EP2326821A2 - Wärmekraftmaschine und verfahren zum betreiben derselben - Google Patents

Abstract

Eine Wärmekraftmaschine (1000) umfaßt ein erstes Volumen (100), das eingerichtet ist, abwechselnd erwärmt und abgekühlt zu werden, ein zweites Volumen (200), das eingerichtet ist, abwechselnd erwärmt und abgekühlt zu werden, ein Arbeitsmedium (10), das in dem ersten und in dem zweiten Volumen (100, 200) enthalten ist, und eine Fluidleitung (400), über die das erste Volumen (100) und das zweite Volumen (200) miteinander verbunden sind, wobei eine mit dem Arbeitsmedium betreibbare Maschine (300) zwischen dem ersten Volumen (100) und dem zweiten Volumen (200) mit der Fluidleitung (400) verbunden ist, wobei die Wärmekraftmaschine (1000) so eingerichtet ist, daß in einem ersten Zustand das Arbeitsmedium (10) in dem ersten Volumen (100) erwärmt wird während das Arbeitsmedium (10) in dem zweiten Volumen (200) abgekühlt wird und in einem zweiten Zustand das Arbeitsmedium (10) in dem ersten Volumen (100) abgekühlt wird während das Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen (200) erwärmt wird.

Description

WÄRMEKRAFTMASCHINE UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN DERSELBEN

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Wärmekraftmaschine.

Im Stand der Technik sind zahlreiche Wärmekraftmaschinen bekannt, die üblicherweise nach den ihnen zugrunde liegenden thermodynamischen Kreisprozessen klassifiziert werden. So werden typischerweise die in den Maschinen ablaufenden Prozesse mittels so genannter idealisierter Vergleichsprozesse klassifiziert. Ein solcher idealisierter Vergleichsprozess ist beispielsweise der Carnot-Prozess, der sowohl im Gasgebiet als prinzipiell auch im Nassdampfgebiet der Zustanddiagramme ablaufen kann. Dabei erfolgt im Carnot-Prozess zunächst eine isentrope Verdichtung, anschließend eine isotherme reversible Energieübertragung in Form von Wärme und Arbeit, anschließend eine isentrope Entspannung und abschließend eine isotherme reversible Energieübertragung in Form von Wärme und Arbeit. Ein weiterer idealisierter Vergleichsprozess ist der so genannte Joule- Prozess, der sich vom Carnot-Prozess dadurch unterscheidet, dass der Energieübertrag isobar anstatt isotherm verläuft. Beim Joule-Prozess erfolgt kein Phasenwechsel des Arbeitsmediums. Einen solchen idealisierten Vergleichsprozess mit Phasenwechsel des Arbeitsmediums, zum Beispiel im Gas-, Zweiphasen- und Flüssigkeitsgebiet, beschreibt der so genannte Clausius-Rankine-Prozess. Dieser unterscheidet sich vom Joule-Prozess dadurch, dass im Verlauf des Prozesses ein Phasenwechsel des Arbeitsmediums stattfindet. Beim Clausius-Rankine-Prozess erfolgt zunächst eine isentrope Druckerhöhung, anschließend eine isobare reversible Energieübertragung in Form von Wärme mit Phasenwechsel des Arbeitsmediums, dann eine isentrope Druckabsenkung und schließlich eine isobare reversible Energieübertragung in Form von Wärme mit Phasenwechsel des Arbeitsmediums. Der vierte idealisierte Vergleichsprozess ist der so genannte Seiliger-Prozess, der speziell als Vergleichsprozess für in Verbrennungsmotoren (Otto- und Diesel-Motoren) auftretende Kreisprozesse eingeführt wurde. Beim Seiliger-Pozess erfolgt zunächst eine isentrope Verdichtung des Arbeitsmediums, anschließend eine isochore reversible Energieübertragung in Form von Wärme sowie anschließend eine isobare reversible Energieübertragung in Form von Wärme, sodann eine isentrope Entspannung und abschließend eine isochore reversible Energieübertragung in Form von Wärme. Diese idealisierten Vergleichsprozesse können zum Verständnis der vorliegenden Erfindung dienen und geben dem Fachmann ein Mittel an die Hand, das reale Maschinenkonzept gegenüber einer idealisierten Arbeitsmaschine zu prüfen. Es besteht ein ständiger Bedarf an der Bereitstellung mechanischer Energie, sei es zur Bewegung von Fahrzeugen, zum Antrieb elektrischer Generatoren oder aber zum Betrieb von Arbeitsmaschinen wie etwa Bohrern, Pumpen oder ähnlichem. Zurzeit wird ein Großteil dieser mechanischen Arbeit durch Verbrennungskraftmaschinen bereitgestellt, bei denen thermische Energie durch die Verbrennung eines Mediums, insbesondere von Otto- oder Dieselkraftstoff, zugeführt wird. In Anbetracht der begrenzten Ressourcen fossiler Energieträger sowie des nachteiligen Einflusses der bei der Verbrennung erzeugten Abgase ist es jedoch wünschenswert, die mechanische Arbeit nicht durch eine Verbrennungskraftmaschine sondern durch eine Wärmekraftmaschine bereitzustellen, der thermische Energie in Form eines äußeren Wärmeübergangs zugeführt wird. Auf diese Weise können beispielsweise natürliche Wärmequellen genutzt werden. Ebenfalls können durch Wärmekraftmaschinen die Wärmemengen, die beispielsweise in Abgasströmen und/oder dem Kühlwasser thermischer Anlagen enthalten sind, nutzbar gemacht werden. Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang wünschenswert, dass eine solche Anlage günstig hergestellt sowie einfach und mit im Wesentlichen ökologisch unbedenklichen Arbeitsmedien betrieben werden kann. Zusätzlich wäre es von Vorteil, wenn eine solche Anlage kompakt baut.

Im Hinblick darauf schlägt die vorliegende Erfindung eine Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1 sowie eine Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine nach Anspruch 38 vor. Weitere Aspekte, Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Wärmekraftmaschine bereitgestellt, die ein erstes Volumen umfasst, das eingerichtet ist, abwechselnd erwärmt und abgekühlt zu werden, und die ebenfalls ein zweites Volumen umfasst, das auch eingerichtet ist, abwechselnd erwärmt und abgekühlt zu werden. Weiterhin umfasst die Wärmekraftmaschine ein Arbeitsmedium, das in dem ersten und in dem zweiten Volumen enthalten ist sowie eine Fluidleitung, über die das erste Volumen und das zweite Volumen miteinander verbunden sind. Dabei ist eine mit dem Arbeitsmedium betreibbare Maschine zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen mit der Fluidleitung verbunden. Die Wärmekraftmaschine ist weiterhin so eingerichtet, dass in einem ersten Zustand das Arbeitsmedium in dem ersten Volumen erwärmt wird, während das Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen abgekühlt wird und in einem zweiten Zustand das Arbeitsmedium in dem ersten Volumen abgekühlt wird, während das Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen erwärmt wird.

Bei der Wärmekraftmaschine gemäß dem oben beschrieben Ausführungsbeispiel wird also immer abwechselnd in dem ersten Volumen erwärmt und dem zweiten Volumen abgekühlt bzw. in dem ersten Volumen abgekühlt und in dem zweiten Volumen erwärmt. Dabei tritt in dem Volumen, in dem das Arbeitsmedium erwärmt wird, eine Druckerhöhung des Arbeitsmediums auf. Gleichzeitig tritt in dem Volumen, in dem das Arbeitsmedium abgekühlt wird, eine Druckverminderung des Arbeitsmediums auf. Hat sich nun durch Erwärmung und Abkühlung des Arbeitsmediums zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen ein zum Betrieb der Maschine hinreichender Druckunterschied aufgebaut, so kann über die Fluidleitung ein Druckausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen erfolgen. Dabei wird das unter höherem Druck stehende erwärmte Arbeitsmedium in Richtung des Volumens, in dem sich das unter niedrigerem Druck stehende abgekühlte Arbeitsmedium befindet, strömen. Das strömende Arbeitsmedium wird dabei über die Arbeitsmaschine geführt und verrichtet dort mechanisch Arbeit. Im nächsten Arbeitstakt der Wärmekraftmaschine wird nun in dem Volumen, das zuvor abgekühlt wurde, das Arbeitsmedium erwärmt, während es in dem Volumen, das zuvor erwärmt wurde, in diesem Takt abgekühlt wird. Am Ende dieses zweiten Arbeitstaktes haben sich also die Verhältnisse in der Wärmekraftmaschine umgekehrt, sodass in dem zunächst kalten Volumen nun erwärmtes Arbeitsmedium unter hohem Druck und in dem zunächst heißen Volumen abgekühltes Arbeitsmedium unter niedrigem Druck bereitsteht. Es kann nun abermals ein Druckausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen hergestellt werden, wobei wiederum dem strömenden Arbeitsmedium mittels der zwischengeschalteten Maschine mechanische Arbeit entzogen werden kann. Am Ende dieses Druckausgleichs ist die Wärmekraftmaschine wieder in ihrem Ausgangszustand, sodass der Prozess erneut durchgeführt werden kann. Eine nach dem beschriebenen Prinzip arbeitende Wärmekraftmaschine kann, wie weiter unten noch ausgeführt werden wird, verhältnismäßig kostengünstig und in einer kompakten Bauform bereitgestellt werden. Weiterhin lässt sich ein solches System durch geeignete Wahl der Volumina und des Arbeitsmediums auf eine große Bandbreite von Anwendungen anpassen. Insbesondere kann dabei zum Beispiel Helium als Arbeitsmedium verwendet werden. Mit Helium als Arbeitsmedium kann beispielsweise ein Hochtemperatur- und Hochdruckprozess realisiert werden, bei dem Temperaturen im Bereich bis zu mehreren hundert Grad Celsius sowie Drücke bis zu 300 oder sogar 400 bar realisierbar sind. Die oben beschriebene Wärmekraftmaschine ist jedoch gleichfalls geeignet, mit einem ORC-Medium betrieben zu werden. Insbesondere kann dabei eine Phasenumwandlung des ORC-Mediums, zum Beispiel die Verdampfung bei Erwärmung bzw. die Verflüssigung bei Abkühlung des ORC-Mediums, erfolgen. Insbesondere kann in der oben beschriebenen Wärmekraftmaschine ein Niedertemperatur-ORC-Medium verwendet werden, das schon knapp oberhalb Raumtemperatur, beispielsweise bei 40 ⁰C, verdampft. Somit kann die Wärmekraftmaschine in ganz unterschiedlichen Druck- und Temperaturbereichen eingesetzt werden. Weiterhin können beispielsweise Stickstoff oder Luft als umweltneutrale gasförmige Arbeitsmedien verwendet werden. Es ist ebenfalls denkbar, Wasserdampf als umweltneutrales Arbeitsmedium zu verwenden. Dabei kann eine Phasenumwandlung zwischen Wasserdampf und flüssigem Wasser auftreten. Weiterhin können auch Gemische aus verschiedenen Arbeitsmedien eingesetzt werden. Insbesondere können Gasgemische oder auch Gemische aus verschiedenen ORC-Medien verwendet werden, um die Prozessparameter in geeigneter Weise anzupassen.

Die oben beschriebene Wärmekraftmaschine ist daher in eine Vielzahl von Anwendungsfeldern einsetzbar, nämlich überall dort, wo Abwärme bereitsteht. Insbesondere ist dies natürlich bei sämtlichen Verbrennungsprozessen, bspw. in Motoren, Biogas- Blockheizkraftwerken, Kraftwerken etc. der Fall. Abwärme fällt jedoch auch bei vielen anderen technischen Prozessen an, bspw. bei der Stahlherstellung und -Verarbeitung, der Kunststoffverarbeitung, der Zementherstellung. Bei all diesen Prozessen kann die Wärmekraftmaschine genutzt werden, um die oftmals vergeudete Abwärme nutzbar zu machen, Energie einzusparen und den Wirkungsgrad der Prozesse zu erhöhen. Insbesondere kann der Druckerzeuger auch für die Nutzung von Abwärme bei Heizungssystemen im Wohnbereich, etwa Zentralheizungen oder ähnlichem, eingesetzt werden. Bei solchen Anlagen wird eine Brennertemperatur von 800-900°C erreicht, wobei typische Vorlauftemperaturen für Raumheizkörper bei lediglich 6O⁰C liegen. Die hohe Temperaturdifferenz kann man mittels des Druckerzeugers zur Stromerzeugung nutzbar machen. Gleichermaßen anwendbar ist der oben beschriebene Druckerzeuger im Bereich der Verbrennung von nachwachsenden Rohstroffen, insbesondere Holzpellet- oder Holzheizungen oder Kaminen. Auch die Verbrennung von Holzgas kann zur Erzeugung der benötigten Abwärme dienen.

Gemäß einer Ausführungsform der Wärmekraftmaschine weist das erste und/oder das zweite Volumen einen heißen Bereich und einen kalten Bereich auf. Auf diese Weise kann das abwechselnde Erwärmen und Abkühlen des Arbeitsmediums in dem jeweiligen Volumen auf einfache Weise sichergestellt werden. Es wird dann nämlich das Arbeitsmedium jeweils in dem heißen Bereich bzw. dem kalten Bereich des Volumens bereitgestellt werden, je nachdem ob das Arbeitsmedium in diesem Volumen gerade erwärmt oder abgekühlt werden soll. Dabei kann gemäß einem Ausführungsbeispiel in dem kalten Bereich ein Kühlmittel bereitgestellt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann in dem heißen Bereich ein Heizmittel bereitgestellt werden. Typischerweise können dabei das Kühlmittel und/oder das Heizmittel in jeweiligen Wärmetauschern bereitgestellt werden. Insbesondere kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowohl das erste Volumen als auch das zweite Volumen jeweils einen ersten Wärmetauscher im kalten Bereich und einen zweiten Wärmetauscher im heißen Bereich aufweisen. Auf diese Weise kann die Erwärmung bzw. die Abkühlung des Arbeitsmediums auf besonders einfache Weise erfolgen.

Gemäß einer weiteren Ausführung kann der jeweils erste Wärmetauscher jeweils mehrere im Wesentlichen parallel verlaufende Rohre für das Kühlmittel aufweisen. Weiterhin weist der jeweils erst Wärmetauscher typischerweise einen Kühlmittelzufluss sowie einen Kühlmittelabfluss auf. Gleichermaßen weist gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der jeweils zweite Wärmetauscher jeweils mehrere im Wesentlichen parallel verlaufende Rohre für das Heizmittel auf. Typischerweise weist der jeweils zweite Wärmetauscher ebenfalls jeweils einen Heizmittelzufluss sowie einen Heizmittelabfluss auf. Durch die Anordnung mehrer parallel verlaufender Rohre wird die zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche im Wärmetauscher vergrößert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden dabei mehrere Rohre mit verhältnismäßig kleinem Querschnitt nebeneinander angeordnet und miteinander verbunden, beispielsweise durch Verschweißen. Alternativ kann auch eine ähnliche Struktur durch Bereitstellen eines einzelnen größeren Rechteckprofüs, in das Trennwände eingebracht werden, realisiert werden. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass durch die relativ kleinen Einzelquerschnitte die Rohre gegenüber dem insbesondere beim Erwärmen des Arbeitsmediums auftretenden Umgebungsdrücken druckfest sind.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein jeweiliger Wärmetauscher mehrere solcher Rohrbündel aufweisen, die beabstandet zueinander nebeneinander angeordnet sind. Auf diese Weise kann das Arbeitsmedium in die Zwischenräume zwischen den jeweiligen Rohrbündeln strömen und dort an der Oberfläche der jeweiligen Rohrbündel Wärme aus einem Heizmittel aufnehmen bzw. Wärme an ein Kühlmittel abgeben. Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform sind der heiße und der kalte Bereich eines jeweiligen Volumens voneinander thermisch isoliert. Auf diese Weise kann ein unerwünschter Wärmeübertrag vom heißen Bereich auf den kalten Bereich vermindert bzw. vermieden werden, sodass der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine gesteigert wird. Beispielsweise können dabei die Rohre eines ersten Wärmetauschers und die Rohre eines zweiten Wärmetauschers voneinander jeweils mittels einer Isolierung thermisch isoliert sein. Insbesondere kann gemäß einer Ausführungsform jeweils eine thermische Isolierung zwischen den Rohren des ersten Wärmetauschers und den Rohren des zweiten Wärmetauschers angeordnet sein.

Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform kann in der Wärmekraftmaschine der Kühlmittelzufluss zum ersten Volumen und der Kühlmittelzufluss zum zweiten Volumen über eine Weiche mit einer Kühlmittelleitung verbunden sein, wobei die Weiche eingerichtet ist, dass Kühlmittel entweder in das erste Volumen oder in das zweite Volumen zu leiten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann in der Wärmekraftmaschine der Heizmittelzufluss zum ersten Volumen und der Heizmittelzufluss zum zweiten Volumen über eine Weiche mit einer Heizmittelleitung verbunden sein, wobei die Weiche eingerichtet ist, das Heizmittel entweder in das erste Volumen oder in das zweite Volumen zu leiten. Auf diese Weise kann ein einziger Kühlmittelstrom bzw. ein einziger Heizmittelstrom über die jeweiligen Weichen so geleitet werden, dass das Kühlmittel jeweils nur in dem Volumen bereitgestellt wird, in dem das Arbeitsmedium abgekühlt werden soll, und das Heizmittel jeweils nur in dem Volumen bereitgestellt wird, in dem das Arbeitsmedium erwärmt werden soll. Insbesondere können so die jeweiligen Wärmetauscher in dem kalten oder dem heißen Bereich eines jeweiligen Volumens immer nur dann mit Kühlmittel oder Heizmittel beschickt werden, wenn dieses in dem jeweiligen Arbeitstakt auch tatsächlich in diesem Volumen benötigt wird. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass Heizmittel bzw. Kühlmittel ungenutzt durch einen Wärmetauscher geleitet werden, weil das Heizmittel bzw. das Kühlmittel in dem jeweiligen Takt in dem Volumen gerade nicht benötigt werden.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform können der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher jeweils eine erste Gruppe von Rohrleitungen und eine zweite Gruppe von Rohrleitungen umfassen, die über eine Fluidverbindung miteinander verbunden sind. Die Rohrleitungen sind innerhalb des Volumens so angeordnet, dass sie in zueinander entgegen gesetzter Richtung von dem Heizmittel und/oder dem Kühlmittel durchströmt werden. Beispielsweise können die erste Gruppe von Rohrleitungen und die zweite Gruppe von Rohrleitungen zusammen mit der Fluidverbindung im Wesentlichen U-fÖrmig ausgebildet sein. An einem Ende der ersten Gruppe der Rohrleitungen kann beispielsweise ein Kühlmittel- oder Heizmitteleinlass vorgesehen sein. An einem zweiten Ende der zweiten Gruppe von Rohrleitungen kann beispielsweise ein Kühlmittel- oder Heizmittelauslass vorgesehen sein. Wenn nun Kühlmittel oder Heizmittel über den Einlass in die erste Gruppe von Rohrleitungen in einer ersten Richtung einströmt, so kann sie über die Fluidverbindung beispielsweise um ungefähr 90° umgelenkt und dann wiederum um 90° in die zweite Gruppe von Rohrleitungen einströmen. Das Heizmittel bzw. das Kühlmittel strömen dann über den Auslass aus der zweiten Gruppe von Rohrleitungen aus. Aufgrund der zweifachen Umlenkung in der Fluidverbindung um jeweils 90° Grad durchströmen das Heizmittel bzw. das Kühlmittel die erste Gruppe von Rohrleitungen und die zweite Gruppe von Rohrleitungen in zueinander entgegengesetzter Richtung. Durch eine solche Anordnung im Wärmetauscher kann zum einen die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert und zum anderen die Zeit, in der das Heizmittel bzw. das Kühlmittel den Wärmetauscher durchströmt, verlängert werden. Auf diese Weise wird der Wärmeaustausch effizienter und der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine verbessert.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Arbeitsmedium auch mittels elektromagnetischer Strahlung erhitzt werden. Insbesondere kann hierbei Sonnenlicht zum Erhitzen des Arbeitsmediums verwendet werden. Als Arbeitsmedium kommen dabei sowohl gasförmige als auch ORC-Medien in Betracht. Auf diese Weise kann eine Wärmekraftmaschine geschaffen werden, die einfach mit Hilfe des Sonnenlichts betreibbar ist und keiner sonstigen Wärmezufuhr bedarf. Weiterhin ist denkbar, einen externen Erhitzer zur Bereitstellung eines Heizmittels vorzusehen. Beispielsweise könnte in einem solchen externen Erhitzer ein Thermoöl durch Sonneneinstrahlung erhitzt werden und dann einem Wärmetauscher zugeführt werden. Als Kühlmittel einer solchen autarken Anlage käme gegebenenfalls die Umgebungsluft oder aber Kühlwasser, wie es etwa durch Seen oder Bäche zur Verfügung stehen kann, in Betracht.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Wärmekraftmaschine weiterhin einen Verdrängerkolben, der zwischen dem kalten Bereich und dem heißen Bereich verfahrbar angeordnet ist. Typischerweise ist der Verdrängerkolben aus einem thermisch isolierenden Material ausgebildet, sodass der Verdrängerkolben keinen bzw. kaum Wärmeübertrag vom heißen auf den kalten Bereich gestattet. Beispielsweise kann der Verdrängerkolben Kunststoff oder Holz umfassen. Gemäß einer Ausführungsform ist der Verdrängerkolben aus Polytetraflourethylen (PTFE), besser bekannt unter dem Markennamen Teflon^®, oder zumindest mit Teflon^® beschichtet. Auf diese Weise weist der Verdrängerkolben eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie hervorragende Gleiteigenschaften auf. Der Verdrängerkolben ist typischerweise so ausgebildet, dass er den Zwischenraum im Wärmetauscher praktisch vollständig ausfüllt. Insbesondere kann der Verdrängerkolben gemäß einer Ausführungsform eine kammartige Struktur aufweisen, die zwischen den Heizmittel- bzw. Kühlmittelrohren verläuft. Weiterhin kann für den Verdrängerkolben eine Endlagendämpfung vorgesehen werden. Gemäß einer Ausführungsform ist der Verdrängerkolben extern antreibbar. Beispielsweise kann der Verdrängerkolben über einen elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Antrieb zwischen dem heißen und dem kalten Bereich verschoben werden.

Der oben beschriebene Verdrängerkolben gestattet es, das Arbeitsmedium aus dem heißen oder dem kalten Bereich eines jeweiligen Volumens herauszudrücken. Weiterhin ist der Verdrängerkolben typischerweise so ausgebildet, dass er das gesamte zwischen dem Wärmetauscher zur Verfügung stehende Volumen des heißen bzw. kalten Bereichs ausfüllt. Auf diese Weise steht dem Arbeitsmedium jeweils nur der Teil eines jeweiligen Volumens zur Verfügung, in dem sich der Verdrängerkolben nicht befindet.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Verdrängerkolben einen thermisch isolierenden Bereich auf, der so ausgebildet ist, daß er den heißen Bereich von dem kalten Bereich thermisch isoliert. Der thermisch isolierende Bereich des Verdrängerkolbens ist aus einem thermisch isolierenden Material gefertigt, beispielsweise einem Kunststoff und/oder einem Holz. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt der Verdrängerkolben weiterhin einen Wärmespeicher, der so ausgebildet ist, daß er in einer jeweiligen Endlage des Verdrängerkolbens mit den Rohren der Wärmetauscher in Kontakt steht. Der Wärmespeicher kann dabei Platten aus wärmespeicherndem Material, beispielsweise Metallplatten und insbesondere Kupferplatten, umfassen. Aufgrund des Wärmespeichers kann der Verdrängerkolbens wie ein Regenerator wirken und so den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine erhöhen.

Weiterhin kann eine Fluidverbindung zwischen dem heißen Bereich und dem kalten Bereich des ersten bzw. des zweiten Volumens in der Wärmekraftmaschine bereitgestellt sein. Auf diese Weise kann durch Verschieben des Verdrängerkolbens das Arbeitsmedium von dem heißen Bereich in den kalten Bereich bzw. umgekehrt gebracht werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der heiße Bereich und der kalte Bereich eines jeweiligen Volumens auf demselben Druckniveau liegen. Auf diese Weise muss beim Verschieben des Verdrängerkolbens keine Arbeit gegen den Gasdruck aufgewendet werden. Lediglich die Lager und Reibungskräfte des Kolbens sowie die relativ geringen strömungsdynamischen Verluste im Arbeitsmedium müssen zur Verschiebung aufgewendet werden. Auf diese Weise kann in einem jeweiligen Volumen das Arbeitsmedium mit geringem Aufwand von dem heißen Bereich in den kalten Bereich und umgekehrt gebracht werden, so dass das abwechselnde Erwärmen und Abkühlen in dem jeweiligen Volumen realisiert werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Wärmekraftmaschine weiterhin zumindest einen Regenerator umfassen, der in der Fluidleitung angeordnet ist. Wird der Regenerator vom heißen Arbeitsmedium durchströmt, so nimmt er einen Teil der Wärmeenergie auf und speichert diesen. In einem späteren Arbeitstakt der Wärmekraftmaschine wird das nun abgekühlte Arbeitsmedium über den Regenerator in den heißen Bereich zur Erwärmung verschoben. Dabei nimmt das kalte Arbeitsmedium bereits Wärme vom Regenerator auf, sodass es den heißen Bereich bereits vorgewärmt erreicht. Auf diese Weise kann der Regenerator der Erhöhung des Wirkungsgrades dienen. Gemäß einer weiteren Bauform kann der Regenerator in einer Gehäusewand des ersten und/oder des zweiten Volumens ausgebildet sein. Insbesondere kann der Regenerator einem Einlass bzw. Auslass für das Arbeitsmedium in das erste und/oder das zweite Volumen vorgeschaltet sein. Auf diese Weise wird eine sehr kompakte Bauform erreicht.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das erste Volumen und/oder das zweite Volumen zylinderförmig oder zigarrenförmig ausgebildet sein. Auf diese Weise wird zum einen das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen günstig, sodass die thermische Isolierung des Volumens erleichtert wird. Weiterhin führt dies auch zu einer Verminderung des benötigten Materials.

