EP2526281A2 - Anordnung zum umwandeln von thermischer in motorische energie - Google Patents

Anordnung zum umwandeln von thermischer in motorische energie

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EP2526281A2
EP2526281A2 EP11708687A EP11708687A EP2526281A2 EP 2526281 A2 EP2526281 A2 EP 2526281A2 EP 11708687 A EP11708687 A EP 11708687A EP 11708687 A EP11708687 A EP 11708687A EP 2526281 A2 EP2526281 A2 EP 2526281A2
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EP
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piston
arrangement according
cylinder
fluid
double
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Withdrawn
Application number
EP11708687A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Stock
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Original Assignee
Individual
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Publication of EP2526281A2 publication Critical patent/EP2526281A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F01K27/005—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for by means of hydraulic motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/02—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for the fluid remaining in the liquid phase
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for converting thermal into motor energy with at least two pressure vessels, each having at least one upper injection opening for a hot and / or cold fluid, and each having a coupled with a working cycle liquid piston pump within the pressure vessel.
  • DE 197 19 190 A1 discloses an arrangement for converting thermal into electrical energy, which consists of a working cycle with a working fluid for driving a turbomachine and a plurality of alternately flowed through by a cold and warm medium heat exchangers.
  • a working cycle with a working fluid for driving a turbomachine and a plurality of alternately flowed through by a cold and warm medium heat exchangers.
  • an expansion element which expands and contracts as a function of the temperature of the medium is arranged, the temperature-related expansions and contractions of which are fed to the working cycle via a buffer reservoir.
  • a heat exchanger designed as a buffer memory is associated with each heat exchanger, wherein each spring is connected to the piston of a pressure cylinder, whose working space is connected via controllable valves via suction and pressure lines with a working oil circuit that drives a turbine with a generator.
  • a gas expansion element for an arrangement for converting thermal into motor energy in particular for a hot water engine, consisting of a filled with a gas or gas mixture closed pressure vessel, which is operatively connected via a displaceable piston with the arrangement , known.
  • the pressure vessel has an upper injection opening for hot and cold water and a lower water drainage opening.
  • the hot water engine each comprises groups of two pressure vessels with associated liquid piston pumps, which act on a working cycle of a water turbine. During a first cycle process is in the first
  • Pressure vessel a warm, expanding gas or gas mixture is present and the second pressure vessel contains a cold, contracting gas or gas mixture.
  • the gas or gas mixture of the first pressure vessel is cooled by injecting cold water and the gas or gas mixture of the second
  • the entire still containing hot water gas mixture is rinsed in the first pressure vessel with cold water until the temperature in this pressure vessel is returned to an initial level.
  • the remaining heat energy is lost.
  • DE 102 09 998 A1 discloses a gas expansion An element for an arrangement for converting thermal into motor energy, consisting of a filled with a gas mixture closed pressure vessel, which is operatively connected via a liquid piston with the arrangement and respectively an upper injection port for hot water and cold water and a lower connected to a working circuit Wasserablaüf ⁇ réelle having.
  • the liquid piston is provided within the pressure vessel and floats on the pressurized surface of the liquid piston acted upon by the gas or gas mixture pressure-resistant separation layer.
  • a gas expansion element is also known from US 3,608,311 AI.
  • the liquid piston is in each case via an opening with a flow and a return of a working circuit and with the injection openings for hot and cold water in combination.
  • the object is achieved in that the working cycle via a separation device with the Liquid piston pump is in flow communication, so that both a thermal and a material separation is given. Due to this measure, it is possible to select the optimal medium for the working cycle and the liquid piston pump.
  • the working cycle is a motor which is particularly suitable for driving a generator via a gear and whose essential property is to convert the hydraulic energy of the liquid piston pump into mechanical work.
  • the material separation and the selection of different fluids With the material separation and the selection of different fluids, the increase in the efficiency of the entire arrangement is accompanied, the efficiency is further increased by the fact that a thermal separation is realized by the separation device.
