeicher speichert die kinetische Energie, die aus der Bewegung und der Masse der Lineareinheit resultiert kurzfristig bei der Richtungsumkehr der Lineareinheit und führt sie dieser nach dem Richtungswechsel wieder zu.
Pos. 13 :
Die Wellen / Freilaufwellen bewerkstelligen gemeinsam mit den Lagerungen und den Zahnsegment- und den Zahnrädern die Umwandlung der Linearkräfte in Drehmoment bzw. infolge der Drehzahl in Maschinenleistung.
Pos. 14 :
Über die Zentralwelle, die Bestandteil des Wellensystems ist wird die Synchronisation der Maschineteile zueinander herbeigeführt und das Drehmoment bzw. die Maschinenleistung nach außen abgeführt.
Pos. 15 :
Die Aufgabe des Synchronstangentriebes ist ausschließlich darin zu sehen, die Lineareinheit zum Zeitpunkt des Richtungswechsels mit den rund laufenden Rädern zu synchronisieren. Pos. 16 :
Die Aufgabe der Kolbenstangendichtung und Lagerung ist es dafür zu sorgen, dass kein Treibmittelvolumenausgleich an ihnen vorbei stattfindet und die Kolbenstangen leichtgängig gelagert werden.
Pos. 17 :
Die Aufgabe der Kolbendichtung und Lagerung ist es dafür zu sorgen, dass kein Treibmittelvolumenausgleich an ihnen vorbei stattfindet und die Kolben leichtgängig gelagert werden
Pos. 18 :
Die Aufgabe der Abtriebswellendichtung ist es, das zur Schmierung der Maschine in deren Gehäuseinnenraum befindliche Schmiermittel nicht nach außen dringen zu lassen.
Gesamtfunktionsbeschreibunq der Wärmekraftmaschine :
Die Ausgangssituation dieser Beschreibung der Maschine ist wie zeichnerisch in Zeichnung 1.00.1 und 2.00.1 dargestellt, der Reaktor ist drucklos und kalt. Die zeichnerisch dargestellte Situation wird als Drehwinkel 0° bezeichnet.
1. Druckluftkessel (Reaktor R. Pos.9) mit ca. 60 bar Druckluft füllen und damit die Treibmittelanlage unter Druck setzen.
2. Wärmequelle (Brenner R. Pos. 1 1 ) aktivieren und damit den Reaktorkern auf vorgegebene Temperatur vorheizen. Die Heizgase werden im weiteren Verlauf ihres Weges durch den Reaktor auch die Treibmittelanlage (R. Pos. 6) aufheizen und diese infolge der Ausdehnung des Treibmittels zusätzlich unter Druck setzen. 3. Über die Maschinensteuerung kann nun das Ventil (R. Pos.9) angesteuert werden, wodurch Treibmittel über das Treibmittelleitungsnetz (R. Pos.17) und die Treibmitteleinspritzdüsen (R. Pos. 18) in die Treibgaskanäle eingespritzt wird, welches dort infolge der Wärme explosions-artig Treibgasvolumen entstehen lässt . Dieses Treibgasvolumen wird nun in der Sammel-platte (R. Pos. 4) zusammengeführt und über die Arbeitsdruckmessanlage (R. Pos. 10) und der Verbindungsleitung C1 der Expansionsanlage zugeführt.
4. Dieses Treibgasvolumen entwickelt nun abhängig vom Bewegungswiderstand der Expansionsanlage Druckvolumen welches über das linke geöffnete Einlassventil (Expansionsteil, nachfolgend E. Pos. 9 genannt) auf die Kreisringfläche des linken Kolbens (E. Pos.7) wirkt und diesen in Bewegung nach links versetzt.