Gemäß einer anderen Ausführungsform sind das erste Volumen und/oder das zweite Volumen in zumindest einer Dimension deutlich kleiner ausgebildet als in den beiden anderen Dimensionen. Mit anderen Worten können das erste Volumen und das zweite Volumen als sehr flache Elemente bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann die Wärmekraftmaschine beispielsweise am Unterboden von Kraftfahrzeugen, insbesondere LKWs, montiert werden. Als Kühlmittel kann hierbei beispielsweise Luft in Form des Fahrtwinds dienen, wobei als Heizmittel das Abgas des Motors dient. Durch geeignete Materialwahl kann eine solche Wärmekraftmaschine verhältnismäßig leicht gebaut werden. Über diese Wärmekraftmaschine kann ein Hilfsmotor angetrieben werden, sodass Kraftstoffeinsparungen von ca. 12% erreicht werden können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann bei der Wärmekraftmaschine die Fluidleitung weiterhin eingerichtet sein, eine Fluidverbindung zwischen dem heißen Bereich des ersten Volumens und/oder des zweiten Volumens und einer Hochdruckseite der Arbeitsmaschine bereitzustellen. Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Fluidleitung weiterhin eingerichtet sein, eine Fluidverbindung zwischen dem kalten Bereich des ersten Volumens und/oder des zweiten Volumens und einer Niederdruckseite der Arbeitsmaschine bereitzustellen. Dabei ist gemäß einem Ausführungsbeispiel die Arbeitsmaschine ein Motor. Insbesondere kann die Arbeitsmaschine als druckbetriebener Rotationskolbenmotor ausgebildet sein. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Maschine ein elektrischer Generator. Insbesondere kann der Generator ein mit Druck betriebener elektrischer Generator nach dem Rotationskolbenprinzip sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Maschine eine pneumatische oder hydraulische Maschine sein, wobei der von dem strömenden Arbeitsmedium bereitgestellte Druck zum Betrieb der pneumatischen oder hydraulischen Maschine genutzt wird. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die mit Druck betriebene Maschine eine Pumpe oder auch eine Kältemaschine sein. Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Maschine eine mit Pressluft betriebene Baumaschine, insbesondere ein Presslufthammer, sein.

Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann in der Fluidleitung zusätzlich ein Wärmetauscher vorgesehen sein. Der Wärmetauscher kann dabei beispielsweise zwischen einen Regenerator und die Arbeitsmaschine geschaltet sein. Mit Hilfe dieses zusätzlichen Wärmetauschers kann beispielsweise eine Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums in der Fluidleitung erfolgen. Beispielsweise kann zur Zwischenerhitzung das Kühlwasser eines Motors durch den Wärmetauscher geleitet werden. Durch eine solche Zwischenerhitzung kann der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine weiter erhöht werden.

Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform können bei einer Wärmekraftmaschine bzw. einem Druckerzeuger eine Heizmittelzuleitung und eine Kühlmittelzuleitung so bewegbar sein, daß sie jeweils abwechselnd mit dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen verbunden werden können. Beispielsweise können die Heizmittelzuleitung und die Kühlmittelzuleitung um eine gemeinsame Achse drehbar gelagert sein, so daß sie abwechselnd mit dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen in Fluidverbindung gebracht werden können. Dabei kann gemäß einer Ausführungsform die mit dem Druck des Arbeitsmediums betreibbare Maschine auf der gemeinsamen Mittelachse des ersten Volumens und des zweiten Volumens angeordnet sein. Insbesondere kann dabei die mit dem Druck des Arbeitsmediums betreibbare Maschine einen zwischen einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite der Maschine verschiebbaren Kolben aufweisen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer oben beschriebenen Wärmekraftmaschine bereitgestellt. Dieses Verfahren umfasst die Schritte des Erwärmens eines Arbeitsmediums in einem ersten Volumen, des Beaufschlagens einer mit dem Arbeitsmedium betreibbaren Maschine mit dem erwärmten Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium sich entspannt und Arbeit verrichtet, das Einlassen des entspannten Arbeitsmediums in ein zweites Volumen, das Abkühlen des Arbeitsmediums in dem zweiten Volumen, das Erwärmen des Arbeitsmediums in dem zweiten Volumen, das Beaufschlagen der mit dem Arbeitsmedium betreibbaren Maschine mit dem erwärmten Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium sich entspannt und Arbeit verrichtet, das Einlassen des entspannten Arbeitsmediums in das erste Volumen und schließlich das Abkühlen des Arbeitsmediums in dem ersten Volumen. Dieses Verfahren zeichnet sich also dadurch aus, dass ein Arbeitsmedium in einem Volumen erwärmt wird, wohingegen es gleichzeitig in einem zweiten Volumen abgekühlt wird. Auf diese Weise entsteht ein Druckunterschied zwischen dem erwärmten Arbeitsmedium in dem ersten Volumen und dem abgekühlten Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen. Wird ein Druckausgleich zwischen den beiden Volumina ermöglicht, so strömt das unter höherem Druck stehende erwärmte Arbeitsmedium von dem ersten Volumen in das unter niedrigerem Druck stehende zweite Volumen. Dabei kann das strömende Arbeitsmedium mechanische Arbeit verrichten, mit der eine Maschine angetrieben werden kann. Anschließend wird der Vorgang umgekehrt, sodass schließlich im zweiten Volumen erwärmtes Arbeitsmedium und im ersten Volumen abgekühltes Arbeitsmedium bereitstehen. Wiederum kann über die Herstellung eines Druckausgleichs mechanische Arbeit von dem strömenden Arbeitsmedium verrichtet werden. Am Ende des Verfahrens befindet sich die Wärmekraftmaschine wieder im Ausgangszustand, sodass das Verfahren erneut durchgeführt werden kann. Mit dem oben dargestellten Verfahren kann also die Wärmekraftmaschine periodisch betrieben werden.

In diesem Zusammenhang wird ergänzend daraufhingewiesen, dass der Druckerzeuger auch so betrieben werden kann, dass beim Abkühlen und Erhitzen des Arbeitsmediums jeweils ein Phasenübergang auftritt. Beispielsweise kann dabei ein ORC-Medium oder Wasser verwendet werden. Beispielsweise wird das in Gas- oder Dampfphase vorliegende ORC-Medium beim Abkühlen verflüssigt. Dadurch tritt eine dramatische Volumenverminderung des Arbeitsmediums ein, so dass praktisch in dem abgekühlten Volumen ein Unterdruck erzeugt wird. Das aus dem heißen Volumen nachströmende Arbeitsmedium kondensiert bei Eintritt in den kalten Bereich, so dass im wesentlichen kein Druckausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen hergestellt wird. Umgekehrt wird das flüssige Arbeitsmedium beim Erwärmen verdampft, wodurch sich das Volumen vervielfacht bzw. der Druck erheblich erhöht.

Gemäß einer Ausführungsform wird das Arbeitsmedium im ersten Schritt des Verfahrens in einem heißen Bereich des ersten Volumens erwärmt. Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform wird das Arbeitsmedium in einem kalten Bereich des zweiten Volumens eingelassen, in dem es dann abgekühlt wird. Gemäß einer Ausfuhrungsform des vorliegenden Verfahrens kann weiterhin das abgekühlte Arbeitsmedium in einen heißen Bereich des zweiten Volumens verschoben werden, in dem es dann erwärmt wird. Weiterhin kann das in dem heißen Bereich des zweiten Volumens erwärmte Arbeitsmedium in einen kalten Bereich des ersten Volumens eingelassen werden, wo es abgekühlt wird. Ebenso wie bei dem zweiten Volumen kann auch bei dem ersten Volumen das abgekühlte Arbeitsmedium von dem kalten Bereich in einen heißen Bereich des ersten Volumens verschoben werden. In diesem heißen Bereich des ersten Volumens wird anschließend das Arbeitsmedium wieder erwärmt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das wahlweise Zuleiten eines Heizmittels in den heißen Bereich des ersten oder des zweiten Volumens, wenn das Arbeitsmedium darin erwärmt wird. Gleichfalls kann gemäß noch einer Ausführungsform das Verfahren weiterhin das wahlweise Zuleiten eines Kühlmittels in den kalten Bereich des ersten oder des zweiten Volumens umfassen, wenn das Arbeitsmedium darin abgekühlt wird. Auf diese Weise wird das Heizmittel bzw. das Kühlmittel jeweils nur dann in den heißen bzw. den kalten Bereich eines jeweiligen Volumens eingeleitet, wenn sich das Arbeitsmedium in diesem Volumen befindet. Der Heizmittelstrom bzw. der Kühlmittelstrom können auf diese Weise besonders effizient genutzt werden.

Das oben beschriebene Verfahren kann mit beliebigen gasförmigen Arbeitsmedien durchgeführt werden. Insbesondere kann beispielsweise der Prozess mit dem Arbeitsmedium Helium durchgeführt werden, wobei Prozesstemperaturen im Bereich von mehreren hundert Grad Celsius sowie Prozessdrücke im Bereich mehrerer hundert bar gefahren werden können. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren auch mit einem ORC-Medium verwirklicht werden. Insbesondere kann das verwendete ORC-Medium an die zur Verfügung stehenden Temperaturen der jeweiligen Heiz- bzw. Kühlmittelströme angepasst werden. Beim Betrieb der Wärmekraftmaschine mit einem ORC-Medium besteht gegenüber einem herkömmlichen ORC-Prozess insbesondere der Vorteil, dass das ORC-Medium nicht mit Druck eingespritzt werden muss. Bei einem typischen ORC-Prozeß mit ungefähr 25 kW Gesamtleistung muß nämlich ständig eine Pumpleistung von beispielsweise 2,5 kW erbracht werden. Somit gehen 10% der Leistung verloren. Dagegen kann mit der oben beschriebenen Wärmekraftmaschine das Medium von der kalten Seite eines Volumens zur heißen Seite eines Volumens bzw. umgekehrt verschoben werden, ohne dass gegen einen Druck Arbeit verrichtet werden muss. Dadurch kann ein höherer Wirkungsgrad als in herkömmlichen ORC- Anlagen erzielt werden, da in diesen ständig die Einspritzpumpe betrieben werden muß wohingegen bei der Wärmekraftmaschine gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung nur der Verdrängerkolben drucklos verschoben werden braucht.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein System eine erste oben beschriebene Wärmekraftmaschine bzw. Vorrichtung und zumindest eine zweite oben beschriebene Wärmekraftmaschine bzw. Vorrichtung, wobei der Heizmittelanschluß der zweiten Vorrichtung mit einem Heizmittelauslass der ersten Vorrichtung verbunden ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist dabei die erste Vorrichtung für einen Hochtemperaturprozess eingerichtet. Typischerweise kann die erste Vorrichtung dabei für Heizmitteleingangstemperaturen im Bereich von ungefähr 400⁰C bis ungefähr 900°C eingerichtet sein. Gemäß einer Weiterbildung kann die erste Vorrichtung für Heizmittelausgangstemperaturen im Bereich von ungefähr 200°C bis ungefähr 400°C eingerichtet sein. Auf diese Weise können hohe Temperaturdifferenzen ΔT in der Vorrichtung genutzt werden. Insbesondere kann dabei die erste Vorrichtung mit einem Gas betrieben werden, wobei das Gas beispielsweise Helium oder Stickstoff ist. Gemäß noch einer Ausführungsform kann die zweite Vorrichtung für einen Prozess eingerichtet sein, der im Vergleich zur ersten Vorrichtung eine niedrigere Prozesstemperatur aufweist. Es kann selbstverständlich auch gleich die erste Vorrichtung anstatt für einen Hochtemperaturprozess für einen solchen Prozess mittlerer Temperatur eingerichtet sein. Dabei kann die zweite Vorrichtung bzw. die erste Vorrichtung für Heizmitteleingangstemperaturen im Bereich von ungefähr 200°C bis ungefähr 350°C eingerichtet sein. Gemäß einer Weiterbildung kann die zweite Vorrichtung bzw. die erste Vorrichtung für Heizmittelausgangstemperaturen im Bereich von ungefähr 100⁰C bis ungefähr 200°C eingerichtet ist. Die dabei erzielbaren Temperaturdifferenzen ΔT können beispielsweise effizient durch den Betrieb der Vorrichtung mit einem ORC -Medium genutzt werden. Dabei ist die zweite Vorrichtung bzw. die erste Vorrichtung typischerweise so ausgelegt, dass eine Phasenumwandlung bei dem ORC-Medium herbeigeführt wird. Anstatt eines ORC-Mediums können auch andere Arbeitsmedien, wie etwa Wasser, verwendet werden.

Gemäß noch einer Weiterbildung umfaßt das System weiterhin eine dritte Vorrichtung bzw. eine zweite Vorrichtung, wobei der Heizmittelanschluß der dritten Vorrichtung bzw. der zweiten Vorrichtung mit einem HeizmittelausJass der zweiten Vorrichtung bzw. der ersten Vorrichtung verbunden ist und die dritte Vorrichtung bzw. die zweite Vorrichtung für einen Prozess eingerichtet ist, der im Vergleich zur zweiten Vorrichtung bzw. zur ersten Vorrichtung eine niedrigere Prozesstemperatur aufweist. Dabei kann die dritte Vorrichtung bzw. die zweite Vorrichtung für Heizmitteleingangstemperaturen im Bereich von ungefähr 80°C bis ungefähr 200⁰C eingerichtet sein. Weiterhin kann die dritte Vorrichtung bzw. die zweite Vorrichtung für Heizmittelausgangstemperaturen im Bereich von ungefähr 2O⁰C bis ungefähr 100⁰C eingerichtet sein. Für den Betrieb der dritten Vorrichtung bzw. der zweiten Vorrichtung kann in diesem Temperaturbereich insbesondere ein Niedertemperatur-ORC- Medium verwendet werden. In diesem Fall ist die dritte Vorrichtung bzw. die zweite Vorrichtung typischerweise ausgelegt, eine Phasenumwandlung bei dem Niedertemperatur- ORC-Medium herbeizuführen.

Die oben beschriebenen kaskadierten Systeme nutzen zwei, drei oder noch mehr Stufen, wobei jeweils die Abwärme, die noch in dem aus einer Stufe austretenden abgekühlten Heizmittel enthalten ist, in der nächsten Stufe genutzt wird. Dabei sind die verschiedenen Stufen so aufeinander abgestimmt, daß die jeweils nachfolgende Stufe von ihrem Prozess her auf die Temperatur des aus der vorhergehenden Stufe austretenden Heizmittels angepaßt ist. Insbesondere werden dabei die Arbeitsmedien aufeinander abgestimmt. Jedoch können selbstverständlich auch die Mengen, Volumina, Geometrien und/oder die Bauweisen der jeweiligen Stufen auf die jeweiligen Prozesstemperaturen einer Stufe angepaßt sein. Insbesondere können sich also die Bauformen und Arbeitsmedien zwischen verschiedenen Stufen unterscheiden.

Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann bei einem kaskadierten System eine jeweilige Vorrichtung einen Motor als Maschine aufweisen, wobei die jeweiligen Motoren so eingerichtet sind, dass sie dieselbe Welle antreiben können. Auf diese Weise tragen alle Motoren zum Antrieb bei. Alternativ können auch die jeweiligen Vorrichtungen mit derselben Maschine verbunden sein. In dieser Bauweise ist es also nicht erforderlich, mehrere Maschinen bereitzustellen sondern es muss lediglich eine Fluidverbindung einer jeweiligen Vorrichtung mit der Maschine bereitgestellt werden. In beiden vorgenannten Ausfuhrungsformen kann das System eingerichtet sein, dass die erste und die zweite Vorrichtung und gegebenenfalls die dritte Vorrichtung zueinander phasenverschoben betrieben werden können. Auf diese Weise können sich die erste und die zweite Vorrichtung und gegebenenfalls die dritte Vorrichtung zu einem gegebenen Zeitpunkt in jeweils verschiedenen Takten des Prozesses befinden. Es kann also bei geschicktem Versatz der Takte der jeweiligen Vorrichtungen zueinander ständig Druck an die Maschine abgegeben werden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das System eine erste oben beschriebene Vorrichtung und zumindest eine zweite oben beschriebene Vorrichtung aufweisen, wobei der Heizmittelanschluß der ersten Vorrichtung und der Heizmittelanschluß der zweiten Vorrichtung mit derselben Heizmittelleitung verbunden sind. Weiterhin ist das System eingerichtet, dass die erste und die zweite Vorrichtung zueinander phasenverschoben betrieben werden können, so dass sich die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung in verschiedenen Takten befinden. Gemäß einer Weiterbildung können dabei jeweils die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung einen Motor als Maschine aufweist und wobei die jeweiligen Motoren so eingerichtet sind, dass sie dieselbe Welle antreiben. Es können jedoch auch die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung mit derselben Maschine verbunden sein. In einem solchen System laufen beide Vorrichtungen nebeneinander auf derselben Stufe, d.h. das Heizmittel weist dieselbe Eingangstemperatur in beiden Vorrichtungen auf. Nicht notwendig jedoch typisch ist, dass in diesem Fall in beiden Vorrichtungen derselbe Prozess gefahren wird. Weiterhin können selbstverständlich auch drei oder mehr solcher Vorrichtungen parallel geschaltet bzw. betrieben werden. Darüber hinaus kann selbstverständlich auch jedes der vorherbeschrieben kaskadierten Systeme auf jeder Stufe mehrere parallel geschaltete Vorrichtungen aufweisen. Dabei kann die Zahl der parallel geschalteten Vorrichtungen von Stufe zu Stufe des kaskadierten Systems gleich oder verschieden sein.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Anlage bereitgestellt, die eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einen Motor, und eine oben beschriebene Vorrichtung oder ein oben beschriebenes System umfaßt. In der Anlage ist der Heizmittelanschluss der Vorrichtung mit einem Abgasauslass der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. Alternativ kann die Vorrichtung mit einem Heizmittel, z.B. einem Thermoöl, betrieben werden, wobei dann mittels eines Wärmetauschers dem Abgas Wärme entzogen und auf das Heizmittel übertragen wird. Gemäß einer Weiterbildung kann weiterhin ein mit der Fluidleitung verbundener Wärmetauscher bereitgestellt sein. Dieser Wärmetauscher kann mit einer Kühlmittelleitung für erwärmtes Kühlmittel der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere von Kühlwasser, verbunden sein. Auf diese Weise kann das Motorkühlwasser zur Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums genutzt werden.

Beispielsweise kann es sich bei dem Motor um einen Dieselmotor eines Blockheizkraftwerks handeln. Der Dieselmotor treibt einen elektrischen Generator an und erzeugt so Strom. Das vom Dieselmotor ausgestoßene Abgas wird als Heizmittel einem kaskadierten System zugeführt, wo es mit ca. 450°C in die erste Stufe eintritt. Dort wird dem Motorabgas Wärme zum Betreiben der Vorrichtung(en) der ersten Stufe entzogen, so dass das Abgas mit ca. 250°C die erste Stufe des Systems verläßt. Beispielsweise kann in der ersten Stufe des Systems ein reiner Gasprozess mit Helium oder Stickstoff als Arbeitsmedium gefahren werden. Das Abgas tritt nun in eine zweite Stufe des Systems mit ungefähr 250⁰C ein. Dort wird dem bereits in der ersten Stufe abgekühlten Motorabgas weitere Wärme zum Betreiben der Vorrichtung(en) der zweiten Stufe entzogen, so das das Abgas mit ca. 12O⁰C die zweite Stufe des Systems verläßt. In der zweiten Stufe kann beispielsweise ein Hochtemperatur- ORC-Prozess gefahren werden. Hierbei kommen als Arbeitsmedium Hochtemperatur-ORC- Medien in Betracht, die bei den Prozesstemperaturen im Bereich von 200°C noch chemisch stabil sind. Dem Hochtemperatur-ORC-Prozess kann sich nun eine dritte Stufe anschließen, in dem ein Niedertemperatur-ORC-Prozess gefahren wird. Das in der ersten und der zweiten Stufe abgekühlte Abgas tritt nun mit ca. 12O⁰C in die dritte Stufe ein, wo ihm Wärme entzogen wird und es mit ca. 7O⁰C die dritte Stufe verläßt. Dieser Niedertemperatur-ORC- Prozess kann mit einem Niedertemperatur-ORC-Medium, das beispielsweise schon bei ungefähr 2O⁰C bis 5O⁰C verdampft, betrieben werden. Gemäß einer Weiterbildung kann in dieser dritten Stufe ein Wärmetauscher bereitgestellt sein, der vom ungefähr 9O⁰C heißen Motorkühlwasser durchströmt wird. Mittels dieses Wärmetauschers kann das abgekühlte Arbeitsmedium schon vorerhitzt bzw. zwischenerhitzt werden. Auf diese Weise kann auch noch ein Teil der im Kühlwasser enthaltenen Abwärme zurückgewonnen werden. Weiterhin können in allen oder in einzelnen Stufen auch Regeneratoren verwendet werden, die Wärme speichern und zur Vorerwärmung des abgekühlten Arbeitsmediums dienen.

Gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel umfaßt ein Verfahren zur Abwärmenutzung die Schritte des Bereitstellens einer oben beschriebenen Vorrichtung, das jeweils abwechselnde Erwärmen bzw. Abkühlen des Arbeitsmediums in dem ersten und in dem zweiten Volumen, so daß das Arbeitsmedium in dem ersten Volumen und das Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen einen Druckunterschied aufweisen, das Verbinden des ersten Volumens und des zweiten Volumens über die Fluidleitung und das Betreiben einer mit der Fluidleitung verbundenen Maschine mit dem Druckunterschied. Dabei kann gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel ein zum Erwärmen des Arbeitsmediums verwendetes Heizmittel eine Eingangstemperatur im Bereich von ungefähr 400⁰C bis ungefähr 900⁰C aufweisen. Weiterhin kann das Heizmittel nach dem Erwärmen des Arbeitsmediums eine Temperatur im Bereich von ungefähr 200⁰C bis ungefähr 400⁰C aufweisen. Beispielsweise kann bei einem solchen Prozess das Arbeitsmedium ein Gas oder Gasgemisch, insbesondere Helium und/oder Stickstoff, sein. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein zum Erwärmen des Arbeitsmediums verwendetes Heizmittel eine Eingangstemperatur im Bereich von ungefähr 200⁰C bis ungefähr 350⁰C aufweisen. Weiterhin kann das Heizmittel nach dem Erwärmen des Arbeitsmediums eine Temperatur im Bereich von 100⁰C bis 200⁰C aufweisen. Bei einem solchen Prozess kann das Arbeitsmedium beispielsweise ein ORC-Medium oder ein Dampf sein, wobei typischerweise beim Erwärmen bzw. beim Abkühlen des Arbeitsmediums ein Phasenübergang des Arbeitsmediums herbeigeführt wird. Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein zum Erwärmen des Arbeitsmediums verwendetes Heizmittel eine Eingangstemperatur im Bereich von ungefähr 8O⁰C bis ungefähr 200⁰C aufweisen. Weiterhin kann das Heizmittel nach dem Erwärmen des Arbeitsmediums eine Temperatur im Bereich von ungefähr 2O⁰C bis ungefähr 100⁰C aufweisen. Insbesondere kann bei einem solchen Prozess das Arbeitsmedium ein Niedertemperatur-ORC-Medium sein, wobei beim Erwärmen bzw. beim Abkühlen des Arbeitsmediums ein Phasenübergang des Arbeitsmediums herbeigeführt wird. Bei all diesen Prozessen kann abgekühltes Arbeitsmedium in einem Regenerator vorerwärmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann abgekühltes Arbeitsmedium in einem Wärmetauscher vorerwärmt werden. Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform können bei einem solchen Verfahren mehrere Vorrichtungen zur Druckerzeugung mit zueinander verschobenem Takt betrieben werden.

Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel umfaßt eine Wärmekraftmaschine eine erste Einheit mit einem ersten Kühler Kl und einem ersten Verdampfer Bl, B2, die über eine erste Fluidleitung Fl miteinander verbunden sind, wobei der erste Kühler Kl oberhalb des ersten Verdampfers Bl, B2 angeordnet ist und die erste Fluidleitung Fl mittels eines ersten Ventils Vl absperrbar ist, eine zweite Einheit mit einem zweiten Kühler K2 und einem zweiten Verdampfer B3, B4, die über eine vierte Fluidleitung F4 miteinander verbunden sind, wobei der zweite Kühler K2 oberhalb des zweite Verdampfers B3, B4 angeordnet ist und die vierte Fluidleitung F4 mittels eines zweiten Ventils V2 absperrbar ist, und eine mit einem unter Druck stehenden Fluid betreibbaren Maschine M, wobei die Maschine über eine zweite Fluidleitung F2 mit dem ersten Verdampfer Bl und über eine dritte Fluidleitung F3 mit dem ersten Kühler Kl und über eine fünfte Fluidleitung F5 mit dem zweiten Verdampfer B3 und über eine sechste Fluidleitung F6 mit dem zweiten Kühler K2 verbunden ist.

Ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmekraftmaschine umfaßt gemäß eines Ausführungsbeispiels das Erhitzen einer Flüssigkeit in einem Verdampfer, so daß die Flüssigkeit verdampft, das Betreiben einer Maschine mit der verdampften Flüssigkeit, das Kondensieren der verdampften Flüssigkeit in einem Kühler, und das Zurückleiten der kondensierten Flüssigkeit in den Verdampfer, wobei der Kühler oberhalb des Verdampfers angeordnet ist, so daß die kondensierte Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft in den Verdampfer zurückströmt.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfaßt ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmekraftmaschine das Erhitzen einer Flüssigkeit in einem ersten Verdampfer und in einem zweiten Verdampfer, so daß die Flüssigkeit verdampft, das Betreiben einer Maschine mit der verdampften Flüssigkeit, das Kondensieren der verdampften Flüssigkeit in einem ersten Kühler und in einem zweiten Kühler, und das Zurückleiten der kondensierten Flüssigkeit in den ersten Verdampfer und in den zweiten Verdampfer, wobei der erste Kühler oberhalb des ersten Verdampfers und der zweite Kühler oberhalb des zweiten Verdampfers angeordnet ist, so daß die kondensierte Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft in den ersten Verdampfer und in den zweiten Verdampfer zurückströmt. Dabei können insbesondere der erste Verdampfer und der zweite Verdampfer zueinander versetzt getaktet sein, so daß die Maschine abwechselnd mit verdampfter Flüssigkeit aus dem ersten Verdampfer und aus dem zweiten Verdampfer betrieben wird. Die verdampfte Flüssigkeit kann aus dem ersten Verdampfer in den ersten Kühler und die verdampfte Flüssigkeit aus dem zweiten Verdampfer in den zweiten Kühler geleitet werden. Alternativ kann die verdampfte Flüssigkeit aus dem ersten Verdampfer in den zweiten Kühler und die verdampfte Flüssigkeit aus dem zweiten Verdampfer in den ersten Kühler geleitet werden.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Wärmekraftmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines ersten oder zweiten Volumens bei einer Wärmekraftmaschine.

Fig. 3 eine Querschnittsansicht der in Fig. 2 gezeigten Anordnung entlang der Linie A-A.

Fig. 4 eine Querschnittsansicht der in Fig. 2 gezeigten Anordnung entlang der Linie B-B.

Fig. 5 eine Querschnittsansicht der in Fig. 2 gezeigten Anordnung entlang der Linie C-C.

Fig. 6 eine Wärmekraftmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in einem ersten Zustand.

Fig. 7 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 6 in einem zweiten Zustand.

Fig. 8 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 6 in einem dritten Zustand.

Fig. 9 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 6 in einem vierten Zustand.

Fig. 10 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 6 in einem fünften Zustand.

Fig. 11 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 6 in einem sechsten Zustand.

Fig. 12 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 6 in einem siebten Zustand. Fig. 13 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 6 in einem achten Zustand.

Fig. 14 eine weitere Ausführungsform der Wärmekraftmaschine.

Fig. 15 eine Querschnittsansicht noch einer weiteren Ausfuhrungsform eines Volumens.

Fig.16 einen Querschnitt durch das Volumen gemäß Fig. 15 entlang der Linie A-A.

Fig. 17 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines ersten oder zweiten Volumens bei einer Wärmekraftmaschine.

Fig. 18 eine Wärmekraftmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in einem ersten Zustand.

Fig. 19 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 18 in einem zweiten Zustand.

Fig. 20 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 18 in einem dritten Zustand.

Fig. 21 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 18 in einem vierten Zustand.

Fig. 22 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 18 in einem fünften Zustand.

Fig. 23 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 18 in einem sechsten Zustand.

Fig. 24 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 18 in einem siebten Zustand.

Fig. 25 die Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 18 in einem achten Zustand.

Fig. 26 eine weitere Ausführungsform der Wärmekraftmaschine.

Fig. 27 eine Querschnittsansicht noch einer weiteren Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine.

Fig.28 einen Querschnitt durch das Volumen gemäß Fig. 12 entlang der Linie A-A.

Fig. 29 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 30 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 31 eine schematische Darstellung eines anderen Systems gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 32 eine schematische Darstellung noch eines Systems gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 33 eine schematische Darstellung noch eines weiteren Systems gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 34 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem anderen Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 35 eine Anlage mit einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 36 eine Querschnittsansicht eines elektrischen Generators, wie er in einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.

Fig. 37 eine Querschnittsansicht eines Rotationskolbenmotors, wie er in einem anderen Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.

Fig. 38 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit zwei hintereinandergeschalteten Motoren.

Fig. 39 eine schematische Darstellung einer Wärmekraftmaschine gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmekraftmaschine 1000 gemäß einer ersten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung. Die Wärmekraftmaschine 1000 umfasst dabei ein erstes Volumen 100 und ein zweites Volumen 200. In dem ersten Volumen 100 und in dem zweiten Volumen 200 ist jeweils ein Arbeitsmedium 10 enthalten. Bei dem Arbeitsmedium 10 handelt es sich um ein Fluid, beispielsweise ein Gas, einen Dampf wie etwa Wasserdampf oder ein ORC-Medium. Beispielsweise kann Helium, Stickstoff oder Luft oder auch beliebige geeignete Gasgemische als gasförmiges Arbeitsmedium verwendet werden. Als ORC-Medien können sowohl Hochtemperatur- als auch Niedertemperatur-ORC- Medien verwendet werden. Das erste Volumen 100 und das zweite Volumen 200 sind über eine Fluidleitung 400 miteinander verbunden. Zwischen dem ersten Volumen 100 und dem zweiten Volumen 200 ist eine mit dem Arbeitsmedium 10 betreibbare Maschine 300 angeordnet. Weiterhin ist angezeigt, dass dem ersten Volumen 100 eine Wärmemenge Q zugeführt und dem zweiten Volumen 200 eine Wärmemenge Q entnommen werden kann (Pfeile in Fig. 1). Weiterhin ist durch die gestrichelten Pfeile in Fig. 1 angedeutet, dass umgekehrt dem ersten Volumen 100 eine Wärmemenge Q entzogen und dem zweiten Volumen 200 eine Wärmemenge Q zugeführt werden kann. Darüber hinaus kann von der Maschine 300 mechanische Arbeit W verrichtet werden.

Das Arbeitsprinzip der Wärmekraftmaschine 1000 wird im Folgenden erläutert. So werden das erste Volumen 100 und das zweite Volumen 200 zunächst in einem voneinander getrennten Zustand gehalten. Das in dem ersten Volumen 100 befindliche Arbeitsmedium 10 wird durch Zuführen einer Wärmemenge Q erhitzt. Dadurch steigt der Druck in dem ersten Volumen 100 an. Gleichzeitig wird das in dem zweiten Volumen 200 befindliche Arbeitsmedium 10 durch Abfuhren einer Wärmemenge Q abgekühlt. Dadurch sinkt der Druck in zweiten Volumen 200. Wenn ein gewünschter Druckunterschied zwischen dem ersten Volumen 100 und dem zweiten Volumen 200 hergestellt ist, werden die beiden Volumina über die Fluidleitung 400 miteinander verbunden und so ein Druckausgleich zwischen dem ersten Volumen 100 und dem zweiten Volumen 200 erlaubt. Das Arbeitsmedium 10 im ersten Volumen 100 wird aufgrund seines höheren Drucks über die Fluidleitung 400 in das zweite Volumen 200 einströmen. Das strömende Arbeitsmedium 10 verrichtet dabei an der Maschine 300 mechanische Arbeit. Die Maschine 300 kann dabei als eine mit Druck betreibbare Maschine und/oder als eine Strömungsmaschine, z.B. eine Turbine, ausgebildet sein. In einem nächsten Arbeitstakt der Wärmekraftmaschine wird nun dem zweiten Volumen 200 Wärme zugeführt, wie durch den gestrichelten Pfeil angedeutet ist. Umgekehrt wird nun das im ersten Volumen 100 vorhandene Arbeitsmedium 10 durch Entzug einer Wärmemenge Q abgekühlt. Am Ende dieses Arbeitstaktes liegt dann das erwärmte Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen 200 unter hohem Druck vor, während das Arbeitsmedium 10 in dem ersten Volumen 100 unter niedrigerem Druck vorliegt. Nun kann wiederum ein Druckausgleich zwischen dem zweiten Volumen 200 und dem ersten Volumen 100 über die Fluidleitung 400 erfolgen. Dabei strömt das erwärmte unter Druck stehende Arbeitsmedium von dem zweiten Volumen 200 in das erste Volumen 100, wobei es an der Maschine 300 mechanische Arbeit W verrichtet. In diesem Zusammenhang wird ergänzend daraufhingewiesen, dass der Druckerzeuger auch so betrieben werden kann, dass beim Abkühlen und Erhitzen des Arbeitsmediums jeweils ein Phasenübergang auftritt. Beispielsweise kann dabei ein ORC-Medium oder Wasser verwendet werden. Beispielsweise wird das in Gas- oder Dampfphase vorliegende ORC-Medium beim Abkühlen verflüssigt. Dadurch tritt eine dramatische Volumenverminderung des Arbeitsmediums ein, so dass praktisch in dem abgekühlten Volumen ein Unterdruck erzeugt wird. Das aus dem heißen Volumen nachströmende Arbeitsmedium kondensiert bei Eintritt in den kalten Bereich, so dass im wesentlichen kein Druckausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen hergestellt wird. Umgekehrt wird das flüssige Arbeitsmedium beim Erwärmen verdampft, wodurch sich das Volumen vervielfacht bzw. der Druck erheblich erhöht.

Anhand der Fign. 2 bis 5 wird nun eine mögliche Umsetzung eines abwechselnd zu erwärmenden und abzukühlenden Volumens 100 gezeigt. Dabei zeigt Fig. 2 eine Draufsicht auf das erste Volumen 100, Fig. 3 eine Querschnittsansicht durch das erste Volumen 100 entlang der Line A-A in Fig. 2, die Fig. 4 eine Querschnittsansicht des ersten Volumens 100 entlang der Linie B-B in Fig. 2 und die Fig. 5 eine Querschnittsansicht durch das erste Volumen 100 entlang der Line C-C in Fig. 2.

Gemäß Fig. 2 weist das erste Volumen 100 einen kalten Bereich 110 und einen heißen Bereich 120 auf. In dem kalten Bereich 110 sind Kühlmittelrohre 112 angeordnet, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse des ersten Volumens 100 verlaufen. Die Kühlmittelrohre 112 sind über einen Kühlmittelzufluss 114 mit einer Kühlmittelleitung (nicht gezeigt) verbunden. Über die Kühlmittelleitung und den Kühlmittelzufluss 114 kann Kühlmittel 20 in die Kühlmittelrohre 112 eingeleitet werden. Zwischen den Kühlmittelrohren 112 ist eine Kammer 140 für das Arbeitsmedium 10 angeordnet. Die Kammer 140 verfügt über einen Anschluss 142, über den Arbeitsmedium 10 in die Kammer 140 eingelassen oder ausgelassen werden kann.

In dem heißen Bereich 120 sind Heizmittelrohre 122 angeordnet, die ebenso wie die Kühhnittelrohre 112 im Wesentlichen parallel zur Längsachse des ersten Volumens 100 verlaufen. Insbesondere sind gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform die Heizmittelrohre 122 und die Kühlmittelrohre 112 zueinander ausgerichtet. Insbesondere können die Kühlmittelröhren 112 und die Heizmittelröhren 122 identische Durchmesser und Längen aufweisen und zueinander hinsichtlich ihrer Achsen kollinear ausgerichtet sein. Die Kühlmittelröhren 112 und die Heizmittelröhren 122 sind voneinander durch eine thermische Isolation 130 thermisch isoliert. Die thermische Isolation 130 ist dabei zwischen den jeweiligen sich gegenüberliegenden Enden der Kühlmittelröhren 112 und der Heizmittelröhren 122 angeordnet. Die Heizmittelröhren verfugen über einen Heizmittelzufluss 124, über den ein Heizmittel 30 in die Heizmittelröhren 122 eingelassen werden kann. Weiterhin ist zwischen den Heizmittelröhren 122 eine Kammer 150 gebildet, die über einen Anschluss 152 verfugt. Über den Anschluss 152 kann Arbeitsmedium in die Kammer 150 eingelassen werden. Bei dem dargestellten Volumen 100 bilden der Bereich 140 zwischen den Kühlmittelrohren und der Bereich 150 zwischen den Heizmittelrohren eine einzige durchgehende Kammer.

In dieser Kammer ist ein Verdrängerkolben 160 angeordnet. Der Verdrängerkolben 160 kann zwischen dem kalten Bereich 110 und dem heißen Bereich 120 verfahren werden. Dabei kann der Verdrängerkolben extern angetrieben werden, beispielsweise durch einen elektrischen Antrieb, einen pneumatischen oder einen hydraulischen Antrieb. Der Verdrängerkolben ist aus einem thermisch isolierenden Material gefertigt, beispielsweise einem Kunststoff und/oder einem Holz. Insbesondere kann der Verdrängerkolben 160 aus Teflon^® sein oder eine Teflon^® beschichtete Oberfläche aufweisen. Die Materialeigenschaften von Teflon^® sind für die vorliegende Anwendung insofern günstig, als Teflon^® eine Hitzebeständigkeit sowie hervorragende Gleiteigenschaften aufweist. Gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Verdrängerkolben 160 in seiner Längserstreckung so bemessen, dass er in einer jeweilige Endlage bis in den Bereich der thermischen Isolierung 130 hineinreicht. Da der Verdrängerkolben 160 thermisch isolierend ist, wird auf diese Weise ein Wärmetransport vom heißen Bereich 120 in den kalten Bereich 110 des Volumens 100 unterdrückt. Weiterhin ist die räumliche Struktur des Verdrängerkolbens 160 so ausgebildet, dass er das gesamte Volumen der jeweiligen Kammer 140 im kalten Bereich bzw. der Kammer 150 im heißen Bereich vollständig ausfüllt. Insbesondere kann der Verdrängerkolben 160 dabei eine kammartige Struktur aufweisen, die zwischen den Kühlmittelrohren 112 bzw. den Heizmittelrohren 122 verläuft. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Endlagendämpfung (nicht gezeigt) für den Verdrängerkolben 160 vorgesehen, sodass der Verdrängerkolben beim Verschieben sanft in die jeweilige Endlage gleitet.

In der in Fig. 3 gezeigten Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-A ist erkennbar, dass der Verdrängerkolben 160 in seiner gezeigten Endlage dafür sorgt, dass das Arbeitsmedium 10 im wesentlichen vollständig aus dem heißen Bereich 120 verdrängt wurde. Lediglich im Anschlußbereich 150 des heißen Bereichs 120 ist noch ein kleiner Rest des Arbeitsmediums enthalten. Hingegen steht die Kammer 140 im kalten Bereich 110 dem Arbeitsmedium 10 vollständig zum Abkühlen zur Verfügung. Würde nun der Verdrängerkolben 160 in seine Endlage im kalten Bereich 110 verfahren, so würde er das Arbeitsmedium aus dem kalten Bereich 110 herausdrängen. Gleichzeitig könnte im heißen Bereich 120 dann Arbeitsmedium in das vom Verdrängerkolben 160 freigegebene Volumen einströmen. Auf diese Weise kann durch Verschieben des Verdrängerkolbens 160 bewirkt werden, dass in dem Volumen 100 nur jeweils der kalte Bereich 110 oder der heiße Bereich 120 für das Arbeitsmedium zugänglich ist.

Die in Fig. 4 gezeigte Schnittansicht entlang der Schnittlinie B-B zeigt deutlich die kammartige Struktur des Verdrängerkolbens 160. Dabei ist durch die Seitenwände 102 und den Deckel 104 des Volumens 100 ein Zwischenraum zwischen den Heizmittelrohren 122 geschaffen. Die geometrische Form des Verdrängerkolbens 160 ist so gewählt, dass er diesen Zwischenraum vollständig ausfüllt. Dazu weist er eine im Wesentlichen kammartige Struktur auf. Die Wanddicke der Seitenwände 102 bzw. des Deckels 104 kann dabei an die Prozessdrücke angepaßt werden.

Der in Fig. 5 gezeigte Querschnitt entlang der Schnittlinie C-C zeigt das ebenfalls kammartige Kammervolumen 140, wie es zwischen den Seitenwände 102 und dem Deckel 104 des Volumens 110 gebildet ist. Das darin befindliche Arbeitsmedium 10 kann dabei einen intensiven Wärmeaustausch mit dem im Kühlmittelrohr 112 befindlichen Kühlmittel 10 treten. Insbesondere wird durch die kammartige Struktur der Kühlmittelrohre bzw. Heizmittelrohre eine große Oberfläche für den Wärmeaustausch bereitgestellt.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Wärmekraftmaschine, deren detaillierte Funktionsweise dann in den Fig. 7 bis Fig. 13 erläutert werden wird. Die Wärmekraftmaschine umfasst dabei ein erstes Volumen 100 sowie eine zweites Volumen 200. Das erste Volumen 100 und das zweite Volumen 200 sind gemäß dem in den Fign. 2 bis 5 beschriebenen Ausführungsformen aufgebaut. Weiterhin sind in diesem Ausführungsbeispiel das erste Volumen 100 und das zweite Volumen 200 identisch aufgebaut, was jedoch nicht zwingend notwendig zur Ausführung der vorliegenden Erfindung ist. Dem kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 und dem kalten Bereich 210 des zweiten Volumens 200 kann über Kühlmittelzuflüsse 114, 214 Kühlmittel 20 zugeführt werden. Dabei können beispielsweise der kalte Bereich 110 des ersten Volumens 100 und der kalte Bereich 210 des zweiten Volumens 200 über eine gemeinsame Kühlmittelleitung 116 versorgt werden. In der Kühlmittelleitung 116 ist eine Weiche 170 eingebaut, die den Kühlmittelstrom wahlweise in das erste Volumen 100 oder das zweite Volumen 200 leiten kann. Weiterhin verfügt das erste Volumen 100 über einen Kühlmittelabfluss 118 und das zweite Volumen 200 über einen Kühlmittelabfluss 218. Beispielsweise können der Kühlmittelabfluss 118 und der Kühlmittelabfluss 218 in eine gemeinsame Kühhnittelleitung einmünden. Über die dargestellte Anordnung kann das Kühlmittel wahlweise an den kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 oder den kalten Bereich 210 des zweiten Volumens 200 bereitgestellt werden. Gleichermaßen kann in dem heißen Bereich 120 des ersten Volumens 100 und dem heißen Bereich 220 des zweiten Volumens 200 ein Heizmittel 30 über eine Heizmittelleitung 126 bereitgestellt werden. Dabei ist in die Heizmittelleitung 126 eine Weiche 180 eingefügt, die das Heizmittel wahlweise über den Anschluss 124 in die Heizmittelrohre 122 des ersten Volumens 100 oder über den Anschluss 224 in die Heizmittelrohre 222 des zweiten Volumens 200 einleiten kann. Ebenfalls sind Heizmittelabflüsse 128 aus dem ersten Volumen und 228 aus dem zweiten Volumen bereitgestellt, wobei die Heizmittelabflüsse 128 und 228 in eine gemeinsame Heizmittelableitung einmünden können.

Die bislang nur schematisch dargestellte Fluidleitung 400 ist in diesem Beispiel etwas genauer dargestellt, insbesondere ist eine mögliche Ventilanordnung gezeigt. Dabei sollte berücksichtigt werden, dass die in den Fig. 6 bis Fig. 13 gezeigte Anordnung lediglich die prinzipiellen fluidtechnischen Steuerungsmöglichkeiten aufzeigen soll, dies jedoch keinen detaillierten fluidtechnischen Schaltplan darstellt. Bei der praktischen Realisierung einer solchen Wärmekraftmaschine kann es daher selbstverständlich zu deutlichen Abweichungen der hier dargestellten Ventilanordnungen kommen. Der fluidtechnische Schaltungsaufbau des in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiels ist im Wesentlichen symmetrisch zwischen der oberen und der unteren Hälfte der Darstellung. Daher wird im Folgenden zunächst die fluidtechnische Verschattung des ersten Volumens 100 beschrieben. Dabei ist hinter den Anschluss 142 des kalten Bereichs 110 ein Ventil 410 geschaltet. Das Ventil 410 ist eingerichtet, um ein Emiassen oder ein Auslassen des Arbeitsmediums 10 aus bzw. in die Kammer 140 zu steuern. Der Anschluss 142 des kalten Bereichs 110 ist über das Ventil 410 und über ein Stellventil 420 und ein weiteres Ventil 430 mit einer Niederdruckseite 320 der Arbeitsmaschine 300 verbunden. Dabei weist das Stell ventil 420 vier Ein- bzw. Ausgänge auf, wobei es eingerichtet ist, zwischen jeweiligen Ein- bzw. Ausgängen eine Fluidverbindung herzustellen. Das weitere Ventil 430 kann dazu dienen, die Verbindung von der Niederdruckseite 320 der Maschine 300 zu dem Stellventil 420 zu sperren. Die Fluidleitung weist weiterhin eine Leitung auf, die vom Anschluss 152 des heißen Bereichs 120 des ersten Volumens 100 mit einer Hochdruckseite 310 der Arbeitsmaschine 300 verbindbar ist. Dabei kann die Verbindung über das Stellventil 420 und ein weiteres Sperrventil 440 hergestellt werden. Sind die Sperrventile 430 bzw. 440 auf Durchlass geschaltet, so kann über das Stellventil 420 eine Fluidverbindung zwischen dem Anschluss 142 des kalten Bereichs 110 und der Niederdruckseite 320 der Maschine 300 bzw. dem Anschluss 152 des heißen Bereichs 120 und der Hochdruckseite 310 der Maschine 300 hergestellt werden. Derselbe Aufbau findet sich nun auch für das zweite Volumen 200. Dabei ist der Anschluss des kalten Bereichs 220 mittels eines Ventils 415 absperrbar. Weiterhin ist über ein Stellventil 425 der kalte Bereich 210 über ein weiteres Sperrventil 435 mit der Niederdruckseite 320 der Maschine 300 verbindbar. Weiterhin ist ein Anschluss 252 des heißen Bereichs 220 über das Stellventil 425 und ein Sperrventil 445 mit der Hochdruckseite 310 der Arbeitsmaschine 300 verbindbar. Weiterhin erlauben die Ventile 410 bzw. 415 und die Stellventile 420 bzw. 425, dass eine Fluidverbindung zwischen den heißen Bereichen 120, 220 und den kalten Bereichen 110, 210 des ersten Volumens 100 bzw. des zweiten Volumens 200 hergestellt werden können. Weiterhin sind in die Fluidleitungen Regeneratoren 146, 246 geschaltet, deren Funktion später erläutert werden wird. Es soll jedoch daraufhingewiesen werden, dass die Regeneratoren 146, 246 auch in eine Gehäusewand des ersten Volumens 100 bzw. des zweiten Volumens 200 eingebaut sein können.

Im Folgenden wird nun die Arbeitsweise der in Fig. 6 dargestellten Wärmekraftmaschine beschrieben. Zunächst wird in dem ersten Volumen 100 das in der Kammer 140 des kalten Bereichs 110 befindliche Arbeitsmedium 10 abgekühlt. Dazu wird über die Fluidleitung 116, die Weiche 170 und den Anschluss 114 Kühlmittel 20 in die Kühlmittelrohre 112 des ersten Volumens eingeleitet. Das Ventil 410 sperrt die Kammer 140 ab und der Verdrängerkolben 160 ist im heißen Bereich 120 des ersten Volumens angeordnet. Somit ist nur ein geringer verbleibender Rest an Arbeitsmedium in dem vom Verdrängerkolben 160 nicht ausgefüllten Anschlussvolumen des heißen Bereichs vorhanden. Dieses Arbeitsmedium ist ebenfalls in dem Volumen eingesperrt, da das Ventil 420 bezüglich der am Anschluss des heißen Bereichs 120 anliegenden Leitung sperrend ist. Das in der Kammer 140 befindliche Arbeitsmedium gibt nun einen Teil seiner Wärme an das die Kühlrohre 112 durchströmende Kühlmittel ab. Aufgrund des gleich bleibenden Volumens der Kammer 140 und der gleich bleibenden Masse des Arbeitsmediums 10 in dieser Kammer 140 sinken Druck und Temperatur des Arbeitsmediums 10. Wird ein Prozess mit Phasenumwandlung des Arbeitsmediums gefahren, so werden die gegebenenfalls noch gasförmigen Anteile des Arbeitsmediums, etwa eines ORC-Mediums, verflüssigt. Gleichzeitig ist im zweiten Volumen 200 der Verdrängerkolben 260 in seiner Endlage im kalten Bereich 210 angeordnet. Hingegen befindet sich das Arbeitsmedium 10 in der Kammer 250 im heißen Bereich 220 des zweiten Volumens 200. Im heißen Bereich 220 wird über eine Heizmittelleitung 126, die Weiche 180 und den Heizmittelzufluss 224 ein Heizmittel 30 in den Heizmittelrohren 222 bereitgestellt. Das Arbeitsmedium 10 nimmt dann im heißen Bereich 220 Wärme aus dem Heizmittel 30 auf. Da dabei das Volumen der Kammer 250 unverändert bleibt, steigen Druck und Temperatur des Heizmediums 10 im heißen Bereich 220 an. Insbesondere kann hier bei einem Prozess mit Phasenumwandlung des Arbeitsmediums ein starker Druckanstieg erfolgen, wenn das flüssige Arbeitsmedium verdampft. Am Ende dieses ersten Schrittes liegen somit im kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 kaltes Arbeitsmedium unter relativ geringem Druck und im heißen Bereich 220 des zweiten Volumens 200 heißes Arbeitsmedium unter hohem Druck vor.