  • the separation device can be configured as desired, wherein only the transmission of the movement of the liquid piston of the liquid piston pump has to be realized on the corresponding circulating work cycle.
  • the separation device may for example also be realized by an impermeable vibration membrane.
  • ORC working media which are adapted to the temperature and pressure characteristics of the Organic Rankine Cycle cycle.
  • ORC working media are well known to those skilled in the art and are continuously enriched by new developments.
  • the separation device is designed as a double piston cylinder downstream of each pressure vessel on the outlet side.
  • the piston rod are the fluids separated and the fluid on the side of the liquid piston pump is spaced from the working circuit, which is associated with a significant thermal separation.
  • the heat transfer through the cylinder wall is left unconsidered in this case, since it is relatively small and assumes a stable state after a short time. Heat transfer to the environment can be minimized by simply insulating the cylinder.
  • Due to the two pistons guided in the double-piston cylinder, a material separation of the fluids used is accomplished by simple means. For example, water can be used in the area of the pressure vessel and thus of the liquid piston pump and oil in the working cycle.
  • a valve is arranged between the pressure vessel and the double piston cylinder.
  • the valve ensures that in the open state, a pressure of the liquid piston propagates into the double piston cylinder and moves the piston to create a flow in the working circuit. With a closed valve, the duck transfer from the working circuit to the liquid piston is prevented, which may be necessary, for example, during maintenance work.
  • the double-piston cylinder has a drain for leakage.
  • a slight leakage of the piston or piston rings on an inner wall of the double-piston cylinder with a corresponding transfer of fluid into the region of the piston rod connecting the two pistons can not be completely prevented. This leakage is eliminated by a corresponding discharge from the double piston cylinder. directed and does not interfere with the operation of the double piston cylinder.
  • the object underlying the invention is in an arrangement for converting thermal into motor energy with at least two pressure vessels, each having at least one upper injection port for a hot and / or cold fluid, and each with a coupled to a working cycle liquid piston pump within the pressure vessel alternatively achieved in that the liquid piston pump cooperates with a double-acting piston in a first cylinder which is connected via a piston rod with a double-acting piston in a second cylinder.
  • Piston-cylinder assembly reduces the energy that must be supplied to the assembly from the outside and essentially intercepts pressure spikes within the assembly resulting from the feeding of hot water into the steam circuit impinging the pressure vessels and the liquid piston pumps.
  • the first cylinder is connected on one side of the piston via a compressed air line with a Windkessel and on the other side with the liquid piston pump and at least one reservoir for the fluid.
  • the compressed air which is required for the entire valve control and to increase the boost pressure of the arrangement, generated by a pressure transmission through the not used for operating the working cycle fluid.
  • the second cylinder is connected on one side of the piston with the heating device for the fluid and on the other side by a pressurized gas, in particular I nertgas, acted upon.
  • a pressurized gas in particular I nertgas
  • the sides of the pistons, which are charged with fluid correspond to each other.
  • the working circuit is filled with a working fluid, which in particular has a higher viscosity than the fluid.
  • the relatively high viscosity of the fluid in the working cycle has a favorable effect on the drive of an existing there motor.
  • a hydraulic motor connected to a generator is inserted in the working cycle.
  • the hydraulic motor is designed in particular as a geared motor and is rotated by the flow of the working circuit in order to drive the generator.
  • the fluid is water or a pentane, toluene or silicone oil-containing organic substance.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • the working fluid is oil.
  • a short-circuit pipeline with at least one controllable valve for pressure equalization between the pressure vessels after performing the work of the gas is provided according to an advantageous development of the inventive idea between two pressure vessels.
  • a pressure difference which is due to the hot gas of a pressure vessel and the cold gas of the other pressure vessel.