5. Aufgrund der Verbindung der Bauteile Kolben (E. Pos. 7), Kolbenstangen (E. Pos.6) und der Verbindungsstange (E. Pos. 5) wird eine zusammenhängende Lineareinheit geschaffen, die wechselseitig jeweils richtungsabhängig mit dem zuständigen Zahnsegmentrad verzahnt im Eingriff ist und damit jeweils die von der Lineareinheit und dem Arbeitsdruck entwickelte Kraft in die Zahnsegmenträder ab- bzw. umleitet und dabei in den Wellen / Freilaufwellen (E. Pos. 13) mit denen sie drehmomentfest verbunden sind ein Drehmoment erzeugt. Auf den Wellen (E. Pos. 13) befinden sich auch drehmomentfest verbunden die gleich großen Zahnräder für das Synchrongetriebe (E. Pos. 4), welche die jeweils wechselseitigen Drehmomente drehrichtungsgleich, auf das zentrale Synchronrad (E. Pos. 4), das sich ebenfalls drehmomentfest verbunden auf der Zentralwelle / Abtriebswelle (E. Pos. 14) befindet, übertragen. Über die Zentralwelle / Abtriebswelle (E. Pos. 14) können nunmehr die jeweils wechselseitig linear erzeugten Kräfte in einem drehrichtungsgleichen Drehmoment / Leistung umgewandelt nach außen abgeleitet, bzw. dort genutzt werden.
6. Beim Erreichen des 1. linken Umkehrpunktes nimmt der Federspeicher (E. Pos. 12) die kinetische Energie der gesamten Lineareinheit auf und lenkt sie um 180° um. Gleichzeitig wechseln alle Ventile ihre Schaltzustände, wodurch nun- mehr das über der linken Kreisringfläche stehende Druckvolumen auf die konstruktiv vorgegebene X mal größere Differenzdruckfläche wirkt und damit die Lineareinheit vom linken Federspeicher unterstützt und von der rechten Kreisringfläche und dem anstehenden Arbeitsdruck zusätzlich angetrieben die Linear- einheit nach rechts treibt. Erklärung alle Ventile : Mit Ausnahme der Einlassventile (E. Pos. 9) sind alle Ventile synchron (drehwinkelabhängig) gesteuert, dass heißt sie wechseln ihre jeweiligen Schaltzustände genau zum Zeitpunkt eines jedem Richtungswechsels der Lineareinheit.
7. Die Einlassventile jedoch öffnen (synchrongesteuert) immer genau zum Zeitpunkt des jeweiligen Richtungswechsels der jeweiligen Wirkrichtung nach außen, der ggf. arbeitsdruck-abhängige Schließzeitpunkt wird jedoch von der zentralen Maschinensteuerung (R. Pos. 16) über den folgenden Richtungswechsel hinausgehend beeinflusst, damit immer genügend Expansionsdruckvolumen für den Expansionshub zur Verfügung steht, wodurch keine Vakuumverluste bis zum folgenden Richtungswechsel eintreten können.
8. Ebenfalls genau zum Zeitpunkt des 1. Richtungswechsels verlässt das obere Zahnsegmentrad den Eingriff in die obere Verzahnung der Verbindungsstange und das untere Zahnsegmentrad greift in den unteren Teil der Verzahnung der Verbindungsstange ein und übernimmt damit die Kraft- bzw. Drehmo- mentübertragung, wie diese sinngemäß unter Punkt 5 erklärt wurde. Zum Zeitpunkt des wie vor beschriebenen Taktwechsels (Lineareinheit Richtungswechsel), Wechsel der Ventilschaltzustände und Wechsel der Kraft- bzw. Drehmomentverkopplung von Verbindungsstange und jeweiligen Zahnsegmentrad) sind 90° des Drehwinkels der WWKM vollendet.
9. Während des folgenden Taktes vollziehen sich weitere 180° Drehwinkel der Maschine, wobei sich das untere Zahnsegmentrad mit der unteren Verzahnung der Verbindungsstange im Eingriff befinden und wie vor für oben beschrieben, der Kraft- bzw. Drehmomentfluss analog für unten gewährleistet ist.
10. Bei 270° Drehwinkel angekommen vollzieht sich erneut der wie vor be- schrieben Taktwechsel analog (Richtungswechsel der Lineareinheit verbunden mit gleichzeitigen Wechsel des Kraft- Drehmomentflusses vom unteren zum oberen Zahnsegmenteinheit und Ventilumschaltung) für die folgenden 180° Drehwinkel, womit dann mehr als 360° Funktionsablauf schlüssig dargestellt wurden und damit der folgende annähernd unendliche Funktionsablauf beschrieben ist.