Fig. 7 zeigt nun einen nächsten Zustand der Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 6. Dabei ist das in Fig. 6 noch sperrende Ventil 445 leitend geschaltet worden, sodass zwischen dem Anschluss 252 des heißen Bereichs 220 eine Fluidverbindung mit der Hochdruckseite 310 der Arbeitsmaschine 300 hergestellt ist. Gleichermaßen ist das Ventil 410 leitend geschaltet, sodass zwischen der Niederdruckseite 320 der Maschine 300 über das Ventil 430 und das Stell ventil 420 eine Fluidverbindung mit dem Anschluss 142 des kalten Bereichs 110 des ersten Volumens 100 hergestellt ist. Mit anderen Worten ist somit eine Fluidverbindung zwischen dem heißen Bereich 220 des zweiten Volumens 200 und dem kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 hergestellt. Aufgrund des Druckunterschieds strömt nun das heiße Arbeitsmedium 10 aus dem heißen Bereich 220 in den kalten Bereich 110 ein. Dabei verrichtet das strömende Medium an der Maschine 300 mechanische Arbeit, die so entnommen werden kann.

Fig. 8 zeigt nun einen Zustand der Wärmekraftmaschine, der auf den in Fig. 7 gezeigten Zustand folgt. Dabei wird das Stellventil 420 so geschaltet, dass zwischen dem Anschluss 142 des kalten Bereichs 110 und dem Anschluss 152 des heißen Bereichs 120 eine Fluidverbindung hergestellt wird. Gleichermaßen wird das Stellventil 425 so geschaltet, dass zwischen dem heißen Bereich 220 und dem kalten Bereich 210 eine Fluidverbindung hergestellt wird. Es ist dabei zu beachten, dass auf diese Weise ebenfalls ein gegebenenfalls bestehender Druckunterschied zwischen dem heißen Bereich 120 und dem kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 bzw. dem heißen Bereich 220 und dem kalten Bereich 210 des zweiten Volumens 200 ausgeglichen wird, sodass die jeweiligen heißen und kalten Bereiche des ersten Volumens 100 bzw. des zweiten Volumens 200 dasselbe Druckniveau aufweisen.

Fig. 9 zeigt nun den nächsten Schritt beim Betrieb der Wärmekraftmaschine. Dabei wird im ersten Volumen 100 der Verdrängerkolben 160 von der heißen Seite 120 auf die kalten Seite 110 verfahren. Das zuvor im kalten Bereich 110 befindliche Arbeitsmedium wird dabei über die hergestellte Fluidverbindung in den heißen Bereich 120 des ersten Volumens verschoben. Da der kalte Bereich 110 und der heiße Bereich 120 keinen Druckunterschied aufweisen, muss der Verdrängerkolben 160 nicht gegen einen Druck arbeiten. Das Verfahren des Verdrängerkolbens 160 benötigt mithin nur einen geringen Energieaufwand zur Überwindung von Lager- und Reibungskräften. Umgekehrt wird nun im zweiten Volumen 200 der Verdrängerkolben 260 vom kalten Bereich 210 in den heißen Bereich 220 verfahren. Hier ist ebenfalls aufgrund des Druckausgleichs zwischen dem heißen Bereich 220 und dem kalten Bereich 210 keine Druckarbeit zu verrichten. Das Arbeitsmedium 10 wird dabei von dem heißen Bereich 220 in den kalten Bereich 210 verschoben.

Im nächsten Schritt, der in Fig. 10 gezeigt ist, wird nun die Fluidverbindung zwischen dem heißen Bereich 120 und dem kalten Bereich 110 bzw. zwischen dem kalten Bereich 210 und dem heißen Bereich 220 gesperrt, sodass die Arbeitsmedien jeweils in der Kammer 150 des heißen Bereichs 120 bzw. der Kammer 240 des kalten Bereichs 210 eingesperrt sind. Weiterhin wird nun die Weiche 170 umgeschaltet, sodass das Kühlmittel 20 über den Anschluss 214 in die Kühlmittelrohre 212 des kalten Bereichs 210 eingeleitet wird. Gleichermaßen wird die Weiche 180 umgeschaltet, sodass das Heizmittel 30 nun über den Anschluss 124 in die Heizmittelrohre 122 des heißen Bereichs 120 eingeleitet wird. In Umkehrung des in Fig. 6 gezeigten Vorgangs, wird nun das Arbeitsmedium im ersten Volumen erwärmt, nämlich im heißen Bereich 120, und im zweiten Volumen abgekühlt, nämlich im kalten Bereich 210. Am Ende dieses Vorgangs liegt somit im heißen Bereich 120 des ersten Volumens 100 heißes und unter hohem Druck stehendes Arbeitsmedium vor, während im kalten Bereich 210 des zweiten Volumens 200 kaltes und unter niedrigem Druck stehendes Arbeitsmedium vorliegt. In dem nun folgenden Schritt, der in Fig. 11 gezeigt ist, wird über die geeignete Schaltung der Ventile 420 und 440 der Anschluss 152 des heißen Bereichs 120 des ersten Volumens mit dem Hochdruckeingang 310 der Maschine 300 verbunden. Gleichzeitig wird über geeignete Stellung der Ventile 415, 425 und 435 der Anschluss 242 des kalten Bereichs 210 mit der Niederdruckseite 320 der Maschine verbunden. Aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem unter Hochdruck stehenden Arbeitsmedium im heißen Bereich 120 und dem unter Niederdruck stehenden Arbeitsmedium im kalten Bereich 210 strömt das Arbeitsmedium vom heißen Bereich 120 in den kalten Bereich 210 bis der Druckunterschied ausgeglichen ist. Dabei verrichtet das strömende Arbeitsmedium mechanische Arbeit an der Maschine 300, die dort entnommen werden kann.

In dem darauf folgenden in Fig. 12 gezeigten Schritt werden die Stellventile 420 und 425 analog zu Fig. 8 so gestellt, dass zwischen dem heißen Bereich 120 und dem kalten Bereich 110 des ersten Volumens bzw. dem kalten Bereich 210 und dem heißen Bereich 220 des zweiten Volumens eine Fluidverbindung und damit auch ein Druckausgleich hergestellt wird.

Im abschließenden Schritt des Verfahrens wird nun der Verdrängerkolben 160 wieder vom kalten Bereich 110 des ersten Volumens in den heißen Bereich 120 verschoben. Gleichermaßen wird im zweiten Volumen 200 der Verdrängerkolben 260 vom heißen Bereich 220 in den kalten Bereich 210 verschoben. Ebenfalls werden die Kühlmittelweiche 170 und die Heizmittelweiche 180 umgeschaltet, sodass Kühlmittel dem kalten Bereich 110 des ersten Volumens und Heizmittel dem heißen Bereich 220 des zweiten Volumens zugeführt werden. Das Arbeitsmedium 10 im kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 wird daher nun abgekühlt und das Arbeitsmedium im heißen Bereich 220 des zweiten Volumens erwärmt. Die Wärmekraftmaschine befindet sich nunmehr in dem in Fig. 6 gezeigten Ausgangszustand, sodass der Prozess erneut durchgeführt werden kann.

Im Folgenden wird nun die Wirkungsweise der Regeneratoren 146, 246 erläutert. Bei dem in Fig. 7 gezeigten ersten Schritt strömt heißes Arbeitsmedium vom heißen Bereich 220 in den kalten Bereich 110. Dabei strömt das heiße Arbeitsmedium über den Regenerator 146, der dabei Wärme aufnimmt und speichert. Wird nun bei dem in Fig. 9 gezeigten Schritt abgekühltes Arbeitsmedium vom kalten Bereich 110 in den heißen Bereich 120 verschoben, so wird das abgekühlte Arbeitsmedium über den Regenerator 146 geführt. Dabei nimmt das Arbeitsmedium bereits Wärme auf und wird so vorerwärmt, bevor es in den heißen Bereich 120 eintritt. Ist das Arbeitsmedium beispielsweise ein ORC-Medium , insbesondere ein Niedertemperatur-ORC-Medium, so kann schon im Regenerator 146 eine zumindest teilweise Verdampfung des ORC-Mediums erfolgen. Gleichfalls wird der Regenerator 146 wieder abgekühlt. Auf dieselbe Weise wird beim Strömen des heißen Arbeitsmediums vom heißen Bereich 120 des ersten Volumens 100 zum kalten Bereich 210 des zweiten Volumens 200 der Regenerator 240 durchströmt und nimmt dabei Wärme auf und speichert sie. Wird nun bei dem in Fig. 13 gezeigten Schritt das abgekühlte Arbeitsmedium vom kalten Bereich 210 in den heißen Bereich 220 verschoben, so nimmt es vom Regenerator 246 dort gespeicherte Wärme auf, kühlt diesen ab und erreicht den heißen Bereich 220 vorerwärmt. Durch den Einsatz der Regeneratoren 146, 246 kann der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine erhöht werden.

Fig. 14 zeigt ein weiters Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei sind weitere Wärmetauscher 148, 248 bereitgestellt. Diese Wärmetauscher 148, 248 sind von einem Heizmittel durchströmt, das typischerweise eine niedrigere Temperatur aufweist, als das Heizmittel in den heißen Bereichen 120, 220. Beispielsweise kann das Heizmittel im Wärmetauscher von Kühlwasser eines Motors durchströmt sein. Der bzw. die Wärmetauscher 148, 248 können dabei alternativ oder zusätzlich zu den Regeneratoren 146, 246 vorgesehen werden. In einem Ausführungsbeispiel sind sowohl Regeneratoren als auch Wärmetauscher vorgesehen. Dabei kann beispielsweise das im kalten Bereich 110 abgekühlte Arbeitsmedium beim Verschieben über den Regenerator 146 auf eine Temperatur von beispielsweise 6O⁰C gebracht werden. Das den zusätzlichen Wärmetauscher 148 durchströmende Heizmittel, z.B. Kühlwasser, weist ungefähr eine Temperatur im Bereich von 9O⁰C auf. Wird nun das auf 6O⁰C erwärmte Arbeitsmedium zusätzlich über den Wärmetauscher 148 geführt, so kann eine Vorerwärmung des Arbeitsmediums vor Eintritt in den heißen Bereich 120 auf ungefähr 8O⁰C erreicht werden. Auf diese Weise kann zum einen dem Kühlwasser weitere Wärme entzogen werden und auf der anderen Seite das Arbeitsmedium schon vorerwärmt werden. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad eines Gesamtprozesses deutlich gesteigert werden. Weiterhin wird daraufhingewiesen, dass die oben genannten Zahlenbeispiele nur exemplarisch zu verstehen sind und insbesondere keine Festlegung auf bestimmte Temperatur und/oder Druckbereiche und/oder Arbeitsmedien bedeuten. Ebenso wie bei der Zuleitung von Heiz- und Kühlmittel zu den heißen und kalten Bereichen kann auch hier eine Weiche (nicht gezeigt) bereitgestellt werden, die das zweite Heizmittel jeweils abwechselnd an einen der Wärmtauscher 148, 248 bereitstellt, wenn des dort gerade benötigt wird. Fig. 15 zeigt eine Querschnittsansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Volumens 100, das eine Zigarrenform aufweist. Darin umfassen die Wärmetauscher jeweils einer erste Gruppe 112 A, 122 A von Rohrleitungen und einer zweiten Gruppe 112B, 122B von Rohrleitungen umfassen. Die erste und die zweite Gruppe von Rohrleitungen sind jeweils über eine Fluidverbindung 144, 154 miteinander verbunden. Die Rohrleitungen sind innerhalb des Volumens 100 so angeordnet, dass sie in zueinander entgegen gesetzter Richtung von dem Heizmittel bzw. dem Kühlmittel durchströmt werden. Beispielsweise sind die erste Gruppe 112 A, 122 A von Rohrleitungen und die zweite Gruppe 112B, 122B von Rohrleitungen zusammen mit der Fluidverbindung 144, 154 im Wesentlichen U-förmig ausgebildet. An einem Ende der ersten Gruppe 112 A, 122 A der Rohrleitungen ist ein Kühlmittel- oder Heizmitteleinlass 114, 124 vorgesehen. An einem zweiten Ende der zweiten Gruppe 112B, 122B von Rohrleitungen ist ein Kühlmittel- oder Heizmittelauslass 118, 128 vorgesehen sein. Wenn nun Kühlmittel oder Heizmittel über den Einlass 114, 124 in die erste Gruppe 112 A, 122 A von Rohrleitungen in einer ersten Richtung einströmt, so kann sie über die Fluidverbindung 144, 154 um ungefähr 180° umgelenkt werden und dann wiederum in die zweite Gruppe 112B, 122B von Rohrleitungen einströmen. Das Heizmittel bzw. das Kühlmittel strömen dann über den Auslass 118, 128 aus der zweiten Gruppe von Rohrleitungen aus. Aufgrund der Umlenkung in der Fluidverbindung durchströmen das Heizmittel bzw. das Kühlmittel die erste Gruppe 112 A, 122A von Rohrleitungen und die zweite Gruppe 112B, 122B von Rohrleitungen in zueinander entgegengesetzter Richtung. Durch eine solche Anordnung im Wärmetauscher kann zum einen die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert und zum anderen die Zeit, in der das Heizmittel bzw. das Kühlmittel den Wärmetauscher durchströmt, verlängert werden. Auf diese Weise wird der Wärmeaustausch effizienter und der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine verbessert.

Bei der in Fig. 15 gezeigten Ausführungsform ist weiterhin die Fluidverbindung 144, 154 über ein beweglich eingesetztes Teil 143, 153 gebildet. Das bewegliche Teil 143, 153 kann sich gegenüber der Außenhülle des Volumens 100 verschieben und sich somit einer Längenänderung der Rohre 112 A, 112B, 122 A, 122B anpassen. Längenänderungen der Rohre 112 A, 112B, 122 A, 122B können aufgrund von Erwärmung bzw. Abkühlung der Rohre auftreten.

Fig.16 zeigt einen Querschnitt durch das Volumen gemäß Fig. 15 entlang der Linie A-A. Dabei weist der Wärmetauscher jeweils mehrere im Wesentlichen parallel verlaufende Rohre 112 A, 112B für das Kühlmittel auf. Durch die Anordnung mehrer parallel verlaufender Rohre wird die zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche im Wärmetauscher vergrößert. Dabei sind mehrere Rohre mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser nebeneinander angeordnet und miteinander verbunden, beispielsweise durch Verschweißen. Alternativ kann auch eine ähnliche Struktur durch Bereitstellen eines einzelnen größeren Rechteckprofils, in das Trennwände eingebracht werden, realisiert werden. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass durch die relativ kleinen Einzelquerschnitte die Rohre gegenüber dem insbesondere beim Erwärmen des Arbeitsmediums auftretenden Umgebungsdrücken druckfest sind. Weiterhin weist der Wärmetauscher mehrere solcher Rohrbündel auf, die beabstandet zueinander nebeneinander angeordnet sind. Auf diese Weise kann das Arbeitsmedium in die Zwischenräume 140 zwischen den jeweiligen Rohrbündeln strömen und dort an der Oberfläche der jeweiligen Rohrbündel Wärme aus einem Heizmittel aufnehmen bzw. Wärme an ein Kühlmittel abgeben.

Anhand der Fig. 17 wird nun eine mögliche Umsetzung eines abwechselnd zu erwärmenden und abzukühlenden Volumens 100 gezeigt. Gemäß Fig. 17 weist das erste Volumen 100 einen kalten Bereich 110 und einen heißen Bereich 120 auf. In dem kalten Bereich 110 sind Kühlmittelrohre 112 angeordnet, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse des ersten Volumens 100 verlaufen. Die Kühlmittelrohre 112 sind über einen Kühlmittelzufluss (nicht gezeigt) mit einer Kühlmittelleitung (nicht gezeigt) verbunden. Über die Kühlmittelleitung und den Kühlmittelzufluss kann Kühlmittel 20 in die Kühlmittelrohre 112 eingeleitet werden. Zwischen den Kühlmittelrohren 112 ist eine Kammer 130 für das Arbeitsmedium 10 angeordnet. Die Kammer 130 verfügt über einen Anschluss 132, über den Arbeitsmedium 10 in die Kammer 130 eingelassen oder ausgelassen werden kann.

In dem heißen Bereich 120 sind Heizmittelrohre 122 angeordnet, die ebenso wie die Kühlmittelrohre 112 im Wesentlichen parallel zur Längsachse des ersten Volumens 100 verlaufen. Insbesondere sind gemäß der in Fig. 17 gezeigten Ausführungsform die Heizmittelrohre 122 und die Kühlmittelrohre 112 zueinander ausgerichtet. Insbesondere können die Kühlmittelröhren 112 und die Heizmittelröhren 122 identische Durchmesser und Längen aufweisen. Die Heizmittelröhren verfügen über einen Heizmittelzufluss (nicht gezeigt), über den ein Heizmittel 30 in die Heizmittelröhren 122 eingelassen werden kann. Weiterhin ist zwischen den Heizmittelröhren 122 ebenfalls die Kammer 130 gebildet, die über einen Anschluss 134 verfügt. Über den Anschluss 134 kann Arbeitsmedium in die Kammer 130 eingelassen werden. Bei dem dargestellten Volumen 100 bilden der Bereich zwischen den Kühlmittelrohren und der Bereich zwischen den Heizmittelrohren also eine einzige durchgehende Kammer 130.

In dieser Kammer ist ein Verdrängerkolben 140 angeordnet. Der Verdrängerkolben 140 kann zwischen dem kalten Bereich 110 und dem heißen Bereich 120 verfahren werden. Dabei kann der Verdrängerkolben extern angetrieben werden, beispielsweise durch einen elektrischen Antrieb, einen pneumatischen oder einen hydraulischen Antrieb. Dabei weist der Verdrängerkolben 140 einen thermisch isolierenden Bereich 146 auf, der so ausgebildet ist, daß er den heißen Bereich 120 von dem kalten Bereich 110 thermisch isoliert. Beispielsweise verläuft der thermisch isolierende Bereich 146 von Seitenwand zu Seitenwand der Kammer 130 und ebenso vom Boden zur Decke der Kammer 130. Mit anderen Worten bildet der thermisch isolierende Bereich 146 eine verschiebbare Wand, die die Kammer 130 in einen heißen Bereich 120 und in einen kalten Bereich 110 teilt. Der thermisch isolierende Bereich des Verdrängerkolbens ist aus einem thermisch isolierenden Material gefertigt, beispielsweise einem Kunststoff und/oder einem Holz. Insbesondere kann der thermisch isolierende Bereich 146 aus Teflon^® sein oder eine Teflon^® beschichtete Oberfläche aufweisen. Die Materialeigenschaften von Teflon^® sind für die vorliegende Anwendung insofern günstig, als Teflon^® eine Hitzebeständigkeit sowie hervorragende Gleiteigenschaften aufweist. Da der Verdrängerkolben 140 durch den Bereich 146 thermisch isolierend ist, wird auf diese Weise eine Wärmetransport vom heißen Bereich 120 in den kalten Bereich 110 des Volumens 100 unterdrückt.

Der Verdrängerkolben 140 umfaßt weiterhin einen Wärmespeicher 142, 144, der gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel so ausgebildet ist, daß er in einer jeweiligen Endlage des Verdrängerkolbens 140 mit den Rohren 112, 122 der Wärmetauscher in Kontakt steht. Auf diese Weise wird ein Wärmeaustausch zwischen dem Wärmespeicher 142, 144 und dem Wärmetauscher ermöglicht. In dem gezeigten Beispiel weist der Verdrängerkolben 140 eine kammartige Struktur auf, bei der die Wärmespeicher 142 den Zwischenraum zwischen den Heizmittelrohren 122 in der gezeigten Endlage des Verdrängerkolbens im wesentlichen vollständig ausfüllen. Der Wärmespeicher umfaßt dabei mehrere Paare von Platten aus wärmespeicherndem Material, beispielsweise Metallplatten und insbesondere Kupferplatten. Diese Platten werden gegen die Rohre 122 bzw. die gemeinsame plane Oberfläche der Rohre gedrückt. Beispielsweise können die Platten eine gewisse Beweglichkeit aufweisen und es kann ein konischer Dorn (nicht gezeigt) bereitgestellt sein. Wird nun der Verdrängerkolben in seine Endlage verfahren, so zwingt der Dorn die Platten auseinander, beispielsweise gegen einer Feder, so dass diese gegen die Rohre 122 gepreßt werden. Auf diese Weise nehmen die Platten aus den von Heizmittel 30 durchströmten Heizmittelröhren 122 Wärme auf und speichern diese. Wird der Verdrängerkolben 140 später in seine gegenüberliegende Endlage im kalten Bereich 110 verfahren, so geben die aufgewärmten Platten 142 ihre Wärme an ein zu erwärmendes Arbeitsmedium ab, das in den heißen Bereich 120 eingebracht wird. Auf diese Weise wirken die Platten 142 wie ein Regenerator. Weiterhin nutzen bzw. speichern sie im Heizmittel enthaltene Wärme selbst wenn im heißen Bereich 120 kein Arbeitsmedium erhitzt wird. Umgekehrt geben die dem kalten Bereich zugewandten Platten 144 Wärme an die Kühlmittelrohre 112 bzw. das darin strömende Kühlmittel 20 ab. Auf diese Weise werden die Platten 144 gekühlt. Wird nun heißes Arbeitsmedium zum Abkühlen in den kalten Bereich 110 eingebracht, so können die Platten 144 Wärme aus dem Arbeitsmedium aufnehmen und so das Arbeitsmedium zusätzlich zu den Kühlröhren 112 abkühlen. Auf diese Weise wirken die Platten 144 ebenfalls als Regenerator.

Weiterhin ist die räumliche Struktur des Verdrängerkolbens 140 so ausgebildet, dass er im wesentlichen das gesamte Volumen der Kammer 130 im heißen Bereich 120 bzw. der Kammer 130 im kalten Bereich 110 vollständig ausfüllt, wenn er in seine Endlage verfahren ist. Insbesondere kann der Verdrängerkolben 140 dabei die oben beschriebene kammartige Struktur aufweisen, die zwischen den Kühlmittelrohren 112 bzw. den Heizmittelrohren 122 verläuft. Das in der Kammer 130 befindliche Arbeitsmedium 10 kann dabei in einen intensiven Wärmeaustausch mit dem im Kühlmittelrohr 112 befindlichen Kühlmittel 20 treten. Insbesondere wird durch die kammartige Struktur der KühlmitteLrohre bzw. Heizmittelrohre eine große Oberfläche für den Wärmeaustausch bereitgestellt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Endlagendämpfung (nicht gezeigt) für den Verdrängerkolben 140 vorgesehen, sodass der Verdrängerkolben beim Verschieben sanft in die jeweilige Endlage gleitet. Insbesondere wenn Metallplatten als Wärmespeicher 142, 144 verwendet werden, kann eine solche Endlagendämpfung sinnvoll sein, da dann der Verdrängerkolben 140 eine nicht unerhebliche träge Masse aufweisen kann.

Weiterhin ist zu beachten, daß der thermisch isolierende Bereich 146 des Verdrängerkolbens 140 in der gezeigten Endlage dafür sorgt, dass das Heizmittelrohr 122 mit dem darin befindlichen Heizmittel 30 vollständig vom Kühlmittelrohr 112 und dem in der Kammer 130 des kalten Bereichs befindlichen Arbeitsmedium 10 thermisch isoliert ist. Würde nun der Verdrängerkolben 140 in seine Endlage im kalten Bereich verfahren, so isolierte der Bereich 146 das Kühlmittelrohr 112 und das darin befindliche Kühlmittel 20 von dem dann sich im heißen Bereich befindenden Arbeitsmedium 10 und dem im Heizmittelrohr 122 sich befindenden Heizmittel 30. Auf diese Weise kann durch Verschieben des Verdrängerkolbens 140 bewirkt werden, dass in dem Volumen 100 nur jeweils der kalte Bereich 110 oder der heiße Bereich 120 für das Arbeitsmedium zugänglich ist.