  • With the pressure equalization takes place a heat flow, whereby the remaining heat energy in the one pressure vessel for heating the gas of the other
  • Pressure vessel is used to an equilibrium temperature. At the same time, the amount of gas in the pressure vessel increases with the expanding gas, thus increasing the pressure
  • the arrangement comprises two pressure vessels 1, 2, each having an upper injection port 3 for hot water and an upper injection port 4 for cold water and at its lower ends a connecting piece 5 for connection to a working circuit 6.
  • the hot water injection port 4 communicates with a heater 8 via a pipe 7, and the cold water injection port 4 communicates with a cooler 10 via a pipe 9.
  • each pressure vessel 1, 2 has a bore 12 provided with a horizontal wall 13. Above the wall 13, the inert gas and below the wall 13, the liquid piston pump 11 is present. In the bore 12 of the wall 13, a float valve is used, which projects into the region of the liquid piston pump 11 in order to limit its level.
  • each pressure vessel 1, 2 is connected on the one hand with the interposition of a valve 14 and a downstream double-piston 15 with the working circuit 6 and the other with the interposition of check valves 16 with a double-acting piston 17 in a first cylinder 18 which is connected via a col - 19 is connected to a double-acting piston 20 in a second cylinder 21.
  • the first cylinder 18 is connected on the side of the piston 17, which is coupled to the connecting piece 5, via a check valve 22 with a first reservoir 23 for a fluid 29, which in the present case is formed as water, which via a compressed gas line 24 with a Gas tank 25 for an inert gas 26 is in communication.
  • the first storage tank 23 is coupled to a second storage tank 27 for the fluid 29, which is likewise acted upon by the inert gas 26 and which communicates via pipelines 28 with the connecting piece 5 and with the cooling device 10 in order to increase the boost pressure ,
  • the first cylinder 18 is connected to the connecting piece 5 opposite side of the piston 17 for generating compressed air for the pneumatic components of the assembly via a compressed air line 30 to a wind chamber 31, wherein the compressed air line 30 an inlet 32 for the supply of air from the environment.
  • the second cylinder 21 is valve-controlled on the side facing the first cylinder 18 side of the piston 20 via fluid id 33 connected to the heater 8 and acted on the opposite side of the piston 20 with the inert gas 26, to which the second cylinder 21 via the compressed gas line 24th is in communication with both the gas container 25 and the storage containers 23, 27.
  • the pressure vessels 1, 2 with the working circuit 6 coupling double piston 15 are components of a separation device 34, both a thermal as Also causes a material separation of the media of the working circuit 6 and the liquid piston pump 11 and yet transmits the work performed by the liquid piston pump 11 work on the working circuit 6, which is filled with in a tank 35 vorratetem oil.
  • a hydraulic motor 36 is used in the working circuit 6, a hydraulic motor 36.
  • a pressure equalization between the pressure vessels 1 and 2 takes place initially valve-controlled via a short-circuit pipeline 38.
  • Injecting warm fluid 29 into the pressure vessel 2 causes the inert gas 26 present in this pressure vessel 2 to expand, displacing the displaceable piston of the liquid piston pump 11.
  • a pressure whose utilization in the working circuit 6 is not sensible technically, is used to drive the pistons 17, 20 in the first Zy ⁇ linder 17 and the second cylinder 20 to produce on the one hand compressed air and on the other hand, the fluid 29 heated to the Effect of the inert gas 26 to relax.
  • the double piston cylinder 15 for the displacement of its double piston 39 is just ⁇ if pressurized. Due to the stroke of the double piston 39, the oil in the working circuit 6 is set in motion to drive the hydraulic motor 36 in order to perform rotational work.
  • fluid 29 is ejected, which is conducted via the bore 12 into the liquid piston pump 11.
  • Cooling device 37

Abstract

Eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie umfasst mindestens zwei Druckbehälter (1, 2), die jeweils mindestens eine obere Einspritzöffnung (3, 4) für ein warmes und/oder kaltes Fluid (29) aufweisen, und jeweils eine mit einem Arbeitskreislauf (6) gekoppelte Flüssigkolbenpumpe (11) innerhalb der Druckbehälter (1, 2). Der Arbeitskreislauf (6) steht über eine Trennungseinrichtung (34) mit der Flüssigkolbenpumpe (11) in Strömungsverbindung, damit sowohl eine thermische als auch eine stoffliche Trennung gegeben ist.