11. Da zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht ausgeschlossen werden kann, dass durch die konstruktive Ausprägung der Verzahnung von der Verbindungsstange und der Verzahnung Zahnsegmenträder eine ausreichend sichere Syn- chronisation der Lineareinheit mit den rundlaufenden Teilen der Maschine sicherzustellen ist, kann ggf. der Synchronstangentrieb für die notwendige Synchronisation beim Taktwechsel sorgen. Ebenfalls möglich ist es das Zahnsegmentrad mit einem Rücklauffreilaufsystem auszurüsten damit die Zahnsegmenträder ständig im Eingriff mit den Verzahnungen der Verbindungsstange bleiben kann (diese Konstruktion ist in der Zeichnung nicht dargestellt).
Bewertung und Gegenüberstellung der Systeme konventioneller Motoren und einer Wärmekraftmaschine - nach folgend als WWKM bezeichnet - gemäß wenigstens einer bevorzugten bzw. angestrebten Ausführungsform:
1. Im Gegensatz zu allen Motorenarten muss die WWKM an keiner Stelle zum Schutz vor thermischer Beschädigung gekühlt werden.
2. Der Treibgasreaktor und die Expansionsmaschine (Zylinder) sollten gut gegen Wärmeabfluss isoliert werden.
3. Im Gegensatz zu allen Motorenarten entwickelt die WWKM bei jedem Drehwinkel infolge des konstanten Hebelarmes (r) ein Drehmoment. Alle Motoren haben in etwa zum Zeitpunkt ihrer größten Kraftfreisetzung infolge der Kurbelwellen Drehmomenterzeugung eine Hebelarmlänge die gegen 00 geht und infolge dessen annähernd kein Drehmoment erzeugt. 4. Im Gegensatz zu allen Motorenarten entwickelt die WWKM in jeder Drehwinkelstellung Kraft, Drehmoment und somit auch Leistung, sie ist ein echter Eintakter. Schon als Doppelanlage ist die WWKM in der Lage ein nur noch geringfügig schwankendes Drehmoment abzugeben.
5. Im Gegensatz zu allen Motorensystemen wird der erzeugte Treibgasdruck bei der WWKM völlig abgebaut und dabei nutzbringend in Drehmoment bzw. Leistung umgesetzt.
6. Die WWKM Technik ist prädestiniert zur Herstellung sehr großer Leistungen mit hohen Drehmomenten und geringen Drehzahlen.
Wird die WWKM Technik für den Antrieb immer gleicher Drehzahl und Leistung genutzt, so kann, wenn es dem Wirkungsgrad positiv beeinflusst, zur Treibgaserzeugung auch ein konventioneller Dampfkessel verwendet werden. Die hier dargestellte Reaktortechnik ermöglicht eine relativ schnelle Drehzahl- bzw. Leistungsänderung.
7. Die WWKM Technik wird nach ihrer erfolgreich abgeschlossenen Entwicklungsphase prädestiniert sein als Antriebsmaschine für Kraftwerke, Schiffe oder Lokomotiven eingesetzt zu werden. Sie wird dort einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung dieser Anlagen besonders im Hinblick auf den ökonomischen und ökologischen Betrieb leisten.
8. Nach heutiger Einschätzung erscheint ein Gesamtwirkungsgrad der WWKM Technik in der Größenordnung von ca. 70 % als möglich.
Wesentliche Wirkunqsqradverluste bei Diesel- und Ottomotoren :
1. Energieverlust durch Wärmeabfuhr, für den Selbstschutz des Motors, notwendige Kühlung um den Verbrennungsraum, Verlust ca. 32 %
2. Energieverlust durch Treibgasausstoß mit sehr hoher ungenutzter Tempe- ratur, Verlust ca. 29 %
3. Energieverlust durch Wärmeabstrahlung des Motorblocks, Verlust ca. 7 %
4. Energieverlust durch schlechte Kraft- bzw. Drehmomentwandlung infolge ungünstiger Kurbelwellenstellung. Das heißt, zum Zeitpunkt der größten Krafter- zeugung (Zündzeitpunkt = ca. oberer Totpunkt der Kurbelwelle) ist der Hebelarm ( Wirkradius ) der Kurbelwelle annähernd = 0. Im Verlauf der folgenden Drehwinkeländerung wird gleichzeitig der Wirkradius größer und die Kraft des Kolbens infolge der Expansion des Treibgases kleiner.