Fig. 18 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel für eine Wärmekraftmaschine bzw. einen Druckerzeuger, dessen detaillierte Funktionsweise anhand der Fign. 19 bis Fig. 25 erläutert werden wird. Der Druckerzeuger umfasst dabei ein erstes Volumen 100 sowie eine zweites Volumen 200. Das erste Volumen 100 und das zweite Volumen 200 sind gemäß der in Fig. 17 beschriebenen Ausführungsforai aufgebaut. Weiterhin sind in diesem Ausführungsbeispiel das erste Volumen 100 und das zweite Volumen 200 identisch aufgebaut, was jedoch nicht zwingend notwendig zur Ausführung der vorliegenden Erfindung ist. Dem kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 und dem kalten Bereich 210 des zweiten Volumens 200 kann über Kühlmittelzuflüsse 114, 214 Kühlmittel 20 zugeführt werden. Dabei können beispielsweise der kalte Bereich 110 des ersten Volumens 100 und der kalte Bereich 210 des zweiten Volumens 200 über eine gemeinsame Kühlmittelleitung 116 versorgt werden. In der Kühlmittelleitung 116 ist ein Y-Stück eingebaut, das den Kühlmittelstrom in das erste Volumen 100 und das zweite Volumen 200 leiten kann. Weiterhin verfügt das erste Volumen 100 über einen Kühlmittelabfluss 118 und das zweite Volumen 200 über einen Kühlmittelabfluss 218. Beispielsweise können der Kühlmittelabfluss 118 und der Kühlmittelabfluss 218 in eine gemeinsame Kühlmittelleitung einmünden. Über die dargestellte Anordnung kann das Kühlmittel an den kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 oder den kalten Bereich 210 des zweiten Volumens 200 bereitgestellt werden. Gleichermaßen kann in dem heißen Bereich 120 des ersten Volumens 100 und dem heißen Bereich 220 des zweiten Volumens 200 ein Heizmittel 30 über eine Heizmittelleitung 126 bereitgestellt werden. Dabei ist in die Heizmittelleitung 126 ein Y-Stück eingefügt, das das Heizmittel über den Anschluss 124 in die Heizmittelrohre 122 des ersten Volumens 100 und über den Anschluss 224 in die Heizmittelrohre 222 des zweiten Volumens 200 einleiten kann. Ebenfalls sind Heizmittelabflüsse 128 aus dem ersten Volumen und 228 aus dem zweiten Volumen bereitgestellt, wobei die Heizmittelabflüsse 128 und 228 in eine gemeinsame Heizmittelableitung einmünden können.

Die bislang nur schematisch dargestellte Fluidleitung 400 ist in diesem Beispiel etwas genauer dargestellt, insbesondere ist eine mögliche Ventilanordnung gezeigt. Dabei sollte berücksichtigt werden, dass die in den Fign. 18 bis 25 gezeigte Anordnung lediglich die prinzipiellen fluidtechnischen Steuerungsmöglichkeiten aufzeigen soll, dies jedoch keinen detaillierten fluidtechnischen Schaltplan darstellt. Bei der praktischen Realisierung eines solchen Druckerzeugers kann es daher selbstverständlich zu deutlichen Abweichungen der hier dargestellten Ventilanordnungen kommen. Der fluidtechnische Schaltungsaufbau des in Fig. 18 gezeigten Ausfuhrungsbeispiels ist im Wesentlichen symmetrisch zwischen der oberen und der unteren Hälfte der Darstellung. Daher wird im Folgenden zunächst die fluidtechnische Verschattung des ersten Volumens 100 beschrieben. Dabei ist hinter den Anschluss 132 des kalten Bereichs 110 ein Ventil 410 geschaltet. Das Ventil 410 ist eingerichtet, um ein Einlassen oder ein Auslassen des Arbeitsmediums 10 aus bzw. in die Kammer 130 zu steuern. Der Anschluss 132 des kalten Bereichs 110 ist über das Ventil 410 und über ein Stellventil 420 und ein weiteres Ventil 430 mit einer Niederdruckseite 320 der Arbeitsmaschine 300 verbunden. Dabei weist das Stellventil 420 vier Ein- bzw. Ausgänge auf, wobei es eingerichtet ist, zwischen jeweiligen Ein- bzw. Ausgängen eine Fluidverbindung herzustellen. Das weitere Ventil 430 kann dazu dienen, die Verbindung von der Niederdruckseite 320 der Maschine 300 zu dem Stellventil 420 zu sperren. Die Fluidleitung weist weiterhin eine Leitung auf, die vom Anschluss 134 des heißen Bereichs 120 des ersten Volumens 100 mit einer Hochdruckseite 310 der Arbeitsmaschine 300 verbindbar ist. Dabei kann die Verbindung über das Stellventil 420 und ein weiteres Sperrventil 440 hergestellt werden. Sind die Sperrventile 430 bzw. 440 auf Durchlass geschaltet, so kann über das Stellventil 420 eine Fluidverbindung zwischen dem Anschluss 132 des kalten Bereichs 110 und der Niederdruckseite 320 der Maschine 300 bzw. dem Anschluss 134 des heißen Bereichs 120 und der Hochdruckseite 310 der Maschine 300 hergestellt werden. Derselbe Aufbau findet sich nun auch für das zweite Volumen 200. Dabei ist der Anschluss des kalten Bereichs 220 mittels eines Ventils 415 absperrbar. Weiterhin ist über ein Stellventil 425 der kalte Bereich 210 über ein weiteres Sperrventil 435 mit der Niederdruckseite 320 der Maschine 300 verbindbar. Weiterhin ist ein Anschluss 234 des heißen Bereichs 220 über das Stellventil 425 und ein Sperrventil 445 mit der Hochdruckseite 310 der Arbeitsmaschine 300 verbindbar. Weiterhin erlauben die Ventile 410 bzw. 415 und die Stellventile 420 bzw. 425, dass eine Fluidverbindung zwischen den heißen Bereichen 120, 220 und den kalten Bereichen 110, 210 des ersten Volumens 100 bzw. des zweiten Volumens 200 hergestellt werden können. Weiterhin sind in die Fluidleitungen Regeneratoren 150, 250 geschaltet, deren Funktion später erläutert werden wird. Es soll jedoch daraufhingewiesen werden, dass die Regeneratoren 150, 250 auch in eine Gehäusewand des ersten Volumens 100 bzw. des zweiten Volumens 200 eingebaut sein können.

Im Folgenden wird nun die Arbeitsweise des in Fig. 18 dargestellten Druckerzeugers beschrieben. Zunächst wird in dem ersten Volumen 100 das in der Kammer 130 des kalten Bereichs 110 befindliche Arbeitsmedium 10 abgekühlt. Dazu wird über die Fluidleitung 116 und den Anschluss 114 Kühlmittel 20 in die Kühlmittelrohre 112 des ersten Volumens eingeleitet. Das Ventil 410 sperrt die Kammer 130 ab und der Verdrängerkolben 140 ist im heißen Bereich 120 des ersten Volumens angeordnet. Somit ist nur ein geringer verbleibender Rest an Arbeitsmedium in dem vom Verdrängerkolben 140 nicht ausgefüllten Anschlussvolumen des heißen Bereichs vorhanden. Dieses Arbeitsmedium ist ebenfalls in dem Volumen eingesperrt, da das Ventil 420 bezüglich der am Anschluss des heißen Bereichs 120 anliegenden Leitung sperrend ist. Das in der Kammer 130 befindliche Arbeitsmedium gibt nun einen Teil seiner Wärme an das die Kühlrohre 112 durchströmende Kühlmittel ab. Aufgrund des gleich bleibenden Volumens der Kammer 130 und der gleich bleibenden Masse des Arbeitsmediums 10 in dieser Kammer 130 sinken Druck und Temperatur des Arbeitsmediums 10. Wird ein Prozess mit Phasenumwandlung des Arbeitsmediums gefahren, so werden die gegebenenfalls noch gasförmigen Anteile des Arbeitsmediums, etwa eines ORC-Mediums, verflüssigt. Gleichzeitig ist im zweiten Volumen 200 der Verdrängerkolben 240 in seiner Endlage im kalten Bereich 210 angeordnet. Hingegen befindet sich das Arbeitsmedium 10 in der Kammer 230 im heißen Bereich 220 des zweiten Volumens 200. Im heißen Bereich 220 wird über eine Heizmittelleitung 126 und den Heizmittelzufluss 224 ein Heizmittel 30 in den Heizmittelrohren 222 bereitgestellt. Das Arbeitsmedium 10 nimmt dann im heißen Bereich 220 Wärme aus dem Heizmittel 30 auf. Da dabei das Volumen der Kammer 230 unverändert bleibt, steigen Druck und Temperatur des Arbeitsmediums 10 im heißen Bereich 220 an. Insbesondere kann hier bei einem Prozess mit Phasenumwandlung des Arbeitsmediums ein starker Druckanstieg erfolgen, wenn das flüssige Arbeitsmedium verdampft. Am Ende dieses ersten Schrittes liegen somit im kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 kaltes Arbeitsmedium unter relativ geringem Druck und im heißen Bereich 220 des zweiten Volumens 200 heißes Arbeitsmedium unter hohem Druck vor.

Fig. 19 zeigt nun einen nächsten Zustand des Druckerzeugers gemäß Fig. 18. Dabei ist das in Fig. 18 noch sperrende Ventil 445 leitend geschaltet worden, sodass zwischen dem Anschluss 234 des heißen Bereichs 220 eine Fluidverbindung mit der Hochdruckseite 310 der Arbeitsmaschine 300 hergestellt ist. Gleichermaßen ist das Ventil 410 leitend geschaltet, sodass zwischen der Niederdruckseite 320 der Maschine 300 über das Ventil 430 und das Stellventil 420 eine Fluidverbindung mit dem Anschluss 132 des kalten Bereichs 110 des ersten Volumens 100 hergestellt ist. Mit anderen Worten ist somit eine Fluidverbindung zwischen dem heißen Bereich 220 des zweiten Volumens 200 und dem kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 hergestellt. Aufgrund des Druckunterschieds strömt nun das heiße Arbeitsmedium 10 aus dem heißen Bereich 220 in den kalten Bereich 110 ein. Dabei verrichtet das strömende Medium an der Maschine 300 mechanische Arbeit, die so entnommen werden kann.

Fig. 20 zeigt nun einen Zustand des Druckerzeugers, der auf den in Fig. 19 gezeigten Zustand folgt. Dabei wird das Stellventil 420 so geschaltet, dass zwischen dem Anschluss 132 des kalten Bereichs 110 und dem Anschluss 134 des heißen Bereichs 120 eine Fluidverbindung hergestellt wird. Gleichermaßen wird das Stellventil 425 so geschaltet, dass zwischen dem heißen Bereich 220 und dem kalten Bereich 210 eine Fluidverbindung hergestellt wird. Es ist dabei zu beachten, dass auf diese Weise ebenfalls ein gegebenenfalls bestehender Druckunterschied zwischen dem heißen Bereich 120 und dem kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 bzw. dem heißen Bereich 220 und dem kalten Bereich 210 des zweiten Volumens 200 ausgeglichen wird, sodass die jeweiligen heißen und kalten Bereiche des ersten Volumens 100 bzw. des zweiten Volumens 200 dasselbe Druckniveau aufweisen.

Fig. 21 zeigt nun den nächsten Schritt beim Betrieb der Druckerzeuger. Dabei wird im ersten Volumen 100 der Verdrängerkolben 140 von der heißen Seite 120 auf die kalten Seite 110 verfahren. Das zuvor im kalten Bereich 110 befindliche Arbeitsmedium wird dabei über die hergestellte Fluidverbindung in den heißen Bereich 120 des ersten Volumens verschoben. Da der kalte Bereich 110 und der heiße Bereich 120 keinen Druckunterschied aufweisen, muss der Verdrängerkolben 140 nicht gegen einen Druck arbeiten. Das Verfahren des Verdrängerkolbens 140 benötigt mithin nur einen geringen Energieaufwand zur Überwindung von Lager- und Reibungskräften. Umgekehrt wird nun im zweiten Volumen 200 der Verdrängerkolben 240 vom kalten Bereich 210 in den heißen Bereich 220 verfahren. Hier ist ebenfalls aufgrund des Druckausgleichs zwischen dem heißen Bereich 220 und dem kalten Bereich 210 keine Druckarbeit zu verrichten. Das Arbeitsmedium 10 wird dabei von dem heißen Bereich 220 in den kalten Bereich 210 verschoben.

Im nächsten Schritt, der in Fig. 22 gezeigt ist, wird nun die Fluidverbindung zwischen dem heißen Bereich 120 und dem kalten Bereich 110 bzw. zwischen dem kalten Bereich 210 und dem heißen Bereich 220 gesperrt, sodass die Arbeitsmedien jeweils in der Kammer 130 des heißen Bereichs 120 bzw. der Kammer 230 des kalten Bereichs 210 eingesperrt sind. In Umkehrung des in Fig. 18 gezeigten Vorgangs, wird nun das Arbeitsmedium im ersten Volumen erwärmt, nämlich im heißen Bereich 120, und im zweiten Volumen abgekühlt, nämlich im kalten Bereich 210. Am Ende dieses Vorgangs liegt somit im heißen Bereich 120 des ersten Volumens 100 heißes und unter hohem Druck stehendes Arbeitsmedium vor, während im kalten Bereich 210 des zweiten Volumens 200 kaltes und unter niedrigem Druck stehendes Arbeitsmedium vorliegt.

In dem nun folgenden Schritt, der in Fig. 23 gezeigt ist, wird über die geeignete Schaltung der Ventile 420 und 440 der Anschluss 134 des heißen Bereichs 120 des ersten Volumens mit dem Hochdruckeingang 310 der Maschine 300 verbunden. Gleichzeitig wird über geeignete Stellung der Ventile 415, 425 und 435 der Anschluss 232 des kalten Bereichs 210 mit der Niederdruckseite 320 der Maschine verbunden. Aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem unter Hochdruck stehenden Arbeitsmedium im heißen Bereich 120 und dem unter Niederdruck stehenden Arbeitsmedium im kalten Bereich 210 strömt das Arbeitsmedium vom heißen Bereich 120 in den kalten Bereich 210 bis der Druckunterschied ausgeglichen ist. Dabei verrichtet das strömende Arbeitsmedium mechanische Arbeit an der Maschine 300, die dort entnommen werden kann.

In dem darauffolgenden in Fig. 24 gezeigten Schritt werden die Stellventile 420 und 425 analog zu Fig. 20 so gestellt, dass zwischen dem heißen Bereich 120 und dem kalten Bereich 110 des ersten Volumens bzw. dem kalten Bereich 210 und dem heißen Bereich 220 des zweiten Volumens eine Fluidverbindung und damit auch ein Druckausgleich hergestellt wird.

Im abschließenden Schritt des Verfahrens (Fig. 25) wird nun der Verdrängerkolben 140 wieder vom kalten Bereich 110 des ersten Volumens in den heißen Bereich 120 verschoben. Gleichermaßen wird im zweiten Volumen 200 der Verdrängerkolben 240 vom heißen Bereich 220 in den kalten Bereich 210 verschoben. Das Arbeitsmedium 10 im kalten Bereich 110 des ersten Volumens 100 wird daher nun abgekühlt und das Arbeitsmedium im heißen Bereich 220 des zweiten Volumens erwärmt. Der Druckerzeuger befindet sich nunmehr in dem in Fig. 18 gezeigten Ausgangszustand, sodass der Prozess erneut durchgeführt werden kann.

Im Folgenden wird nun die Wirkungsweise der Regeneratoren 150, 250 erläutert. Bei dem in Fig. 19 gezeigten ersten Schritt strömt heißes Arbeitsmedium vom heißen Bereich 220 in den kalten Bereich 110. Dabei strömt das heiße Arbeitsmedium über den Regenerator 150, der dabei Wärme aufnimmt und speichert. Wird nun bei dem in Fig. 21 gezeigten Schritt abgekühltes Arbeitsmedium vom kalten Bereich 110 in den heißen Bereich 120 verschoben, so wird das abgekühlte Arbeitsmedium über den Regenerator 150 geführt. Dabei nimmt das Arbeitsmedium bereits Wärme auf und wird so vorerwärmt, bevor es in den heißen Bereich 120 eintritt. Ist das Arbeitsmedium beispielsweise ein ORC-Medium , insbesondere ein Niedertemperatur-ORC-Medium, so kann schon im Regenerator 150 eine zumindest teilweise Verdampfung des ORC-Mediums erfolgen. Gleichfalls wird der Regenerator 150 wieder abgekühlt. Auf dieselbe Weise wird beim Strömen des heißen Arbeitsmediums vom heißen Bereich 120 des ersten Volumens 100 zum kalten Bereich 210 des zweiten Volumens 200 der Regenerator 250 durchströmt und nimmt dabei Wärme auf und speichert sie. Wird nun bei dem in Fig. 25 gezeigten Schritt das abgekühlte Arbeitsmedium vom kalten Bereich 210 in den heißen Bereich 220 verschoben, so nimmt es vom Regenerator 250 dort gespeicherte Wärme auf, kühlt diesen ab und erreicht den heißen Bereich 220 vorerwärmt. Durch den Einsatz der Regeneratoren 150, 250 kann der Wirkungsgrad der Druckerzeuger erhöht werden.

Fig. 26 zeigt eine Wärmekraftmaschine bzw. einen Druckerzeuger gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei sind weitere Wärmetauscher 160, 260 bereitgestellt. Diese Wärmetauscher 160, 260 sind von einem Heizmittel durchströmt, das typischerweise eine niedrigere Temperatur aufweist, als das Heizmittel in den heißen Bereichen 120, 220. Beispielsweise kann als Heizmittel im Wärmetauscher Motorkühlwasser verwendet werden, das den Wärmetauscher durchströmt. Der bzw. die Wärmetauscher 160, 260 können dabei alternativ oder zusätzlich zu den Regeneratoren 150, 250 vorgesehen werden. In einem Ausführungsbeispiel sind sowohl Regeneratoren als auch Wärmetauscher vorgesehen. Dabei kann beispielsweise das im kalten Bereich 110 abgekühlte Arbeitsmedium beim Verschieben über den Regenerator 150 auf eine Temperatur von beispielsweise 60°C gebracht werden. Das den zusätzlichen Wärmetauscher 160 durchströmende Heizmittel, z.B. Kühlwasser, weist ungefähr eine Temperatur im Bereich von 90⁰C auf. Wird nun das auf 6O⁰C erwärmte Arbeitsmedium zusätzlich über den Wärmetauscher 160 geführt, so kann eine Vorerwärmung des Arbeitsmediums vor Eintritt in den heißen Bereich 120 auf ungefähr 8O⁰C erreicht werden. Auf diese Weise kann zum einen dem Kühlwasser weitere Wärme entzogen werden und auf der anderen Seite das Arbeitsmedium schon vorerwärmt werden. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad eines Gesamtprozesses deutlich gesteigert werden. Weiterhin wird daraufhingewiesen, dass die oben genannten Zahlenbeispiele nur exemplarisch zu verstehen sind und insbesondere keine Festlegung auf bestimmte Temperatur und/oder Druckbereiche und/oder Arbeitsmedien bedeuten. Hier kann auch eine Weiche (nicht gezeigt) bereitgestellt werden, die das zweite Heizmittel jeweils abwechselnd an einen der Wärmtauscher 160, 260 bereitstellt, wenn es dort gerade benötigt wird.

In Fig. 27 ist eine Wärmekraftmaschine bzw. ein Druckerzeuger gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Darin ist das erste Volumen 100 als Zylinder ausgeführt, der konzentrisch von einer Röhre 112 durchsetzt wird. Über einen Kühlmittelzufluß 114 kann Kühlmittel 20 in die Röhre 112 eingespeist werden. Das Kühlmittel 20 tritt am Auslass 118 der Röhre 112 wieder aus. Das erste Volumen 100 umgibt somit die Röhre 112, wobei auch komplexere Geometrien gewählt werden können, um die zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche zwischen erstem Volumen 100 und Kühlmittelröhre 112 zu vergrößern. Gleichfalls ist das zweite Volumen 200 als Zylinder ausgeführt, der konzentrisch von einer Röhre 222 durchsetzt wird. Über einen Heizmittelzufluß 224 kann Heizmittel 30 in die Röhre 222 eingespeist werden. Das Heizmittel 30 tritt am Auslass 228 der Röhre 222 wieder aus. Mit anderen Worten bilden die beiden Röhren 112 und 222 jeweils zumindest einen Teil eines Wärmetauschers zum Wärmeaustausch zwischen dem Heizmittel 30 bzw. dem Kühlmittel 20 und dem Arbeitsmedium 10.

Weiterhin umfaßt die Vorrichtung eine Verteilerscheibe 1210, die um eine Achse 1215 drehbar gelagert ist. Die Verteilerscheibe 1210 umfaßt eine Heizmittelleitung 224 und eine Kühlmittelleitung 114. Dabei sind an einen Eingang der Verteilerscheibe 1210 beispielsweise eine Heizmittelzuführung und eine Kühlmittelzuführung koaxial zur Achse 1215 der Verteilerscheibe 1210 angeordnet. In dem gezeigten Beispiel liegt die Heizmittelleitung an der einen Oberfläche der Verteilerscheibe 1210 mit einem Flansch an. Die Kühlmittelleitung ist dagegen zentrisch ins Innere der Scheibe 1210 geführt. Die Verteilerscheibe 1210 umfaßt Kanäle, die die von außen koaxial zugeführten Heizmittel- und Kühlmittelströme aufteilt und zu jeweils einander im Durchmesser der Scheibe gegenüberliegenden Auslässen fuhrt. Dies ist in Fig. 28 veranschaulicht, die eine Draufsicht auf die dem ersten und dem zweiten Volumen zugewandten Oberfläche der Verteilerscheibe 1210 zeigt. Wie durch die Pfeile angedeutet, kann die Verteilerscheibe um ihre Mittelachse 1210 gedreht werden, so daß die Heizmittelleitung 224 und die Kühlmittelleitung 114 miteinander die Plätze tauschen. Auf diese Weise können die Röhre 112 des ersten Volumens 100 bzw. die Röhre 222 des zweiten Volumens 200 abwechselnd mit Heizmittel 30 bzw. Kühlmittel 20 beschickt werden. Anders als in den vorherigen AusfiJhrungsbeispielen sind damit die Röhren 112, 222 nicht eindeutig als Heiz- bzw. Kühlmittelröhren einzuordnen, da sie abwechselnd beide Funktionen übernehmen.

Weiterhin ist ein mit dem Druck des Arbeitsmediums betreibbarer Lineargenerator 300 auf der Mittelachse 1210 angeordnet. Der Lineargenerator 300 weist dabei eine Hochdruckseite 310 auf, die mit unter hohem Druck stehenden erwärmten Arbeitsmedium beaufschlagt werden kann. Gleichermaßen weist der Lineargenerator 300 eine Niederdruckseite 320 auf, die mit den ersten Volumina, die abgekühltes und somit unter geringerem Druck stehendes Arbeitsmedium aufweisen, verbunden werden kann. Das wahlweise Verbinden der ersten und der zweiten Volumina mit der Hochdruckseite 310 und der Niederdruckseite 320 des Lineargenerators 300 wird in dem gezeigten Beispiel durch die Ventile 450, 455, 460 und 465 ermöglicht. Zwischen der Hochdruckseite 310 und der Niederdruckseite 320 ist ein Kolben 330 bereitgestellt, der über mehrere Magnete 335 verfügt. Wird nun die Hochdruckseite 310 mit Druck beaufschlagt, d.h. wird z.B. das Ventil 460 geöffnet und heißes Arbeitsmedium 13 eingelassen, so wird der Kolben 330 zur Niederdruckseite 320 hin bewegt. Dabei induzieren die Magnete 335 in der außen liegenden Spule bzw. den außen liegenden Spulen 340 des Lineargenerators eine Spannung, die abgegriffen werden kann. Weiterhin drückt die Bewegung des Kolbens 330 gegebenenfalls vorhandenes Arbeitsmedium 12 über das Ventil 455 in das erste Volumen 100.

Die Verteilerscheibe 1210 kann nun wie in Fig. 28 gezeigt rotiert werden, wobei der Lineargenerator 300 feststeht. Im folgenden werden die Hochdruckseite und die Niederdruckseite vertauscht, so dass der Kolben 330 an das gegenüberliegende axiale Ende des Lineargenerators verschoben wird. Nun kann der Prozess abermals von vorne beginnen, wobei die Steuerung der Ventile 450, 455, 460, 465 jeweils entscheidet, ob ein Volumen mit der Hochdruckseite 310 oder der Niederdruckseite 320 des Lineargenerators 300 verbunden wird.