Description

Anordnung zum Umwandeln von
thermischer in motorische Energie
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie mit mindestens zwei Druckbehältern, die jeweils mindestens eine obere Ein- spritzöffnung für ein warmes und/oder kaltes Fluid aufweisen, und mit jeweils einer mit einem Arbeitskreislauf gekoppelten Flüssigkolbenpumpe innerhalb der Druckbehälter.
Die DE 197 19 190 AI offenbart eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in elektrische Energie, die aus einem Arbeitskreislauf mit einem Arbeitsfluid zum Antrieb einer Strömungsmaschine und aus einer Vielzahl von abwechselnd von einem kalten und warmen Medium durchströmten Wärmetauschern besteht. In den Wärmetauschern ist jeweils ein sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums ausdehnendes und zusammenziehendes Ausdehnungselement angeordnet, dessen temperaturbedingte Ausdehnungen und Kontraktionen über einen Puffer-Speicher dem Arbeitskreislauf zugeführt werden. Zur Speicherung einer Kraft ist jedem Wärmetauscher ein als Feder ausgebildeter Puffer-Speicher zugeordnet, wobei jede Feder mit dem Kolben eines Druckzylinders verbunden ist, dessen Arbeitsraum jeweils über steuerbare Ventile über Saug- und Druckleitungen mit einem Arbeits-Ölkreislauf verbunden ist, der eine Turbine mit einem Generator antreibt.
Im Weiteren ist aus der WO 00/53898 ein Gasausdehnungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, insbesondere für einen Warmwassermotor, bestehend aus einem mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllten geschlossenen Druckbehälter, der über einen verschiebbaren Kolben mit der Anordnung wirksam verbunden ist, bekannt. Der Druckbehälter weist eine obere Einspritzöffnung für Heiß- und Kaltwasser und eine untere WasserablaufÖffnung auf. Der Warmwassermotor umfasst jeweils Zweiergruppen von Druckbehältern mit zugeordneten Flüssigkolbenpumpen, die einen Arbeitskreislauf einer Wasserturbine beaufschlagen. Während eines ersten Kreisprozesses ist in dem ersten
Druckbehälter ein warmes, expandierendes Gas oder Gasgemisch vorhanden und der zweite Druckbehälter enthält ein kaltes, kontraktierendes Gas oder Gasgemisch. Bei einem folgenden zweiten Kreisprozess wird das Gas oder Gasgemisch des ersten Druckbehälters durch Einspritzen von kaltem Wasser abgekühlt und das Gas oder Gasgemisch des zweiten
Druckbehälters durch Einspritzen von Heißwasser erwärmt, damit sich die Gasvolumina entsprechend ändern. Somit wird beispielsweise das gesamte noch Heißwasser enthaltende Gasgemisch in dem ersten Druckbehälter mit kaltem Wasser ausgespült, bis die Temperatur in diesem Druckbehälter auf eine Ausgangshöhe zurückgeführt ist. Hierbei geht die noch vorhandene Wärmeenergie verloren.