5. Energieverlust durch schlechte Ausnutzung der Expansionsarbeit. Weil die Länge des Expansionshubes gleich der Länge des vorangegangenen Kompressionshubes ist, kann ausschließlich die Volumenmenge nutzbringend expandieren, die zuvor komprimiert wurde. Durch die zwischenzeitliche Kraftstoffverbrennung hat sich jedoch das ehemalige Ansaug- bzw. Kompressionsvolumen erheblich vergrößert und damit den Druck deutlich erhöht. Beim Expansionshub kann bauartbedingt das nun sehr viel größere Treibgasvolumen nutzbringend nur bis zur Volumengröße des vorangegangenen Ansaugvolumens expandiert werden, wodurch das verbleibende, unter Restdruck stehende, Treibgasvolumen nutzlos abgeleitet werden muss.

Claims

Ansprüche
1. Treibgaserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Treibgases unter Druck zum Verrichten mechanischer Arbeit, umfassend:
- einen Treibgasdruckbehälter zum Erzeugen des Treibgases darin,
- eine Brennkammer mit einem Brenner zum Verbrennen eines Brennstoffes zum Erzeugen eines Brenngases, wobei die Brennkammer so mit dem Treibgasdruckbehälter verbunden ist, dass das Brenngas in den Treibgasdruckbehälter gelangt und
- eine Sekundärtreibstoffzufuhr zum Einleiten von Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser in den Treibgasdruckbehälter zum Kühlen des Brenngases.
2. Treibgaserzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer in dem Treibgasdruckbehälter angeordnet ist oder einen Teil des Treibgasdruckbehälters bildet.
3. Treibgaserzeugungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer mit Brenner
- eine Brennstoffzufuhr zum Zuführen des Brennstoffs und
- eine Luftzufuhr zum Zuführen von Luft aufweist
und der Brenner vorbereitet ist zum Vermischen, insbesondere Verwirbeln der Luft und des Brennstoffs und zum Starten einer Verbrennung in der Brennkammer, und die Treibgaserzeugungseinrichtung weist optional einen Luftkompressor zum Erzeugen von Druckluft zum Bereitstellen der Druckluft an der Luftzufuhr oder eine Ankopplung an eine Druckluftversorgung auf, und optional ein Luft- mengenregelventil zum Steuern des Drucks und/oder der Menge der bereitge- stellten Druckluft.
4. Treibgaserzeugungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Brennstoffpumpe und/oder einen Brennstoffkompressor um Brennstoff der Brennkammer und/oder dem Brenner insbesondere unter Druck zuzuführen, und optional ein Brennstoffmengenregelventil zum Steuern der zuzuführenden Brennstoffmenge.
5. Treibgaserzeugungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend eine Sekundärtreibstoffpumpe, insbesondere eine Wasserpumpe um den Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser an der Sekundärtreibstoffzufuhr unter Druck bereitzustellen zum Einleiten in den Treibgasdruckbehäl- ter unter Druck und optional ein Regelventil für Sekundärtreibstoff, insbesondere ein Wassermengenregelventil zum Steuern der zuzuführenden Sekundärtreibstoff- bzw. Wassermenge.
6. Treibgaserzeugungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Steuereinheit zum Steuern der Treibgaserzeugungsein- richtung, insbesondere der Brennstoffzufuhr, der Luftzufuhr und/oder der Sekundärtreibstoffzufuhr.
7. Treibgaserzeugungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sekundärtreibstoffleitung vorgesehen ist zum Leiten des Sekundärtreibstoffs zur Sekundärtreibstoffzuführung, die entlang wenigstens einer Wand des Treibgasdruckbehälters verläuft, um eine Vorwärmung des Sekundärtreibstoffs durch Wärme des Treibgasdruckbehälters zu erreichen.
8. Treibgaserzeugungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibgasdruckbehälter zumindest abschnitts- weise wenigstens doppelwandig ausgeführt ist und zwischen zwei Wänden der Sekundärtreibstoff und/oder die Luft zum Zuführen zum Treibgasdruckbehälter bzw. der Brennkammer geführt wird.
9. Treibgaserzeugungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend eine zweite Sekundärtreibstoffzufuhr zum Zuführen eines weiteren Sekundärtreibstoffs.
10. Treibgaserzeugungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend einen Wärmetauscher zum Erwärmen wenigstens eines Sekundärtreibstoffs aus Wärme des Treibgases und/oder aus Wärme eines weiteren Mediums.
11. Verfahren zum Erzeugen eines Treibgases unter Druck zum Verrichten mechanischer Arbeit unter Verwendung einer Treibgaserzeugungseinrichtung mit einem Treibgasdruckbehälter, einer mit dem Treibgasdruckbehälter verbundenen Brennkammer und einer Sekundärtreibstoffzufuhr zum Einleiten von Sekundärtreibstoff in den Treibgasdruckbehälter, umfassend die Schritte
- Verbrennen eines Brennstoffes in der Brennkammer zum Erzeugen eines Brenngases,
- Leiten des Brenngases in den Treibgasdruckbehälter und
- Einleiten von Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser in den Treibgasdruckbehälter zum Kühlen des Brenngases,
um dadurch das Treibgas in dem Treibgasdruckbehälter unter Druck zu erzeugen.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Treibgaserzeugungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Verbrennen des Brennstoffs zu dem Brenngas unter Zuführung von Luft erfolgt,
- als SekundärtreibstoffWasser in flüssiger Form so zugeführt wird, dass es beim Mischen mit dem Brenngas verdampft und so zu einer Volumenvergrößerung des Wassers führt oder bereits als Wasserdampf zugeführt wird und/oder - das Treibgas Brenngas und Wasserdampf und/oder wenigstens einen Sekundärtreibstoff aufweist, insbesondere ein Gemisch aus Brenngas und Wasserdampf und/oder wenigstens einem Sekundärtreibstoff ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung unter Überdruck stattfindet.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer Druckluft durch einen Druckluftkompressor bereitgestellt wird, optional unter zusätzlicher Verwendung eines Druckluftregelventils, und der Druck und/oder die Menge der Druckluft gesteuert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer und/oder dem Brenner Brennstoff mittels einer Brennstoffpumpe und/oder einem Brennstoffkompressor zugeführt wird, optional unter Verwendung eines Brennstoffmengenregelventils, insbesondere unter Druck, und wobei die zuzuführende Brennstoffmenge gesteuert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Treibgasdruckbehälter Wasser mittels einer Wasserpumpe und optional unter Verwendung eines Wasserregelventils unter Druck zugeführt wird und die zugeführte Wassermenge gesteuert wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff ein fließfähiger Brennstoff verwendet wird, insbesondere
Gas, Öl, Benzin und Diesel.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das als Sekundärtreibstoff vorgeheizte Wasser verwendet wird und/oder Wasser in den Treibgasdruckbehälter unter Druck eingenebelt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärtreibstoffzufuhr, die Brennstoffzufuhr und/oder die Druckluftzufuhr abhängig von Messungen von Zuständen in der Treibgaserzeugungseinrich- tung erfolgt, insbesondere abhängig von Messungen der Temperatur, des VoIu- mens, des Drucks und/oder der Zusammensetzung des Treibgases und/oder abhängig von der Temperatur im Brenner erfolgt und/oder eine Steuerung der Mengenverhältnisse und/oder des Drucks der Druckluft, des Brennstoffs und des Wassers erfolgt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren so gesteuert wird, dass das Treibgas den Treibgasdruckbehälter etwa mit einem Druck von 10 bis 50 bar und einer Temperatur im Bereich von 750 0C bis 1200 0C verlässt.
22. Expansionsmaschine zum Wandeln der in Treibgas unter Druck enthalte- nen Energie in eine mechanische Bewegung, insbesondere Drehbewegung, mit einer ersten Expansionsteilanordnung umfassend:
- einen Füllraum zum Befüllen mit dem Treibgas, in dem ein Bewegungskörper mit einer ersten Druckfläche beweglich geführt wird zum Verändern des Füllraums in der Größe und zum Wandeln einer Bewegung oder Expansion des Treibgases in eine Bewegung des Bewegungskörpers mit einer ersten Richtung und
- einen Treibgasexpansionsraum zum Zuführen von Treibgas, in dem der Bewegungskörper mit einer zweiten Druckfläche beweglich geführt ist zum Verändern des Treibgasexpansionsraumes in der Größe und zum Wandeln einer Expansion des Treibgases in eine Bewegung des Bewegungskörpers mit einer zweiten Richtung und
- wobei die erste und zweite Druckfläche so zueinander angeordnet sind, dass eine Vergrößerung des Füllraumes zu einer Verkleinerung des Treibgasexpansionsraumes führt.
23. Expansionsmaschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Druckfläche kleiner ist als die zweite Druckfläche.
24. Expansionsmaschine nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass - der Füllraum als Zylinderraum oder Ringspalt ausgebildet ist und die erste Druckfläche als Kreis- bzw. Ringfläche ausgebildet ist,
- Bewegungskörper als Kolben ausgeführt ist und/oder
- der Treibgasexpansionsraum als Ringspalt oder Zylinderraum ausgebildet ist und die zweite Druckfläche als Ring- bzw. Kreisfläche ausgebildet ist.
25. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Füllraum und der Treibgasexpansionsraum überlappen, insbesondere in einer gemeinsamen Bohrung ausgebildet sind.
26. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 22 bis 25, umfassend
- wenigstens ein mit dem ersten Füllraum funktional verbundenes Füllventil zum Einlassen von Treibgas in den ersten Füllraum,
- wenigstens ein mit dem Treibgasexpansionsraum funktional verbundenes Auslassventil zum Auslassen von Treibgas aus dem Treibgasexpansionsraum und/oder
- wenigstens ein mit dem Füllraum und dem Treibgasexpansionsraum funktional verbundenes Überströmventil zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Füllraum und dem Treibgasexpansionsraum, um Treibgas zu ermöglichen, vom Füllraum zum Treibgasexpansionsraum zu strömen.
27. Expansionsmaschine zum Wandeln einer Expansion von Treibgas unter Druck in eine mechanische Bewegung, insbesondere Drehbewegung, mit einer ersten Expansionsteilanordnung zum funktionalen Verbinden mit einer Treibgas- erzeugungseinrichtung umfassend:
- einen Treibgasexpansionsraum zum Befüllen mit Treibgas, in dem ein Bewegungskörper mit einer Druckfläche beweglich geführt wird zum Verändern des Treibgasexpansionsraums in der Größe und zum Wandeln einer Expansion des Treibgases in eine translatorische Bewegung des Bewegungskörpers mit einer ersten Richtung, - einen Kompressionsraum, in dem der Bewegungskörper mit einer Kompressionsfläche bewegbar geführt zum Komprimieren eines darin aufgenommenen Prozessgases, insbesondere Luft, durch eine translatorische Bewegung des Bewegungsköpers in die erste Richtung, und
- einer mit dem Bewegungskörper verbundenen Wandlungsmechanik zum Wandeln der translatorischen Bewegung des Bewegungskörpers in eine Drehbewegung.
28. Expansionsmaschine nach Anspruch 27, wobei die Druckfläche größer ist als die Kompressionsfläche, und/oder die Druckfläche als Kreisfläche und die Kompressionsfläche als Ringfläche ausgebildet sind mit gleichem Außendurchmesser, insbesondere, dass ein Zylinderraum vorgesehen ist, in dem der Treib- gasexpansionsraum und der Kompressionsraum ausgebildet sind.
29. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Expansionsteilanordnung mit einer zweiten Expan- sionsteilanordnung mit gleichen Merkmalen gekoppelt ist, wobei die Bewegungsköper beider Expansionsteilanordnung zu einem gemeinsamen Bewegungskörper vereint sind, und so gegenläufig zueinander gekoppelt sind, dass in der Treibgasexpansionskammer der ersten Expansionsteilanordnung ein Treibgas expandieren kann, während aus der Treibgasexpansionskammer der zweiten Expansionsteilanordnung ein Treibgas mit reduziertem Druck entweicht.
30. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 22 bis 29, umfassend eine Schwungmasse zum Speichern und Abgeben einer Bewegungsenergie von bzw. zu dem Bewegungskörper.
31. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 22 bis 30, dadurch ge- kennzeichnet, dass die bzw. eine Wandlungsmechanik wenigstens eine mit dem
Bewegungsköper verbundene Zahnstange und wenigstens ein mit der Zahnstange gekoppeltes Zahnradmittel aufweist zum Wandeln einer translatorischen Bewegung der Zahnstange in eine rotatorische Bewegung am Zahnradmittel.
32. Expansionsmaschine nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlungsmechanik wenigstens
- ein erstes Zahnradmittel aufweist, um eine translatorische Bewegung einer ersten Richtung des Bewegungskörpers in eine Drehbewegung mit einer ersten Drehrichtung zu wandeln und
- ein zweites Zahnradmittel aufweist, um eine translatorische Bewegung einer zweiten Richtung des Bewegungskörpers in eine Drehbewegung mit der ersten Drehrichtung zu wandeln,
wobei die Expansionsmaschine, insbesondere die Wandlungsmechanik dazu vorbereitet ist, zwischen dem ersten und zweiten Zahnradmittel so umzuschalten, dass eine oszillierende Bewegung des Bewegungsköpers in eine Drehbewegung mit der ersten Drehrichtung gewandelt wird, und/oder wobei jedes Zahnradmittel einen Freilauf, insbesondere einen gesteuerten Kupplungsfreilauf aufweist, um jeweils nur bei der ersten bzw. der zweiten Richtung der translatorischen Bewe- gung wirksam zu sein.
33. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 22 bis 32, umfassend eine Expansionsmaschinensteuereinheit zum Steuern der Expansionsmaschine, insbesondere zum Steuern von Ventilen und/oder der Wandlungsmechanik.
34. Anordnung wenigstens zweier Expansionsmaschinen nach einem der Ansprüche 22 bis 33, wobei die Expansionsmaschinen so gekoppelt sind, dass sie jeweils ein Drehmoment auf eine gemeinsame Welle leiten, wobei insbesondere die Expansionsmaschinen dazu vorbereitet sind, synchronisiert und/oder koordiniert betrieben zu werden.
35. Verfahren zum Betreiben einer Expansionsmaschine umfassend die fol- genden auf eine erste Expansionsteilanordnung mit einem Füllraum und einem
Treibgasexpansionsraum gerichteten Schritte in der Reihenfolge der Auflistung:
Schritt 1 : Befüllen eines Füllraums über wenigstens ein Füllventil mit Treibgas, so dass der Druck des Treibgases auf eine erste Druckfläche an einem Bewe- gungskörper wirkt und sich dadurch der Füllraum vergrößert und der Bewegungsköper in eine erste Richtung bewegt wird,
Schritt 2: Schließen des wenigstens einen Füllventils und, ggf. mit einem Zeitverzug, Öffnen wenigstens eines Überströmventils, so dass das Treibgas aus dem Füllraum in einen Treibgasexpansionsraum strömt und dort auf eine zweite Druckfläche an den Bewegungskörper wirkt und sich dadurch der Treibgasexpansionsraum vergrößert und der Bewegungskörper in eine zweite Richtung bewegt wird, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung entgegengesetzt ist,
Schritt 3: Öffnen wenigstens eines Auslassventils um das Treibgas aus dem Treibgasexpansionsraum entweichen zu lassen,
Schritt 4: Wiederholen des Verfahrens beginnend mit Schritt 1.
36. Verfahren zum Betreiben einer Expansionsmaschine umfassend die folgenden auf eine erste Expansionsteilanordnung mit einem Treibgasexpansions- räum und einem Kompressionsraum gerichteten Schritte in der Reihenfolge der Auflistung:
Schritt 1 : Befüllen des Treibgasexpansionsraums mit Treibgas, so dass der Druck des Treibgases auf eine Druckfläche an einem Bewegungskörper wirkt und sich dadurch der Treibgasexpansionsraum vergrößert und der Bewegungs- köper in eine erste Richtung bewegt wird, wodurch ein Prozessgas in dem Kompressionsraum komprimiert wird,
Schritt 2: Rückbewegen des Bewegungskörpers in die zweite Richtung, dabei Entleeren des Treibgasexpansionsraums und Befüllen des Kompressionsraumes mit Prozessgas und
Schritt 3: Wiederholen von Schritt 1.