Auch wenn das obige Ausführungsbeispiel anhand eines Lineargenerators beschrieben wurde, ist selbstverständlich, dass auch andere Arbeitsmaschinen, beispielsweise ein Linearmotor, eine Pumpe oder ähnliches, verwendet werden können. In diesem Zusammenhang wird ergänzend daraufhingewiesen, dass die Vorrichtung auch so betrieben werden kann, dass beim Abkühlen und Erhitzen des Arbeitsmediums jeweils ein Phasenübergang auftritt. Beispielsweise kann dabei ein ORC-Medium oder Wasser verwendet werden. Beispielsweise wird das in Gas- oder Dampfphase vorliegende ORC-Medium beim Abkühlen verflüssigt. Dadurch tritt eine dramatische Volumenverminderung des Arbeitsmediums ein, so dass praktisch in dem abgekühlten Volumen ein Unterdruck erzeugt wird. Das aus dem heißen Volumen nachströmende Arbeitsmedium kondensiert bei Eintritt in den kalten Bereich, so dass im wesentlichen kein Druckausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen hergestellt wird. Umgekehrt wird das flüssige Arbeitsmedium beim Erwärmen verdampft, wodurch sich das Volumen vervielfacht bzw. der Druck erheblich erhöht.

Die oben beschriebene Vorrichtung ist in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern einsetzbar, nämlich überall dort, wo Abwärme bereitsteht. Insbesondere ist dies natürlich bei sämtlichen Verbrennungsprozessen, bspw. in Motoren, Biogas-Blockheizkraftwerken, Kraftwerken etc. der Fall. Abwärme fällt jedoch auch bei vielen anderen technischen Prozessen an, bspw. bei der Stahlherstellung und -Verarbeitung, der Kunststoffverarbeitung, der Zementherstellung. Bei all diesen Prozessen kann die Vorrichtung genutzt werden, um die oftmals vergeudete Abwärme nutzbar zu machen, Energie einzusparen und den Wirkungsgrad der Prozesse zu erhöhen. Insbesondere kann die Vorrichtung auch für die Nutzung von Abwärme bei Heizungssystemen im Wohnbereich, etwa Zentralheizungen oder ähnlichem, eingesetzt werden. Bei solchen Anlagen wird eine Brennertemperatur von 800-900°C erreicht, wobei typische Vorlauftemperaturen für Raumheizkörper bei lediglich 60°C liegen. Die hohe Temperaturdifferenz kann man mittels des Druckerzeugers zur Stromerzeugung nutzbar machen. Gleichermaßen anwendbar ist der oben beschriebene Druckerzeuger im Bereich der Verbrennung von nachwachsenden Rohstoffen, insbesondere Holzpellet- oder Holzheizungen oder Kaminen. Auch die Verbrennung von Holzgas kann zur Erzeugung der benötigten Abwärme dienen.

Figur 29 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung bzw. einer Wärmekraftmaschine 1000 gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei ist gezeigt, dass das erste Volumen 100 einen Heizmittelanschluß 124 aufweist, der mit einer Leitung für ein Abwärme tragendes Heizmittel verbindbar ist. Ebenfalls weist das erste Volumen 100 einen Kühlmittelanschluß 114 auf, der mit einer Leitung für ein Kühlmittel verbindbar ist. Das Heizmittel kann über einen Heizmittelauslass 128 bzw. das Kühlmittel über einen Kühlmittelauslass 118 wieder aus dem ersten Volumen 100 austreten. Gleichermaßen weist das zweite Volumen 200 einen Heizmittelanschluß 224 auf, der mit einer Leitung für ein Abwärme tragendes Heizmittel verbindbar ist. Ebenfalls weist das zweite Volumen 200 einen Kühlmittelanschluß 214 auf, der mit einer Leitung für ein Kühlmittel verbindbar ist. Das Heizmittel kann über einen Heizmittelauslass 228 bzw. das Kühlmittel über einen Kühlmittelauslass 218 wieder aus dem zweiten Volumen 200 austreten. Das erste Volumen 100 und das zweite Volumen 200 sind über eine Fluidleitung 400 so miteinander verbunden, dass Arbeitsmedium zwischen den beiden Volumina ausgetauscht werden kann und dabei an einer Maschine 300 Arbeit verrichtet.

Figur 30 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei umfaßt das System eine erste Vorrichtung bzw. Wärmekraftmaschine 1000 und eine zweite Vorrichtung bzw. Wärmekraftmaschine 2000. Die erste und die zweite Vorrichtung 1000, 2000 sind dabei gemäß der in Fig. 19 gezeigten Vorrichtung ausgebildet. Der Heizmittelanschluß 124 des ersten Volumens 100 der zweiten Vorrichtung 2000 ist mit einem Heizmittelauslass 128 des ersten Volumens 100 der ersten Vorrichtung 1000 verbunden. Typischerweise ist im Gegensatz dazu der Kühlmittelanschluß 114 des ersten Volumens 100 der zweiten Vorrichtung 2000 nicht mit dem Kühlmittelauslass 118 des ersten Volumens 100 der ersten Vorrichtung 1000 verbunden. In gleicher Weise ist der Heizmittelanschluß 224 des zweiten Volumens 200 der zweiten Vorrichtung 2000 ist mit dem Heizmittelauslass 228 des zweiten Volumens 200 der ersten Vorrichtung 1000 verbunden. Ebenfalls ist im Gegensatz dazu der Kühlmittelanschluß 214 des ersten Volumens 100 der zweiten Vorrichtung 2000 nicht mit dem Kühlmittelauslass 218 des ersten Volumens 100 der ersten Vorrichtung 1000 verbunden.

In einer solchen Anordnung wird dem Heizmittel zunächst in der ersten Vorrichtung 1000 Wärme entzogen worauf das abgekühlte Heizmittel in die zweite Vorrichtung 2000 eintritt, in der ihm nochmals Wärme entzogen wird. Beispielsweise kann die erste Vorrichtung 1000 für einen Hochtemperaturprozess eingerichtet sein. Typische Heizmitteleingangstemperaturen an den Heizmittelanschlüssen 124, 224 eines solchen Hochtemperaturprozesses liegen im Bereich von ungefähr 400°C bis ungefähr 900°C. Typische Heizmittelausgangstemperaturen an den Heizmittelauslässen 128, 228 liegen im Bereich von ungefähr 200°C bis ungefähr 400°C. Auf diese Weise können hohe Temperaturdifferenzen ΔT in der Vorrichtung genutzt werden. Dies erfolg typischerweise in einem reinen Gasprozess, beispielsweise mit Helium, und hohen Prozessdrücken im Bereich mehrer hundert bar.

Die zweite Vorrichtung 2000 ist jedoch für einen Prozess eingerichtet sein, der im Vergleich zu dem in der ersten Vorrichtung 1000 durchgeführten Prozess eine niedrigere Prozesstemperatur aufweist. Es kann selbstverständlich auch gleich die erste Vorrichtung 1000 anstatt für einen Hochtemperaturprozess für einen solchen Prozess mittlerer Temperatur eingerichtet sein. Typische Heizmitteleingangstemperaturen für einen solchen Prozess im mittleren Temperaturbereich liegen im Bereich von ungefähr 200°C bis ungefähr 35O⁰C. Typische Heizmittelausgangstemperaturen liegen dann im Bereich von ungefähr 100°C bis ungefähr 200⁰C. Die dabei erzielbaren Temperaturdifferenzen ΔT können beispielsweise effizient durch den Betrieb der Vorrichtung 2000 mit einem ORC-Medium genutzt werden. Dabei wird typischerweise eine Phasenumwandlung des ORC-Mediums während des Prozesses herbeigeführt. Anstatt eines ORC-Mediums können auch andere Arbeitsmedien, wie etwa Wasser, verwendet werden.

Bei dem in Fig. 30 gezeigten kaskadierten System weisen die erste Vorrichtung 1000 und die zweite Vorrichtung 2000 jeweils eine Maschine 300 auf. Die Maschinen 300 und/oder die in den Vorrichtungen 1000, 2000 gefahrenen Prozesse können dabei jedoch so aufeinander abgestimmt sein, dass die Maschinen 300 miteinander harmonisiert bzw. synchronisiert sind. Beispielsweise können die beiden Maschinen 300 als Motoren ausgebildet sein. Dabei können beide Motoren 300 so eingerichtet sein, dass sie dieselbe Welle gemeinsam antreiben.

Fig. 31 eine schematische Darstellung eines anderen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Grundaufbau des Systems gemäß Fig. 31 entspricht dabei dem in Fig. 30 gezeigten System. Jedoch sind die erste Vorrichtung 1000 und die zweite Vorrichtung 2000 mit derselben Maschine 300 verbunden. In dieser Bauweise ist es also nicht erforderlich, mehrere Maschinen bereitzustellen sondern es muss lediglich eine Fluidverbindung zwischen der Maschine 300 der ersten und der zweiten Vorrichtung 1000, 2000 bereitgestellt werden.

Sowohl in der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 30 als auch in der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 31 kann das System eingerichtet sein, dass die erste und die zweite Vorrichtung 1000, 2000 zueinander phasenverschoben betrieben werden können. Auf diese Weise können sich die erste und die zweite Vorrichtung 1000, 2000 zu einem gegebenen Zeitpunkt in jeweils verschiedenen Takten des Prozesses befinden. Es kann also bei geschicktem Versatz der Takte der jeweiligen Vorrichtungen zueinander ständig Druck an die Maschine(n) 300 abgegeben werden.

Fig. 32 zeigt eine schematische Darstellung noch eines Systems gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das darin gezeigte System umfaßt noch eine dritte Vorrichtung bzw. Wärmekraftmaschine 3000, wobei der Heizmittelanschlüsse 124, 224 der dritten Vorrichtung 3000 mit den Heizmittelauslässen 128, 228 der zweiten Vorrichtung 2000 verbunden sind. Die dritte Vorrichtung 3000 ist dabei für einen Prozess eingerichtet ist, der im Vergleich zur zweiten Vorrichtung 2000 eine noch niedrigere Prozesstemperatur aufweist. Typische Heizmitteleingangstemperaturen für diesen Niedertemperaturprozess liegen im Bereich von ungefähr 80°C bis ungefähr 200°C. Typische Heizmittelausgangstemperaturen für diesen Niedertemperaturprozess liegen im Bereich von ungefähr 2O⁰C bis ungefähr 100°C. In diesem Temperaturbereich kann insbesondere ein Niedertemperatur-ORC-Medium verwendet werden, wobei das Niedertemperatur-ORC- Medium in dem Prozess eine Phasenumwandlung durchläuft.

Bei dem in Fig. 32 gezeigten kaskadierten System weisen die erste Vorrichtung 1000, die zweite Vorrichtung 2000 und die dritte Vorrichtung 3000 jeweils eine Maschine 300 auf. Die Maschinen 300 und/oder die in den Vorrichtungen 1000, 2000, 3000 gefahrenen Prozesse können dabei jedoch so aufeinander abgestimmt sein, dass die Maschinen 300 miteinander harmonisiert bzw. synchronisiert sind. Beispielsweise können die drei Maschinen 300 als Motoren ausgebildet sein. Dabei können alle Motoren 300 so eingerichtet sein, dass sie dieselbe Welle gemeinsam antreiben.

Fig. 33 zeigt eine schematische Darstellung noch eines weiteren Systems gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Grundaufbau des Systems gemäß Fig. 33 entspricht dabei dem in Fig. 32 gezeigten System. Jedoch sind die erste Vorrichtung 1000, die zweite Vorrichtung 2000 und die dritte Vorrichtung 3000 mit derselben Maschine 300 verbunden. In dieser Bauweise ist es also nicht erforderlich, mehrere Maschinen bereitzustellen sondern es muss lediglich eine Fluidverbindung zwischen der Maschine 300 der ersten, der zweiten und der dritten Vorrichtung 1000, 2000, 3000 bereitgestellt werden.

Sowohl in der Ausführungsform gemäß Fig. 32 als auch in der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 33 kann das System eingerichtet sein, dass die erste, die zweite und die dritte Wärmekraftmaschine 1000, 2000, 3000 zueinander phasenverschoben betrieben werden können. Auf diese Weise können sich die erste, die zweite und die dritte Wärmekraftmaschine 1000, 2000, 3000 zu einem gegebenen Zeitpunkt in jeweils verschiedenen Takten des Prozesses befinden. Es kann also bei geschicktem Versatz der Takte der jeweiligen Wärmekraftmaschinen zueinander ständig Druck an die Maschine(n) 300 abgegeben werden.

Die oben beschriebenen kaskadierten Systeme nutzen zwei, drei oder noch mehr Stufen, wobei jeweils die Abwärme, die noch in dem aus einer Stufe austretenden abgekühlten Heizmittel enthalten ist, in der nächsten Stufe genutzt wird. Dabei sind die verschiedenen Stufen so aufeinander abgestimmt, daß die jeweils nachfolgende Stufe von ihrem Prozess her auf die Temperatur des aus der vorhergehenden Stufe austretenden Heizmittels angepaßt ist. Insbesondere werden dabei die Arbeitsmedien aufeinander abgestimmt. Jedoch können selbstverständlich auch die Mengen, Volumina, Geometrien und/oder die Bauweisen der jeweiligen Stufen auf die jeweiligen Prozesstemperaturen einer Stufe angepaßt sein. Insbesondere können sich also die Bauformen und Arbeitsmedien zwischen verschiedenen Stufen unterscheiden.

Fig. 34 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Darin weist das System eine erste oben beschriebene Vorrichtung bzw. Wärmekraftmaschine 1000 und zumindest eine zweite oben beschriebene Vorrichtung bzw. Wärmekraftmaschine 2000 auf. Weiterhin sind der Heizmittelanschluß des ersten Volumens 100 der ersten Vorrichtung 1000 und der Heizmittelanschluß des ersten Volumens 100 der zweiten Vorrichtung 2000 mit derselben Heizmittelleitung 124 verbunden. Weiterhin sind der Heizmittelanschluß des zweiten Volumens 200 der ersten Vorrichtung 1000 und der Heizmittelanschluß des zweiten Volumens 200 der zweiten Vorrichtung 2000 mit derselben Heizmittelleitung 124 verbunden. Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel sind auch die Heizmittelzuleitung 124 für die ersten Volumina 100 und die Heizmittelzuleitung 224 für die zweiten Volumina mit derselben Heizmittelleitung, beispielsweise einer Abgasleitung verbunden. Weiterhin ist das System eingerichtet, dass die erste und die zweite Vorrichtung 1000, 2000 zueinander phasenverschoben betrieben werden können, so dass sich die erste Vorrichtung 1000 und die zweite Vorrichtung 2000 in verschiedenen Takten befinden. Dabei können dabei jeweils die erste Vorrichtung 1000 und die zweite Vorrichtung 2000 einen Motor als Maschine aufweisen und wobei die jeweiligen Motoren so eingerichtet sind, dass sie dieselbe Welle antreiben. Es können jedoch auch - wie in Fig. 34 gezeigt - die erste Vorrichtung 1000 und die zweite Vorrichtung 2000 mit derselben Maschine 300 verbunden sein. In einem solchen System laufen beide Vorrichtungen 1000, 2000 nebeneinander auf derselben Stufe, d.h. das Heizmittel weist dieselbe Eingangstemperatur in beiden Vorrichtungen 1000, 2000 auf. Nicht notwendig jedoch typisch ist, dass in diesem Fall in beiden Vorrichtungen 1000, 2000 derselbe Prozess gefahren wird. Weiterhin können selbstverständlich auch drei oder mehr solcher Vorrichtungen parallel geschaltet bzw. betrieben werden. Darüber hinaus kann selbstverständlich auch jedes der vorherbeschrieben kaskadierten Systeme auf jeder Stufe mehrere parallel geschaltete Vorrichtungen aufweisen. Dabei kann die Zahl der parallel geschalteten Vorrichtungen von Stufe zu Stufe des kaskadierten Systems gleich oder verschieden sein.

Fig. 35 zeigt eine Anlage gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung. Die Anlage umfaßt eine Verbrennungskraftmaschine 1100, insbesondere einen Motor, und eine oben beschriebene Vorrichtung oder ein oben beschriebenes System. Über eine Brennstoffzuführung 1110 wird Brennstoff in die Verbrennungskraftmaschine 1100 zugeführt und dort verbrannt. Die Verbrennungskraftmaschine treibt eine externe Maschine G an. Das bei der Verbrennung erzeugte Abgas wird über einen Abgasauslass 1120 in die Heizmittelleitung 126 eingespeist, wo die in ihm enthaltene Abwärme anschließend in der oben beschriebenen Weise durch die nachgeschaltete Vorrichtung bzw. das System genutzt wird. Wie durch den gestrichelten Kasten angedeutet kann das Abgas auch alternativ in einen weiteren Wärmetauscher 1140 geführt werden, in dem das Abgas das eigentliche Heizmittel für die nachgeschaltete Vorrichtung erhitzt. Das Abgas wird dann über eine konventionelle Auspuffanlage abgeführt. Beispielsweise kann als Heizmittel Wasser oder insbesondere ein Thermoöl verwendet werden, wobei dann typischerweise ein Gegenstromwärmetauscher verwendet wird. Durch Zwischenschalten des Wärmetauschers kann so zum einen vermieden werden, dass das Motorabgas die Wärmetauscher der nachgeschalteten Vorrichtung verschmutzt. Insbesondere wenn der Motor ein mit Biodiesel betriebener Motor 1100 verwendet wird, ist eine solche Verschmutzung praktisch nicht zu vermeiden. Zum anderen können Temperaturspitzen im Abgas durch das Thermoöl aufgefangen werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in der nachgeschalteten Vorrichtung ein ORC-Prozess gefahren wird. Es bestünde sonst nämlich die Gefahr, dass sich das ORC-Medium bei solchen Temperaturspitzen zersetzt, wenn die Vorrichtung direkt mit dem Abgas beschickt würde.

Weiterhin weist die Verbrennungskraftmaschine 1100 einen Kühler 1130 auf. Das im Kühler erhitzte Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, wird über eine Kühlwasserleitung 1135 zu den Wärmetauschern 148, 248 geleitet. Auf diese Weise kann das Motorkühl wasser zur Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums genutzt werden.

In einem nicht gezeigten Beispiel ist die Verbrennungskraftmaschine 1100 ein Dieselmotor eines Blockheizkraftwerks. Der Dieselmotor 1100 treibt einen elektrischen Generator G an und erzeugt so Strom. Das vom Dieselmotor 1100 ausgestoßene Abgas wird als Heizmittel einem kaskadierten System zugeführt, wo es mit ca. 45O⁰C in die erste Stufe eintritt. Dort wird dem Motorabgas Wärme zum Betreiben der Vorrichtung(en) der ersten Stufe entzogen, so dass das Abgas mit ca. 25O⁰C die erste Stufe des Systems verläßt. Das Abgas tritt nun in eine zweite Stufe des Systems mit ungefähr 25O⁰C ein. Dort wird dem bereits in der ersten Stufe abgekühlten Motorabgas weitere Wärme zum Betreiben der Vorrichtung(en) der zweiten Stufe entzogen, so das das Abgas mit ca. 12O⁰C die zweite Stufe des Systems verläßt. In der zweiten Stufe wird ein Hochtemperatur-ORC-Prozess mit Hochtemperatur-ORC- Medien, die bei den Prozesstemperaturen im Bereich von 200⁰C noch chemisch stabil sind, gefahren. Dem Hochtemperatur-ORC-Prozess kann sich nun eine dritte Stufe anschließen, in dem ein Niedertemperatur-ORC-Prozess gefahren wird. Das in der ersten und der zweiten Stufe abgekühlte Abgas tritt nun mit ca. 12O⁰C in die dritte Stufe ein, wo ihm Wärme entzogen wird und es mit ca. 7O⁰C die dritte Stufe verläßt. Dieser Niedertemperatur-ORC- Prozess wird mit einem Niedertemperatur-ORC-Medium, das beispielsweise schon bei ungefähr 2O⁰C bis 5O⁰C verdampft, gefahren. In dieser dritten Stufe werden Wärmetauscher 148, 248 vom ungefähr 90⁰C heißen Motorkühlwasser durchströmt. Mittels dieser Wärmetauschers kann das abgekühlte Arbeitsmedium schon vorerhitzt bzw. zwischenerhitzt werden. Auf diese Weise kann auch noch ein Teil der im Kühlwasser enthaltenen Abwärme zurückgewonnen werden. Weiterhin können in allen oder in einzelnen Stufen auch Regeneratoren verwendet werden, die Wärme speichern und zur Vorerwärmung des abgekühlten Arbeitsmediums dienen.

Fig. 36 zeigt eine Querschnittsansicht eines elektrischen Generators 300, wie er in einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Maschine verwendet werden kann. Der elektrische Generator 300 weist dabei eine Kolbenkammer 610 auf, die eine Einlassöffnung 612 und eine Auslassöffnung 614 aufweist. Die Kolbenkammer 610 ist in der gezeigten Querschnittsansicht kreisringförmig. In der Kolbenkammer ist weiterhin ein Kolben 620 angeordnet, der um den Mittelpunkt des Kreisrings drehbar gelagert ist. Der Kolben 620 weist eine Druckseite 622 auf, die mit dem unter Druck stehenden Arbeitsmedium, das über die Einlassöffnung 612 in die Kolbenkammer 610 eingelassen werden kann, beaufschlagt werden kann.

Der Kolben 620 ist mit einem drehbar gelagerten Ring 635 verbunden. An dem Ring 635 sind Magnete 630 angeordnet, wobei sich die Magnetpole von im Umfangsrichtung nebeneinander liegenden Magneten abwechseln. Dies ist in Fig. 36 durch die entsprechenden Pfeile angedeutet. Die Magnete 630 können dabei an dem Ring 635 befestigt oder in diesen integriert sein. Weiterhin können die Magnete 630 als Permanentmagnete oder als Elektromagnete ausgebildet sein. Im letzteren Fall verfügt der elektrische Generator 300 über eine Stromzuführung zu den Elektromagneten 630. Diese kann beispielsweise über Schleifringe und Bürsten geschehen. Der Ring 635 ist am inneren Umfang der Kolbenkammer 610 angeordnet. Ihm gegenüberliegend sind Spulen 640 angeordnet. Werden nun die Magnete 630 an den Spulen 640 vorbeibewegt, so induzieren sie in diesen Spulen eine Spannung. Diese Spannung kann abgegriffen und dem elektrischen Generator 600 somit elektrische Leistung entnommen werden.

Zwischen dem Ring 635 und den Spulen 640 ist eine ortsfeste Dichtung 660 angeordnet. Die ortsfeste Dichtung 660 dichtet die Kolbenkammer 610 gegenüber den Spulen 640 gasdicht ab. Weiterhin ist zwischen der Einlassöffhung 612 und der Auslassöffhung 614 eine bewegliche Dichtung 650 vorgesehen. Wie durch den Doppelpfeil in Fig. 36 angedeutet kann die bewegliche Dichtung 650 in radialer Richtung bewegt werden. Dabei kann die bewegliche Dichtung 650 aus der Kolbenkammer in eine radial außen liegende Aufnahme hineinbewegt werden und aus dieser wieder in die Kolbenkammer zurück. Die bewegliche Dichtung 650 ist so eingerichtet, dass sie die Kolbenkammer 610 zwischen der Einlassöffnung 612 und der Auslassöffnung 614 im Wesentlichen druckdicht verschließt. Auf diese Weise wird zwischen der Druckseite 622 des Kolbens 620 und der beweglichen Dichtung 650 ein Zwischenraum geschaffen, in den über die Einlassöffnung 612 ein Arbeitsmedium eingebracht werden kann. Weiterhin sind in Fig. 36 ein Einlassventil 670 und ein Auslassventil 680 gezeigt. Über das Einlassventil 670 kann das Einbringen von Arbeitsmedium in die Kolbenkammer 610 gesteuert werden. Gleichzeitig kann über das Auslassventil 680 das Auslassen von Arbeitsmedium aus der Kolbenkammer 610 gesteuert werden.

Fig. 37 zeigt eine Querschnittsansicht eines Rotationskolbenmotors 300, der gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Maschine verwendet werden kann. Der Rotationskolbenmotor 300 weist dabei eine Kolbenkammer 710 auf, die eine Einlassöffhung 712 und eine Auslassöffhung 714 aufweist. Die Kolbenkammer 710 ist in der gezeigten Querschnittsansicht kreisringförmig. In der Kolbenkammer ist weiterhin ein Kolben 720 angeordnet, der um den Mittelpunkt des Kreisrings drehbar gelagert ist. Der Kolben 720 weist eine Druckseite 722 auf, die mit einem unter Druck stehenden Arbeitsmedium, das über die Einlassöffnung 712 in die Kolbenkammer 710 eingelassen werden kann, beaufschlagt werden kann.

Der Kolben 720 ist mit einem drehbar gelagerten Kolbenring 735 verbunden. An dem Kolbenring 735 sind erste Magnete 730 angeordnet, wobei sich die Magnetpole von im Umfangsrichtung nebeneinander liegenden Magneten abwechseln. Dies ist in Fig. 37 durch die entsprechenden Pfeile angedeutet. Die ersten Magnete 730 können dabei an dem Kolbenring 735 befestigt oder in diesen integriert sein. Weiterhin können die ersten Magnete 730 als Permanentmagnete oder als Elektromagnete ausgebildet sein. Im letzteren Fall verfügt der Rotationskolbenmotor 300 über eine Stromzuführung zu den Elektromagneten 730. Diese kann beispielsweise über Schleifringe und Bürsten geschehen. Der Kolbenring 735 ist am inneren Umfang der Kolbenkammer 710 angeordnet. Ihm gegenüberliegend sind zweite Magnete 740 angeordnet. Die zweiten Magnete 740 sind an einem Antriebsring 745 angeordnet, wobei sich die Magnetpole von im Umfangsrichtung nebeneinander liegenden zweiten Magneten abwechseln. Die zweiten Magnete 740 überdecken den vollständigen Umfang des Antriebsrings 745. Gemeinsam bilden die ersten Magneten 730 und die zweiten Magnete 740 eine Magnetkupplung. Werden nun die ersten Magnete 730 bezüglich der zweiten Magnete 740 rotiert, so nehmen die ersten Magnete die zweiten Magnete aufgrund der zwischen ihnen wirkenden Magnetkräfte mit. Auf diese Weise läßt sich die Drehung des Kolbens 720 auf den Antriebsring 745 übertragen.

Der Antriebsring 745 bildet in dem in Fig. 37 gezeigten Ausführungsbeispiel das Hohlrad eines Planetengetriebes, welches weiterhin die Planetenräder 746 sowie das Sonnenrad 748 umfaßt. Mit dem Sonnenrad 748 ist eine Motorwelle 770 verbunden. Mithin treibt der Rotationskolben 720 die Motorwelle 770 über die Magnetkupplung 735, 745 und das Planetengetriebe 745, 746, 748 an. Mit Hilfe des Planetengetriebes können gewünschte Überoder Untersetzungen zwischen Kolben 720 und Motorwelle 770 eingestellt werden. Beispielsweise kann mittels des Getriebes an der Motorausgangswelle eine Drehzahl im Bereich von 1.500 U/min bereitgestellt werden, die zum Antrieb herkömmlicher elektrischer Generatoren geeignet ist. Zwischen dem Kolbening 735 und dem Antriebsring 745 ist eine ortsfeste Dichtung 760 angeordnet. Die ortsfeste Dichtung 760 dichtet die Kolbenkammer 710 gegenüber dem Antriebsring 745 gasdicht ab. Weiterhin ist zwischen der Einlassöffnung 712 und der Auslassöffnung 714 eine bewegliche Dichtung 750 vorgesehen. Wie durch den Doppelpfeil in Fig. 37 angedeutet kann die bewegliche Dichtung 750 in radialer Richtung bewegt werden. Dabei kann die bewegliche Dichtung 750 aus der Kolbenkammer in eine radial außen liegende Aufnahme hineinbewegt werden und aus dieser wieder in die Kolbenkammer zurück. Die bewegliche Dichtung 750 ist so eingerichtet, dass sie die Kolbenkammer 710 zwischen der Einlassöffnung 712 und der Auslassöffnung 714 im Wesentlichen druckdicht verschließt. Auf diese Weise wird zwischen der Druckseite 722 des Kolbens 720 und der beweglichen Dichtung 750 ein Zwischenraum geschaffen, in den über die Einlassöffnung 712 ein Arbeitsmedium eingebracht werden kann. Weiterhin sind in Fig. 37 ein Einlassventil 790 und ein Auslassventil 795 gezeigt. Über das Einlassventil 790 kann das Einbringen von Arbeitsmedium in die Kolbenkammer 710 gesteuert werden. Gleichzeitig kann über das Auslassventil 795 das Auslassen von Arbeitsmedium aus der Kolbenkammer 710 gesteuert werden.

Fig. 38 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung, bei der zwei Motoren 800, 900 der vorbeschriebenen Art hintereinander geschaltet sind. Anstatt eines einzelnen Motors 700 kann in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich auch eine Kombination aus zwei oder mehr Motoren oder auch zwei oder mehr Generatoren eingesetzt werden. Bei der in Fig. 38 gezeigten Ausführungsform ist der Auslass 814 des ersten Motors 800 mit dem Einlass 914 des zweiten Motors 900 verbunden. Auf diese Weise kann das aus dem ersten Motor 800 ausströmende Arbeitsmedium noch in dem zweiten Motor 900 verwendet werden, um eine gemeinsame Motorwelle anzutreiben. Beispielsweise ist es möglich, den ersten Motor 800 leistungsoptimiert zu betreiben, sodass das aus dem ersten Motor 800 austretende Arbeitsmedium im Wesentlichen einen ähnlichen Druck aufweist wie bei Einströmen in diesen ersten Motor 800. Der zweite Motor 900 kann nun wirkungsgradoptimiert betrieben werden, sodass das unter Druck stehende Arbeitsmedium im zweiten Motor 900 möglichst vollständig entspannt wird. Dazu können beispielsweise die Querschnitte bzw. Volumina der beiden Motoren in geeigneter Weise aufeinander angepasst sein. So kann der mit hoher Leistung und hohem Druck betriebene Motor 800 einen kleinen Querschnitt der Kolbenkammer aufweisen, wohingegen der Querschnitt der Kolbenkammer des zweiten Motors 900 entsprechend größer ist, um die Menge an Arbeitsmedium aus dem ersten Motor 800 aufzunehmen und zu entspannen. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Motoren in geeigneter Weise hintereinander geschaltet werden, wobei die jeweiligen QuerschnitteΛ/blumina bzw. Motordurchmesser aufeinander abzustimmen sind. Insbesondere können solche mehrstufigen Motoren in einem einzigen Gehäuse angeordnet werden, sodass eine kompakte mehrstufige Bauform bereitgestellt wird. Zusätzlich zur Abstimmung der jeweiligen Querschnitte, Radien und Volumina aufeinander können selbstverständlich auch die Steuerungen der Einlass- und Auslassventile sowie gegebenenfalls die Steuerungen der Erregerströme für Magnetspulen aufeinander abgestimmt werden. Eine solche mehrstufige Bauform kann in weiten Druckbereichen betrieben werden und die verschiedenen Betriebsparameter können fast beliebig eingestellt werden. Weitere Freiheitsgrade des Systems können beispielsweise durch das Vorsehen einer Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums zwischen zwei Motorstufen oder ähnliche vergleichbare Maßnahmen eingestellt werden. Selbstverständlich kann ein solches Konzept auf bei zwei hintereinandergeschalteten Generatoren in gleicher oder ähnlicher Weise umgesetzt werden.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 39 gezeigt. Darin gezeigt ist eine Wärmekraftmaschine, die zwei im wesentlichen gleich aufgebaute Einheiten aufweist. Dabei können sämtliche Abmessungen, insbesondere Volumina, der beiden Einheiten gleich oder verschieden voneinander sein. Die erste Einheit umfaßt einen ersten Kühler Kl und einen ersten Verdampfer Bl, B2. Der erste Kühler Kl ist im wesentlichen ein druckdichter Behälter, der von Kühlmittelrohren Rl durchsetzt ist. Der erste Verdampfer umfaßt ein erstes Volumen Bl und ein zweites Volumen B2, wobei das erste Volumen Bl typischerweise kleiner als das zweite Volumen B2 ist. Das erste und das zweite Volumen Bl, B2 sind über eine Fluidleitung F7 miteinander verbunden. In der Fluidleitung F7 ist weiterhin ein Ventil V7 angeordnet, so daß die Fluidleitung F7 abgesperrt werden kann. Mittels des Ventils V7 sind also das erste Volumen Bl und das zweite Volumen B2 voneinander zu trennen. Der erste Verdampfer wird von Heizmittelrohren Hl durchsetzt, wobei die Heizmittelrohre Hl so angeordnet sind, daß sie in Fließrichtung des Heizmittels zuerst das erste Bl des ersten Verdampfers durchsetzen und in Fließrichtung des Heizmittels nachfolgend das zweite Volumen B2 des ersten Verdampfers durchsetzen. Im Betrieb strömt somit das Heizmittel zunächst durch das erste Volumen Bl, gibt dort einen Teil seiner Wärme ab und strömt dann mit schon etwas geringerer Temperatur durch das zweite Volumen B2, wo ihm weitere Wärme entzogen wird. Das erste Volumen Bl des Verdampfers ist über eine erste Fluidleitung Fl mit dem ersten Kühler Kl verbunden, wobei die erste Fluidleitung Fl mittels eines ersten Ventils Vl absperrbar ist. Weiterhin ist der erste Kühler Kl oberhalb des ersten Volumens Bl angeordnet. Auf diese Weise kann im Kühler Kl kondensierte Flüssigkeit in den Verdampfer zurückgeleitet werden, wobei die kondensierte Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft in den Verdampfer zurückströmt. Es kann in der vorliegenden Anordnung also gänzlich auf eine Pumpe oder ähnliche Mittel verzichtet werden, da einzig die Gravitationskraft ausreicht, um die kondensierte und abgekühlte Flüssigkeit in das erste Volumen Bl zurückströmen zu lassen.

Weiterhin umfaßt die zweite Einheit einen zweiten Kühler K2 und einen zweiten Verdampfer B3, B4. Der zweite Kühler K2 ist im wesentlichen ein druckdichter Behälter, der von Kühlmittelrohren R2 durchsetzt ist. Der zweite Verdampfer umfaßt ein drittes Volumen B3 und ein viertes Volumen B4, wobei das dritte Volumen B3 typischerweise kleiner als das vierte Volumen B4 ist. Das dritte und das vierte Volumen B3, B4 sind über eine Fluidleitung F8 miteinander verbunden. In der Fluidleitung F8 ist weiterhin ein Ventil V8 angeordnet, so daß die Fluidleitung F8 abgesperrt werden kann. Mittels des Ventils V8 sind also das dritte Volumen B3 und das vierte Volumen B4 voneinander zu trennen. Der zweite Verdampfer wird von Heizmittelrohren H2durchsetzt, wobei die Heizmittelrohre H2 so angeordnet sind, daß sie in Fließrichtung des Heizmittels zuerst das dritte Volumen B3 des zweiten Verdampfers durchsetzen und in Fließrichtung des Heizmittels nachfolgend das vierte Volumen B4 des zweiten Verdampfers durchsetzen. Im Betrieb strömt somit das Heizmittel zunächst durch das dritte Volumen B3, gibt dort einen Teil seiner Wärme ab und strömt dann mit schon etwas geringerer Temperatur durch das vierte Volumen B4, wo ihm weitere Wärme entzogen wird.

Das dritte Volumen B3 des Verdampfers ist über eine vierte Fluidleitung F4 mit dem zweiten Kühler K2 verbunden, wobei die vierte Fluidleitung F4 mittels eines zweiten Ventils V2 absperrbar ist. Weiterhin ist der zweite Kühler K2 oberhalb des dritten Volumens B3 angeordnet. Auf diese Weise kann im Kühler K2 kondensierte Flüssigkeit in den Verdampfer zurückgeleitet werden, wobei die kondensierte Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft in den Verdampfer zurückströmt. Es kann in der vorliegenden Anordnung also gänzlich auf eine Pumpe oder ähnliche Mittel verzichtet werden, da einzig die Gravitationskraft ausreicht, um die kondensierte und abgekühlte Flüssigkeit in das dritte Volumen B3 zurückströmen zu lassen.

Die Wärmekraftmaschine umfaßt weiterhin eine mit einem unter Druck stehenden Fluid betreibbare Maschine M. Die Maschine M ist über eine zweite Fluidleitung F2 mit dem ersten Volumen Bl und über eine dritte Fluidleitung F3 mit dem ersten Kühler Kl verbunden. Weiterhin ist die Maschine M über eine fünfte Fluidleitung F5 mit dem dritten Volumen B3 und über eine sechste Fluidleitung F6 mit dem zweiten Kühler K2 verbunden. Die Maschine M kann beispielsweise ein Motor, ein Generator, eine Turbine oder ähnliches sein. Insbesondere kann die Maschine nach dem Drehkolbenprinzip etwa als Drehkolbenmotor arbeiten. Die mit der Maschine M verbundenen Fluidleitungen sind jeweils über Ventile absperrbar. Insbesondere ist die zweite Fluidleitung F2 über ein drittes Ventil V3 und die dritte Fluidleitung F3 über ein viertes Ventil V4 absperrbar. Gleichermaßen ist die fünfte Fluidleitung F5 über ein fünftes Ventil V5 und die sechste Fluidleitung F6 über ein sechstes Ventil V6 absperrbar.

Im Betrieb sind der erste Verdampfer und der zweite Verdampfer zumindest teilweise mit einer zu verdampfenden Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder ein ORC-Medium, befüllt. Dabei sind das zweite bzw. das vierte Volumen B2, B4 vollständig mit der Flüssigkeit befüllt während das erste bzw. das dritte Volumen Bl, B3 nur teilweise mit der Flüssigkeit befüllt sind. Der Betrieb der Anlage wird nun anhand der Betriebsweise der ersten Einheit erläutert. Zunächst sind das erste Ventil Vl und das dritte Ventil V3 geschlossen während das siebte Ventil V7 geöffnet ist. Die im ersten Volumen Bl enthaltene Flüssigkeit wird durch das in den Heizrohren Hl strömende Heizmedium, beispielsweise Abgas, erhitzt und schließlich verdampft. Wenn ein hinreichender Druck im ersten Volumen erreicht ist, werden in einem Ausführungsbeispiel das dritte Ventil V3 und das vierte Ventil V4 geöffnet. Die verdampfte Flüssigkeit strömt dann über die zweite Fluidleitung F2 in die Maschine M ein, verrichtet dort Arbeit und strömt über die dritte Fluidleitung F3 in den ersten Kühler Kl. Den ersten Kühler Kl durchströmt ein Kühlmedium in den Kühlrohren Rl. Das Kühlmedium entzieht dem Dampf Wärme und kühlt den Dampf soweit ab, bis die Flüssigkeit kondensiert. Aufgrund der Schwerkraft sammelt sich die Flüssigkeit am Boden des Kühlers Kl und steht am Ventil Vl an. Ist nun der unter Druck stehende Dampf aus dem ersten Volumen Bl entwichen, so werden das dritte Ventil V3 und das siebte Ventil V7 geschlossen und das erste Ventil Vl wird geöffnet. Unter Einwirkung der Schwerkraft strömt nun die kalte Flüssigkeit aus dem ersten Kühler Kl in das erste Volumen Bl ein. Ist die Flüssigkeit aus dem Kühler Kl ausgeströmt, wird das Ventil Vl geschlossen und das siebte Ventil V7 wieder geöffnet. Nun strömt erhitzte Flüssigkeit aus dem zweiten Volumen B2 in das erste Volumen Bl nach. Nach kurzer Zeit hat sich ein Druckausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen Bl, B2 eingestellt und der gesamte oben geschilderte Vorgang kann wieder von vorne beginnen. Genau derselbe Vorgang läuft auch in der zweiten Einheit ab, wobei jedoch die Abläufe zueinander so versetzt getaktet sind, daß die Maschine M abwechselnd mit Dampf aus dem ersten Verdampfer B 1 und aus dem zweiten Verdampfer B3 betrieben wird.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird der Dampf aus dem ersten Verdampfer Bl in den zweiten Kühler K2 und der Dampf aus dem zweiten Verdampfer B3 in den ersten Kühler Kl geleitet. Dazu wird beim Betreiben der Maschine mit Dampf aus dem ersten Verdampfer nicht das vierte Ventil V4 sondern das sechste Ventil V6 geöffnet. Gemäß dieser Ausführungsform strömt der Dampf also vom ersten Volumen Bl über die Maschine M in den zweiten Kühler K2 ein, wo er kondensiert und sich am Boden sammelt. Gleichermaßen werden im Betriebstakt des zweiten Verdampfers das fünfte Ventil V5 und das vierte Ventil V4 geöffnet, so daß der Dampf vom zweiten Verdampfer in den ersten Kühler einströmt. Man könnte also sagen, daß die Anlage in dieser Betriebsart „über Kreuz" betrieben wird.

Die in der gezeigten Ausführungsform vorgesehenen zweiten bzw. vierten Volumina B2, B4 können auch weggelassen werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel dienen sie jedoch als Wärmespeicher und entziehen dem Heizmittel andauernd Wärme, wobei sich ein von oben nach unten verlaufender Temperaturgradient im zweiten bzw. vierten Volumen B2, B4 einstellt. Während der Verdampfungsphase nimmt die im zweiten bzw. vierten Volumen B2, B4 enthaltene Flüssigkeit weiter Wärme auf, so daß sie sich typischerweise kurz unterhalb ihres Siedepunktes befindet. Wird nun nach dem Einlassen der Flüssigkeit aus dem Kühler Kl in das erste Volumen Bl das siebte Ventil V7 geöffnet, findet ein Druckausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen Bl, B2 statt und heiße Flüssigkeit strömt aus dem zweiten Volumen B2 in das erste Volumen Bl, wo sie sich mit der aus dem Kühler Kl stammenden kalten Flüssigkeit vermischt und diese für die Verdampfung vorwärmt. Ein Vorteil der beschriebenen Anordnung ist die Ausnutzung der Schwerkraft, so daß keinerlei zusätzliche Mittel zur Verschiebung des Mediums, wie etwa Pumpen oder Verdrängerkolben, nötig sind. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Gesamtanlage erheblich gesteigert werden. Wie eingangs erwähnt gehen beispielsweise bei herkömmlichen ORC-Prozessen typischerweise 10% der Gesamtleistung durch den Einsatz der Pumpe verloren. Weiterhin ist die beschriebene Wärmekraftmaschine einfach aufgebaut, weist außer den Ventilen und der Maschine keine beweglichen Teile auf und kann zu relativ geringen Kosten hergestellt werden.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollen keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Insbesondere können einzelne Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele in andere Ausführungsformen übernommen werden oder verschiedene Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, solange sich die kombinierten Merkmale nicht technisch bedingt gegenseitig ausschließen.

Claims

Patentansprüche

1. Wärmekraftmaschine ( 1000), umfassend

ein erstes Volumen (100), das eingerichtet ist, abwechselnd erwärmt und abgekühlt zu werden,

ein zweites Volumen (200), das eingerichtet ist, abwechselnd erwärmt und abgekühlt zu werden,

ein Arbeitsmedium (10), das in dem ersten und in dem zweiten Volumen (100, 200) enthalten ist, und

eine Fluidleitung (400), über die das erste Volumen (100) und das zweite Volumen (200) miteinander verbunden sind, wobei eine mit dem Arbeitsmedium betreibbare Maschine (300) zwischen dem ersten Volumen (100) und dem zweiten Volumen (200) mit der Fluidleitung (400) verbunden ist,

wobei die Wärmekraftmaschine (1000) so eingerichtet ist, daß in einem ersten Zustand das Arbeitsmedium (10) in dem ersten Volumen (100) erwärmt wird während das Arbeitsmedium (10) in dem zweiten Volumen (200) abgekühlt wird und in einem zweiten Zustand das Arbeitsmedium (10) in dem ersten Volumen (100) abgekühlt wird während das Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen (200) erwärmt wird.

2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei das erste und/oder das zweite Volumen (100, 200) einen heißen Bereich (120, 220) und einen kalten Bereich (110, 210) aufweist.

3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem kalten Bereich (110, 210) ein Kühlmittel (20) bereitgestellt wird.

4. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem heißen Bereich (120, 220) ein Heizmittel (30) bereitgestellt wird.

5. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium (10) mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mittels Sonnenlicht, erhitzt wird.

6. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der heiße und der kalte Bereich voneinander thermisch isoliert sind.

7. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium gasförmig ist.

8. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium Helium ist.

9. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium ein Dampf ist.

10. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium Wasserdampf ist.

11. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium ein ORC-Medium ist.

12. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel (20) und/oder das Heizmedium (30) mittels eines Wärmetauschers (112, 140; 212, 250) bereitgestellt werden.

13. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Volumen (100) und das zweite Volumen (200) jeweils einen ersten Wärmetauscher (112, 140; 212, 240) im kalten Bereich (110; 210) und einen zweiten Wärmetauscher (122, 150; 222, 250) im heißen Bereich aufweisen.

14. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 13, wobei der jeweils erste Wärmetauscher (112, 140; 212, 240) jeweils mehrere im wesentlichen parallel verlaufende Rohre (112; 212) für Kühlmittel aufweist.

15. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 14, wobei der jeweils erste Wärmetauscher (112, 140; 212, 240) weiterhin jeweils einen Kühlmittelzufluß (114; 214) sowie jeweils einen Kühlmittelabfluß (118; 218) aufweist.

16. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 15, wobei der Kühlmittelzufluß zum ersten Volumen (114) und der Kühlmittelzufluß zum zweiten Volumen (214) über eine Weiche (170) mit einer Kühlmittelleitung (116) verbunden sind, wobei die Weiche (170) eingerichtet ist, Kühlmittel entweder in das erste Volumen (100) oder in das zweite Volumen (200) zu leiten.

17. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der jeweils zweite Wärmetauscher (122, 150; 222, 250) jeweils mehrere im wesentlichen parallel verlaufende Rohre (122; 222) für Heizmedium aufweist.

18. Druckerzeuger nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die im wesentlichen parallel verlaufende Rohre für Kühlmittel und/oder die im wesentlichen parallel verlaufende Rohre für Heizmedium eine gemeinsame plane Oberfläche aufweisen.

19. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 17, wobei der jeweils zweite Wärmetauscher (122, 150; 222, 250) weiterhin jeweils einen Heizmittelzufluß (124; 224) sowie jeweils einen Heizmittelabfluß (128; 228) aufweist.

20. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 19, wobei der Heizmittelzufluß zum ersten Volumen (124) und der Heizmittelzufluß zum zweiten Volumen (224) über eine Weiche (180) mit einer Heizmittelleitung (126) verbunden sind, wobei die Weiche (180) eingerichtet ist, Heizmittel entweder in das erste Volumen (100) oder in das zweite Volumen (200) zu leiten.

21. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei die Rohre des ersten Wärmetauschers (112; 212) und die Rohre des zweiten Wärmetauschers (122; 222) jeweils von einander mittels einer Isolierung (130) thermisch isoliert sind.

22. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei das erste Volumen (100) und das zweite Volumen (100) weiterhin jeweils eine Kammer (140, 150; 240, 250) für das Arbeitsmedium (10) umfassen, wobei die Kammer (140, 150; 240, 250) im wesentlichen zwischen den Kühlmittelrohren (112, 212) und den Heizmittelrohren (122, 222) angeordnet ist.

23. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 22, wobei zwischen den Rohren des ersten Wärmetauschers (112; 212) und den Rohren des zweiten Wärmetauschers (122; 222) jeweils eine thermische Isolierung (130) angeordnet ist.

24. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 23, wobei der erste Wärmetauscher (112; 212) und/oder der zweite Wärmetauscher (122; 222) jeweils eine erste Gruppe von Rohrleitungen und eine zweite Gruppe von Rohrleitungen umfaßt, die über eine Fluidverbindung miteinander verbunden sind, und in zueinander entgegengesetzter Richtung von dem Heizmittel und/oder dem Kühlmittel durchströmt werden.

25. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 24, weiterhin umfassend einen Verdrängerkolben (160; 260), der zwischen dem kalten Bereich (110; 210) und dem heißen Bereich (120; 220) verfahrbar angeordnet ist.

26. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 25, wobei der Verdrängerkolben (160; 260) ein thermisch isolierendes Material umfaßt.

27. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 25 oder 26, wobei der Verdrängerkolben (160; 260) Kunststoff oder Holz umfaßt.

28. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei der Verdrängerkolben (160; 260) Polytetrafluorethylen umfaßt.

29. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei der Verdrängerkolben (160; 260) extern antreibbar ist.

30. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 25 bis 29, weiterhin umfassend eine Endlagendämpfung für den Verdrängerkolben (160; 260).

31. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 25 bis 30, wobei der Verdrängerkolben (160; 260) eine kammartige Struktur aufweist, die zwischen den Heizmittelrohren (112; 212) bzw. den Kühlmittelrohren (122; 222) verläuft.

32. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 25 bis 31, wobei der Verdrängerkolben einen thermisch isolierenden Bereich umfaßt, wobei der thermisch isolierende Bereich so ausgebildet ist, daß er den heißen Bereich von dem kalten Bereich thermisch isoliert.

33. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 25 bis 32, wobei der Verdrängerkolben weiterhin einen Wärmespeicher umfaßt.

34. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 33, wobei der Wärmespeicher so ausgebildet ist, daß er in einer jeweiligen Endlage des Verdrängerkolbens mit den Rohren bzw. der gemeinsamen planen Oberfläche der Rohre eines jeweiligen Wärmetauschers in Kontakt steht, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Wärmespeicher und dem Wärmetauscher zu ermöglichen.

35. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 34, wobei der thermisch isolierende Bereich des Verdrängerkolbens eine Kammer für das Arbeitsmedium in einen kalten Bereich und in einen heißen Bereich unterteilt, und wobei jeweils auf der dem kalten Bereich zugewandten Seite des Verdrängerkolbens und auf der dem heißen Bereich zugewandten Seite des Verdrängerkolbens mindestens ein Wärmespeicher vorgesehen ist.

36. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 35, wobei der Verdrängerkolben eine kammartige Struktur aufweist, und die Wärmespeicher den Zwischenraum zwischen den Heizmittelrohren bzw. den Kühlmittelrohren in einer jeweiligen Endlage des Verdrängerkolbens im wesentlichen vollständig ausfüllen.

37. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 33 bis 36, wobei der Wärmespeicher zumindest zwei Platten aus wärmespeicherndem Material umfaßt, die gegen die Rohre bzw. die gemeinsame plane Oberfläche der Rohre eines jeweiligen Wärmetauschers gedrückt werden können.

38. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 37, wobei die zumindest zwei Platten aus wärmespeicherndem Material gegen eine Federkraft gegen die Rohre (112, 122; 212, 222) bzw. die gemeinsame plane Oberfläche der Rohre eines jeweiligen Wärmetauschers gedrückt werden können.

39. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend zumindest einen Regenerator (146; 246), der in der Fluidleitung (400) angeordnet ist.

40. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 39, wobei der Regenerator (146; 246) in einer Gehäusewand des ersten und/oder des zweiten Volumens integriert ausgebildet ist.

41. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und/oder das zweite Volumen zylinderförmig oder zigarrentormig ausgebildet ist.

42. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidleitung (400) weiterhin eingerichtet ist, eine Fluidverbindung zwischen dem kalten Bereich (110; 210) und dem heißen Bereich (120; 220) des ersten Volumens (100) und/oder des zweiten Volumens (200) bereitzustellen.

43. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidleitung (400) weiterhin eingerichtet ist, eine Fluidverbindung zwischen dem heißen Bereich (120; 220) des ersten Volumens (100) und/oder des zweiten Volumens (200) und einer Hochdruckseite (310) der Arbeitsmaschine (300) bereitzustellen.

44. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidleitung (400) weiterhin eingerichtet ist, eine Fluidverbindung zwischen dem kalten Bereich (110; 210) des ersten Volumens (100) und/oder des zweiten Volumens (200) und einer Niederdruckseite (320) der Arbeitsmaschine (300) bereitzustellen.

45. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei eine Kühlmittelzuleitung und eine Heizmittelzuleitung so bewegbar sind, daß sie jeweils abwechselnd mit dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen verbunden werden können.

46. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 45, wobei die Kühlmittelzuleitung und die Heizmittelzuleitung um eine gemeinsame Achse drehbar gelagert sind, so daß sie abwechselnd mit einem Wärmetauscher des ersten Volumens und einem Wärmetauscher des zweiten Volumens in Fluidverbindung gebracht werden können.

47. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 46, wobei die mit dem Druck des Arbeitsmediums betreibbare Maschine auf einer gemeinsamen Mittelachse des ersten Volumens und des zweiten Volumens angeordnet ist.

48. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 47, wobei die mit dem Druck des Arbeitsmediums betreibbare Maschine einen zwischen einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite der Maschine verschiebbaren Kolben aufweist.

49. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maschine nach dem Rotationskolbenprinzip aufgebaut ist.

50. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Arbeitsmaschine (300) ein Motor, ein Generator oder eine Turbine ist.

51. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 44, umfassend die Schritte:

(a) Erwärmen eines Arbeitsmediums in einem ersten Volumen;

(b) Beaufschlagen einer mit dem Arbeitsmedium betreibbaren Maschine mit dem erwärmten Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium sich entspannt und Arbeit verrichtet; (c) Einlassen des entspannten Arbeitsmediums in ein zweites Volumen;

(d) Abkühlen des Arbeitsmediums in dem zweiten Volumen;

(e) Erwärmen des Arbeitsmediums in dem zweiten Volumen;

(f) Beaufschlagen der mit dem Arbeitsmedium betreibbaren Maschine mit dem erwärmten Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium sich entspannt und Arbeit verrichtet;

(g) Einlassen des entspannten Arbeitsmediums in das erste Volumen;

(h) Abkühlen des Arbeitsmediums in dem ersten Volumen.

52. Verfahren nach Anspruch 51, wobei in Schritt (a) das Arbeitsmedium in einem heißen Bereich des ersten Volumens erwärmt wird.

53. Verfahren nach Anspruch 51 oder 52, wobei in Schritt (c) das Arbeitsmedium in einen kalten Bereich des zweiten Volumens eingelassen wird, in dem es in Schritt (d) abgekühlt wird.

54. Verfahren nach Anspruch 53, weiterhin umfassend das Verschieben des abgekühlten Arbeitsmediums in einen heißen Bereich des zweiten Volumens, in dem es in Schritt (e) erwärmt wird.

55. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 54, wobei in Schritt (g) das Arbeitsmedium in einen kalten Bereich des ersten Volumens eingelassen wird, in dem es in Schritt (h) abgekühlt wird.

56. Verfahren nach Anspruch 55, weiterhin umfassend das Verschieben des abgekühlten Arbeitsmediums in einen heißen Bereich des ersten Volumens, in dem es in Schritt (a) erwärmt wird.

57. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 56, weiterhin umfassend das Zuleiten eines Heizmittels in den heißen Bereich des ersten oder des zweiten Volumens, wenn das Arbeitsmedium darin erwärmt wird.

58. Verfahren nach einem der Ansprüche 51 bis 57, weiterhin umfassend das Zuleiten eines Kühlmittels in den kalten Bereich des ersten oder des zweiten Volumens, wenn das Arbeitsmedium darin abgekühlt wird.

59. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 45 bis 48, umfassend die Schritte:

(a) Erwärmen eines Arbeitsmediums in einem ersten Volumen, das mit einem Heizmittel versorgt wird;

(b) Abkühlen eines Arbeitsmediums in einem zweiten Volumen, das mit einem Kühlmittel versorgt wird;

(c) Beaufschlagen einer mit dem Arbeitsmedium betreibbaren Maschine mit dem erwärmten Arbeitsmedium und dem kalten Arbeitsmedium, wobei das erwärmte Arbeitsmedium sich entspannt und Arbeit verrichtet;

(d) Bewegen einer Heizmittelzuleitung und einer Kühlmittelzuleitung, so daß das erste Volumen mit Kühlmittel und das zweite Volumen mit Heizmittel versorgt wird;

(e) Erwärmen des Arbeitsmediums in dem zweiten Volumen;

(f) Abkühlen des Arbeitsmediums in dem ersten Volumen;

(g) Beaufschlagen der mit dem Arbeitsmedium betreibbaren Maschine mit dem erwärmten Arbeitsmedium und dem kalten Arbeitsmedium, wobei das erwärmte Arbeitsmedium sich entspannt und Arbeit verrichtet.

60. System umfassend eine erste Wärmekraftmaschine (1000) nach einem der Ansprüche 1 bis 50 und zumindest eine zweite Wärmekraftmaschine (2000) nach einem der Ansprüche 1 bis 50, wobei ein Heizmittelanschluß (124, 224) der zweiten Wärmekraftmaschine (2000) mit einem Heizmittelauslass (128, 228) der ersten Wärmekraftmaschine (1000) verbunden ist.

61. System nach Anspruch 60, wobei die erste Wärmekraftmaschine (1000) für einen Hochtemperaturprozess eingerichtet ist.

62. System nach Anspruch 61, wobei die erste Wärmekraftmaschine für Heizmitteleingangstemperaturen im Bereich von 400⁰C bis 900°C eingerichtet ist.

63. System nach Anspruch 61 oder 62, wobei die erste Wärmekraftmaschine für Heizmittelausgangstemperaturen im Bereich von 200°C bis 400⁰C eingerichtet ist.

64. System nach einem der Ansprüche 61 bis 63, wobei die erste Wärmekraftmaschine mit einem Gas betreibbar ist.

65. System nach einem der Ansprüche 61 bis 64, wobei das Gas Helium oder Stickstoff ist.

66. System nach Anspruch 60, wobei die zweite Wärmekraftmaschine (2000) für einen Prozess eingerichtet ist, der im Vergleich zur ersten Wärmekraftmaschine (1000) eine niedrigere Prozesstemperatur aufweist, bzw. in dem die erste Wärmekraftmaschine (1000) für einen Prozess mittlerer Temperatur eingerichtet ist.

67. System nach Anspruch 66, wobei die zweite Wärmekraftmaschine bzw. die erste Wärmekraftmaschine für Heizmitteleingangstemperaturen im Bereich von 200°C bis 35O⁰C eingerichtet ist.

68. System nach Anspruch 66 oder 67, wobei die zweite Wärmekraftmaschine bzw. die erste Wärmekraftmaschine für Heizmittelausgangstemperaturen im Bereich von 100⁰C bis 200⁰C eingerichtet ist.

69. System nach einem der Ansprüche 66 bis 68, wobei die zweite Wärmekraftmaschine bzw. die erste Wärmekraftmaschine für den Betrieb mit einem ORC-Medium ausgelegt ist.

70. System nach Anspruch 69, wobei die zweite Wärmekraftmaschine bzw. die erste Wärmekraftmaschine ausgelegt ist, eine Phasenumwandlung bei dem ORC-Medium herbeizufuhren.

71. System nach einem der Ansprüche 60 bis 70, weiterhin umfassend eine dritte Wärmekraftmaschine (1000) bzw. eine zweite Wärmekraftmaschine (2000), wobei der Heizmittelanschluß (124, 224) der dritten Wärmekraftmaschine (3000) bzw. der zweiten Wärmekraftmaschine (2000) mit einem Heizmittelauslass (128, 228) der zweiten Wärmekraftmaschine (2000) bzw. der ersten Wärmekraftmaschine (1000) verbunden ist und die dritte Wärmekraftmaschine (3000) bzw. die zweite Wärmekraftmaschine (2000) für einen Prozess eingerichtet ist, der im Vergleich zur zweiten Wärmekraftmaschine bzw. zur ersten Wärmekraftmaschine eine niedrigere Prozesstemperatur aufweist.

72. System nach Anspruch 71, wobei die dritte Wärmekraftmaschine bzw. die zweite Wärmekraftmaschine für Heizmitteleingangstemperaturen im Bereich von 80°C bis 200°C eingerichtet ist.

73. System nach Anspruch 71 oder 72, wobei die dritte Wärmekraftmaschine bzw. die zweite Wärmekraftmaschine für Heizmittelausgangstemperaturen im Bereich von 2O⁰C bis 100°C eingerichtet ist.

74. System nach einem der Ansprüche 71 bis 73, wobei die dritte Wärmekraftmaschine bzw. die zweite Wärmekraftmaschine für den Betrieb mit einem Niedertemperatur- ORC-Medium ausgelegt ist.

75. System nach Anspruch 74, wobei die dritte Wärmekraftmaschine bzw. die zweite Wärmekraftmaschine ausgelegt ist, eine Phasenumwandlung bei dem Niedertemperatur-ORC-Medium herbeizufuhren.

76. System nach einem der Ansprüche 60 bis 75, wobei weiterhin in zumindest einer Wärmekraftmaschine ein Wärmetauscher (148, 248) zur Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums mittels eines weiteren Heizmittels mit der Fluidleitung verbunden ist.

77. System nach einem der Ansprüche 60 bis 76, wobei eine jeweilige Wärmekraftmaschine einen Motor als Maschine aufweist und wobei die jeweiligen Motoren so eingerichtet sind, dass sie dieselbe Welle antreiben können.

78. System nach einem der Ansprüche 60 bis 76, wobei eine jeweilige Wärmekraftmaschine mit derselben Maschine verbunden ist.

79. System nach einem der Ansprüche 60 bis 78, wobei das System eingerichtet ist, dass die erste und die zweite Wärmekraftmaschine (1000, 2000) und gegebenenfalls die dritte Wärmekraftmaschine (3000) zueinander phasenverschoben betrieben werden können, so dass sich die die erste und die zweite Wärmekraftmaschine und gegebenenfalls die dritte Wärmekraftmaschine zu einem gegebenen Zeitpunkt in jeweils verschiedenen Takten des Prozesses befinden.

80. System umfassend eine erste Wärmekraftmaschine (1000) nach einem der Ansprüche 1 bis 50 und zumindest eine zweite Wärmekraftmaschine (2000) nach einem der Ansprüche 1 bis 50, wobei der Heizmittelanschluß (124, 224) der ersten Wärmekraftmaschine (1000) und der Heizmittelanschluß (124, 224) der zweiten Wärmekraftmaschine (2000) mit derselben Heizmittelleitung verbunden sind, und

wobei das System eingerichtet ist, dass die erste und die zweite Wärmekraftmaschine (1000, 2000) zueinander phasenverschoben betrieben werden können, so dass sich die erste Wärmekraftmaschine und die zweite Wärmekraftmaschine in verschiedenen Takten befinden.

81. System nach Anspruch 80, wobei jeweils die erste Wärmekraftmaschine und die zweite Wärmekraftmaschine einen Motor als Maschine aufweist und wobei die jeweiligen Motoren so eingerichtet sind, dass sie dieselbe Welle antreiben können.

82. System nach Anspruch 80, wobei die erste Wärmekraftmaschine und die zweite Wärmekraftmaschine mit derselben Maschine verbunden sind.

83. Anlage, umfassend

eine Verbrennungskraftmaschine (1100), insbesondere einen Motor, und

eine erste Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 50 oder ein System gemäß einem der Ansprüche 60 bis 82, wobei der Heizmittelanschluss (124, 224) der ersten Vorrichtung mit einem Abgasauslass (1120) der Verbrennungskraftmaschine (1100) verbunden ist.

84. Anlage nach Anspruch 83, weiterhin umfassend einen mit der Fluidleitung (400) verbundenen Wärmetauscher (148, 248) zur Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums, wobei der Wärmetauscher (148, 248) weiterhin mit einer Kühlmittelleitung (1135) für erwärmtes Kühlmittel der Verbrennungskraftmaschine (1100), insbesondere von Kühlwasser, verbunden ist.

85. Verwendung einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 50 und/oder eines Systems nach einem der Ansprüche 60 bis 82 und/oder einer Anlage nach Anspruch 83 oder 84 zur Nachverstromung von Abwärme in einem Kraftwerk, insbesondere einem Blockheizkraftwerk.

86. Verwendung einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 50 und/oder eines Systems nach einem der Ansprüche 60 bis 82 und/oder einer Anlage nach Anspruch 83 oder 84 zur Nutzung der Abwärme eines Industrieprozesses.

87. Verwendung einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 50 und/oder eines Systems nach einem der Ansprüche 60 bis 82 und/oder einer Anlage nach Anspruch 83 oder 84 zur Abwärmeverstromung in einer Heizungsanlage.

88. Verwendung einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 50 und/oder eines Systems nach einem der Ansprüche 60 bis 82 und/oder einer Anlage nach Anspruch 83 oder 84 in einem Kraftfahrzeug zur Unterstützung des Antriebsmotors.

89. Verwendung einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 50 und/oder eines Systems nach einem der Ansprüche 60 bis 82 und/oder einer Anlage nach Anspruch 83 oder 84 in einem Kraftfahrzeug zur Stromerzeugung.

90. Verwendung einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 50 und/oder eines Systems nach einem der Ansprüche 60 bis 82 und/oder einer Anlage nach Anspruch 83 oder 84 in einem Kraftfahrzeug zum Betrieb einer Kältemaschine.

91. Verfahren zur Abwärmenutzung, umfassend die Schritte:

(a) Bereitstellen einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 50;

(b) jeweils abwechselndes Erwärmen bzw. Abkühlen des Arbeitsmediums in dem ersten und in dem zweiten Volumen, so daß das Arbeitsmedium in dem ersten Volumen und das Arbeitsmedium in dem zweiten Volumen einen Druckunterschied aufweisen;

(c) verbinden des ersten Volumens und des zweiten Volumens über die Fluidleitung;

(d) Betreiben einer mit der Fluidleitung verbundenen Maschine mit dem Druckunterschied.

92. Verfahren nach Anspruch 91, wobei ein zum Erwärmen des Arbeitsmediums verwendetes Heizmittel eine Eingangstemperatur im Bereich von 400⁰C bis 900°C aufweist.

93. Verfahren nach Anspruch 92, wobei das Heizmittel nach dem Erwärmen des Arbeitsmediums eine Temperatur im Bereich von 200⁰C bis 400⁰C aufweist.

94. Verfahren nach einem der Ansprüche 91 bis 93, wobei das Arbeitsmedium ein Gas oder Gasgemisch, insbesondere Helium und/oder Stickstoff, ist.

95. Verfahren nach Anspruch 91, wobei ein zum Erwärmen des Arbeitsmediums verwendetes Heizmittel eine Eingangstemperatur im Bereich von 200°C bis 35O⁰C aufweist.

96. Verfahren nach Anspruch 95, wobei das Heizmittel nach dem Erwärmen des Arbeitsmediums eine Temperatur im Bereich von 100⁰C bis 200⁰C aufweist.

97. Verfahren nach einem der Ansprüche 95 oder 96, wobei das Arbeitsmedium ein ORC- Medium oder ein Dampf ist.

98. Verfahren nach einem der Ansprüche 95 bis 97, wobei beim Erwärmen bzw. beim Abkühlen des Arbeitsmediums ein Phasenübergang des Arbeitsmediums herbeigeführt wird.

99. Verfahren nach Anspruch 91, wobei ein zum Erwärmen des Arbeitsmediums verwendetes Heizmittel eine Eingangstemperatur im Bereich von 80⁰C bis 200⁰C aufweist.

100. Verfahren nach Anspruch 99, wobei das Heizmittel nach dem Erwärmen des Arbeitsmediums eine Temperatur im Bereich von 20⁰C bis 100⁰C aufweist.

101. Verfahren nach Anspruch 99 oder 100, wobei das Arbeitsmedium ein Niedertemperatur-ORC-Medium ist.

102. Verfahren nach einem der Ansprüche 99 bis 101, wobei beim Erwärmen bzw. beim Abkühlen des Arbeitsmediums ein Phasenübergang des Arbeitsmediums herbeigeführt wird.

103. Verfahren nach einem der Ansprüche 91 bis 102, wobei abgekühltes Arbeitsmedium in einem Regenerator vorerwärmt wird.

104. Verfahren nach einem der Ansprüche 91 bis 103, wobei abgekühltes Arbeitsmedium in einem Wärmetauscher vorerwärmt wird.

105. Verfahren nach einem der Ansprüche 91 bis 104, wobei mehrere Vorrichtungen zur Druckerzeugung mit zueinander verschobenem Takt betrieben werden.

106. Wärmekraftmaschine, umfassend: eine erste Einheit mit einem ersten Kühler (Kl) und einem ersten Verdampfer (Bl, B2), die über eine erste Fluidleitung (Fl) miteinander verbunden sind, wobei der erste Kühler (Kl) oberhalb des ersten Verdampfers (Bl, B2) angeordnet ist und die erste Fluidleitung (Fl) mittels eines ersten Ventils (Vl) absperrbar ist,

eine zweite Einheit mit einem zweiten Kühler (K2) und einem zweiten Verdampfer (B3, B4), die über eine vierte Fluidleitung (F4) miteinander verbunden sind, wobei der zweite Kühler (K2) oberhalb des zweiten Verdampfers (B3, B4) angeordnet ist und die vierte Fluidleitung (F4) mittels eines zweiten Ventils (V2) absperrbar ist, und

eine mit einem unter Druck stehenden Fluid betreibbaren Maschine (M), wobei die Maschine über eine zweite Fluidleitung (F2) mit dem ersten Verdampfer (Bl) und über eine dritte Fluidleitung (F3) mit dem ersten Kühler (Kl) und über eine fünfte Fluidleitung (F5) mit dem zweiten Verdampfer (B3) und über eine sechste Fluidleitung (F6) mit dem zweiten Kühler (K2) verbunden ist.

107. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 106, wobei die zweite Fluidleitung (F2) über ein drittes Ventil (V3) und/oder die dritte Fluidleitung (F3) über ein viertes Ventil (V4) und/oder die fünfte Fluidleitung (F5) über ein fünftes Ventil (V5) und/oder die sechste Fluidleitung (F6) über ein sechstes Ventil (V6) absperrbar sind.

108. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 106 oder 107, wobei der erste Verdampfer ein erstes Volumen (Bl) und ein zweites Volumen (B2) aufweist, wobei das erste und das zweite Volumen (Bl, B2) über eine siebte Fluidleitung (F7) miteinander verbunden sind, wobei die siebte Fluidleitung (F7) über ein siebtes Ventil (V7) absperrbar ist.

109. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 106 bis 108, wobei der zweite Verdampfer ein drittes Volumen (B3) und ein viertes Volumen (B4) aufweist, wobei das dritte und das vierte Volumen (B3, B4) über eine achte Fluidleitung (F8) miteinander verbunden sind, wobei die achte Fluidleitung (F8) über ein achtes Ventil (V8) absperrbar ist.

110. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 108 oder 109, wobei das erste Volumen (Bl) bzw. das dritte Volumen (B3) kleiner ist als das zweite Volumen (B2) bzw. das vierte Volumen (B4).

111. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 106 bis 110, wobei der erste Verdampfer und/oder der zweite Verdampfer von HeizmittehOhren (Hl, H2) durchsetzt ist.

112. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 111, wobei die Heizmittelrohre (Hl, H2) so angeordnet sind, daß sie in Fließrichtung des Heizmittels zuerst das erste bzw. das dritte Volumen (Bl, B3) des Verdampfers durchsetzen und in Fließrichtung des Heizmittels nachfolgend das zweite bzw. das vierte Volumen (B2, B4) des Verdampfers durchsetzen.

113. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 106 bis 112, wobei der erste Kühler (Kl) und/oder der zweite Kühler (K2) von Kühlmittelrohren (Rl, R2) durchsetzt ist.

114. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 106 bis 113, wobei der erste Verdampfer und/oder der zweite Verdampfer zumindest teilweise mit einer zu verdampfenden Flüssigkeit befüllt sind.

115. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 114, wobei das zweite bzw. das vierte Volumen (B2, B4) vollständig mit der Flüssigkeit befüllt sind und das erste bzw. das dritte Volumen (Bl, B3) nur teilweise mit der Flüssigkeit befüllt sind.

116. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 114 oder 115, wobei die Flüssigkeit Wasser oder ein ORC-Medium ist.

117. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 114 bis 116, wobei der erste bzw. der zweite Kühler (Kl, K2) angepaßt ist, daß die verdampfte Flüssigkeit in dem Kühler wieder kondensiert.

118. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 106 bis 117, umfassend

(a) Erhitzen einer Flüssigkeit in einem Verdampfer, so daß die Flüssigkeit verdampft,

(b) Betreiben einer Maschine mit der verdampften Flüssigkeit,

(c) Kondensieren der verdampften Flüssigkeit in einem Kühler, und

(d) Zurückleiten der kondensierten Flüssigkeit in den Verdampfer, wobei der Kühler oberhalb des Verdampfers angeordnet ist, so daß die kondensierte Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft in den Verdampfer zurückströmt.

119. Verfahren nach Anspruch 118, wobei in Schritt (a) der Verdampfer mittels zumindest eines ersten Ventils von der Maschine abgetrennt ist und wobei das erste Ventil in Schritt (b) geöffnet wird.

120. Verfahren nach Anspruch 118 oder 119, wobei in Schritt (c) der Kühler mittels zumindest eines zweiten Ventils von dem Verdampfer abgetrennt ist und wobei das zweite Ventil in Schritt (d) geöffnet wird.

121. Verfahren nach einem der Ansprüche 118 bis 120, wobei der Verdampfer ein erstes Volumen und ein zweites Volumen aufweist, die miteinander über eine Fluidleitung verbunden sind, und wobei in Schritt (d) das erste Volumen von dem zweiten Volumen mittels zumindest eines dritten Ventils getrennt wird.

122. Verfahren nach einem der Ansprüche 118 bis 121, wobei als Flüssigkeit Wasser oder ein ORC -Medium verwendet wird.

123. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 106 bis 117, umfassend (a) Erhitzen einer Flüssigkeit in einem ersten Verdampfer und in einem zweiten Verdampfer, so daß die Flüssigkeit verdampft,

(b) Betreiben einer Maschine mit der verdampften Flüssigkeit,

(c) Kondensieren der verdampften Flüssigkeit in einem ersten Kühler und in einem zweiten Kühler, und

(d) Zurückleiten der kondensierten Flüssigkeit in den ersten Verdampfer und in den zweiten Verdampfer, wobei der erste Kühler oberhalb des ersten Verdampfers und der zweite Kühler oberhalb des zweiten Verdampfers angeordnet ist, so daß die kondensierte Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft in den ersten Verdampfer und in den zweiten Verdampfer zurückströmt.

124. Verfahren nach Anspruch 123, wobei der erste Verdampfer und der zweite Verdampfer zueinander versetzt getaktet sind, so daß die Maschine abwechselnd mit verdampfter Flüssigkeit aus dem ersten Verdampfer und aus dem zweiten Verdampfer betrieben wird.

125. Verfahren nach Anspruch 123 oder 124, wobei die verdampfte Flüssigkeit aus dem ersten Verdampfer in den ersten Kühler und die verdampfte Flüssigkeit aus dem zweiten Verdampfer in den zweiten Kühler geleitet wird.

126. Verfahren nach Anspruch 123 oder 124, wobei die verdampfte Flüssigkeit aus dem ersten Verdampfer in den zweiten Kühler und die verdampfte Flüssigkeit aus dem zweiten Verdampfer in den ersten Kühler geleitet wird.

127. Verfahren nach einem der Ansprüche 123 bis 126, wobei als Flüssigkeit Wasser oder ein ORC-Medium verwendet wird.