37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Expansionsteilanordnungen mit gleichen Merkmalen gekoppelt betrieben werden, wobei ihre Bewegungsrichtungen entgegengesetzt gerichtet sind, wobei die beiden Expansionsteilanordnungen so betrieben werden, dass sich ihre Bewegungen ergänzen und sie einen gemeinsamen Bewegungskörper aufweisen.
38. Wärmekraftmaschine zum Erzeugen einer mechanischen Bewegung unter Verwendung eines Brennstoffs, umfassend
- eine Treibgaserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Treibgases nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und
- eine Expansionsmaschine zum Wandeln einer Expansion von Treibgas unter Druck in eine mechanische Bewegung, insbesondere Drehbewegung nach einem der Ansprüche 22 bis 33,
wobei die Treibgaserzeugungseinrichtung und die Expansionsmaschine so miteinander gekoppelt sind, dass das von der Treibgaserzeugungseinrichtung erzeugte Treibgas der Expansionsmaschine zugeführt wird, insbesondere an wenigstens einem bzw. dem wenigstens einen Füllventil oder einem Einlassventil an einer Treibgasexpansionskammer bereitgestellt wird.
39. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine verlassendes Treibgas einem bzw. dem Wärmetauscher zugeführt wird, um wenigstens einen Sekundärtreibstoff zu erwärmen.
40. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, umfassend die Schritte:
- Erzeugen eines Treibgases unter Druck unter Verwendung einer Treibgaserzeugungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10und/oder unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 21 ,
- Wandeln des Treibgases unter Druck in eine mechanische Bewegung, insbesondere eine Drehbewegung unter Verwendung einer Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 22 bis 33 und/oder unter Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 35 bis 37.
41. Kompressor zum Komprimieren eines Prozessgases, insbesondere Luft umfassend:
- einen ersten Kompressionsraum mit einem darin bewegbaren ersten Kompressionskörper zum Komprimieren eines Prozessgases, insbesondere Luft und
- einen zweiten Kompressionsraum mit einem darin relativ dazu bewegbar angeordneten zweiten Kompressionskörper des Prozessgases,
wobei der zweite Kompressionsraum in dem ersten Kompressionskörper ausgebildet ist.
42. Kompressor nach Anspruch 41 , dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Kompressionsraum dazu vorbereitet ist, das Prozessgas in einer ersten Kompressionsstufe auf ein Volumen mit einem ersten Kompressionsdruck zu komprimieren,
- wenigstens ein Verbindungsventil vorgesehen ist, um komprimiertes Prozessgas der ersten Kompressionsstufe in den zweiten Kompressionsraum zu führen und
- der zweite Kompressionsraum dazu vorbereitet ist, das Prozessgas aus der ersten Kompressionsstufe in einer zweiten Kompressionsstufe auf ein Volumen mit einem zweiten Kompressionsdruck zu komprimieren.
43. Kompressor nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kompressionsraum und der zweite Kompressionskörper fest zueinander angeordnet sind der erste Kompressionskörper zu dem ersten Kompressionsraum und dem zweiten Kompressionskörper so in zwei Richtungen beweglich angeordnet ist, dass aus seiner Bewegung entweder eine Verkleinerung des ersten Kompressionsraums und eine Vergrößerung des zweiten Kompressions- raums resultiert, oder eine Vergrößerung des ersten Kompressionsraums und eine Verkleinerung des zweiten Kompressionsraums resultiert.
44. Dampferzeuger zum Erzeugen von Wasserdampf aus Wasser umfassend: - einen Vorwärmbereich zum Vorwärmen des Wassers,
- einen Verdampfungsbereich zum Verdampfen des Wassers und
- eine Wärmequelle zum Erwärmen des Vorwärmbereichs und des Verdampfungsbereichs,
wobei der Dampferzeuger dazu vorbereitet ist, vorgewärmtes Wasser aus dem Vorwärmbereich über Treibmitteleinspritzdüsen in den Verdampfungsbereich einzuspritzen, sodass das Wasser in dem Verdampfungsbereich zu Wasserdampf verdampft, wobei die Wärmequelle vorzugsweise dazu vorbereitet ist, ein Heizmedium bereitzustellen und/oder zu erzeugen, das zunächst zum Verdamp- fungsbereich geleitet wird um diesen zu erwärmen und von dort zum Vorwärmbereich geleitet wird um diesen zu erwärmen.
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