Des Weiteren offenbart die DE 102 09 998 AI ein Gasausdeh- nungselement für eine Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie, bestehend aus einem mit einem Gasgemisch gefüllten geschlossenen Druckbehälter, der über einen Flüssigkolben mit der Anordnung wirksam verbunden ist und jeweils eine obere Einspritzöffnung für Warmwasser sowie für Kaltwasser und eine untere mit einem Arbeitskreislauf verbundene WasserablaüfÖffnung aufweist. Der Flüssigkolben ist innerhalb des Druckbehälters vorgesehen und auf der druckbeaufschlagten Oberfläche des Flüssigkolbens schwimmt eine von dem Gas oder Gasgemisch beaufschlagte druckbeständige Trennschicht. Ein solches Gasausdehnungselement ist auch aus der US 3 608 311 AI bekannt. Hierbei steht der Flüssigkolben über jeweils eine Öffnung mit einem Vorlauf und einem Rücklauf eines Arbeitskreislaufes sowie mit den Einspritzöffnungen für Warm- und Kaltwasser in Verbindung. Diese Gasausdehnungselemente sind insofern nachteilig, als das bei der Zufuhr von Warmwasser expandierende Gas den Flüssigkolben nur unzureichend beaufschlagt und eine verhältnismäßig große Wärmemenge des gespritzten Warmwassers in den Flüssigkolben eingetragen wird und damit nicht mehr zur Expansion des Gases zur Verfügung steht, weshalb die Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie einen relativ geringen Wirkungsgrad aufweist .
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Wirkungsgrad aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Arbeitskreislauf über eine Trennungseinrichtung mit der Flüssigkolbenpumpe in Strömungsverbindung steht, damit sowohl eine thermische als auch eine stoffliche Trennung gegeben ist. Aufgrund dieser Maßnahme ist es möglich, für den Arbeitskreislauf und die Flüssigkolbenpumpe jeweils das optimale Medium zu wählen. Im Arbeitkreislauf befindet sich ein Motor, der insbesondere zum Antrieb eines Generators über ein Getriebe geeignet ist und dessen wesentliche Eigenschaft ist, die hydraulische Energie der Flüssigkolbenpumpe in mechanische Arbeit umzusetzen. Mit der stofflichen Trennung und der Auswahl auch unterschiedlicher Fluide geht die Erhöhung des Wirkungsgrades der gesamten Anordnung einher, wobei der Wirkungsgrad noch dadurch gesteigert wird, dass durch die Trennungseinrichtung eine thermische Trennung realisiert ist. Die Trennungseinrichtung kann beliebig ausgestaltet sein, wobei lediglich die Übertragung der Bewegung der Flüssigkolben der Flüssigkolbenpumpe auf den entsprechend zirkulierenden Arbeitkreislauf realisiert sein muss. Die Trennvorrichtung kann beispielsweise auch durch eine impermeable Schwingungsmembran realisiert sein.
Selbstverständlich kann die gesamte Anordnung mit einem o- der mehreren, so genannten ORC-Arbeitsmedien gefüllt sein, die an Temperatur- und Druckeigenschaften des Organic- Rankine-Cycle-Kreisprozesses angepasst sind. Solche Arbeitsmedien sind dem Fachmann hinreichend bekannt und werden fortlaufend durch neue Entwicklungen bereichert.
Vorzugsweise ist die Trennungseinrichtung als ein jedem Druckbehälter auslassseitig nachgeschalteter Doppelkolbenzylinder ausgebildet. Über die Kolbenstange sind die Fluide getrennt und das Fluid auf der Seite der Flüssigkolbenpumpe ist zu dem Arbeitskreislauf beabstandet, womit eine wesentliche thermische Trennung einhergeht. Die Wärmeübertragung über die Zylinderwand bleibt vorliegend unberücksichtigt, da sie verhältnismäßig gering ist und nach kurzer Zeit einen stabilen Zustand einnimmt. Die Wärmeübertragung an die Umgebung kann durch eine einfache Isolierung des Zylinders minimiert werden. Durch die beiden abgedichtet im Doppelkolbenzylinder geführten Kolben ist eine stoffliche Trennung der verwendeten Fluide mit einfachen Mitteln bewerkstelligt. Beispielsweise kann im Bereich der Druckbehälter und damit der Flüssigkolbenpumpe Wasser und im Arbeitskreislauf Öl verwendet werden.
Zweckmäßigerweise ist zwischen dem Druckbehälter und dem Doppelkolbenzylinder ein Ventil angeordnet. Das Ventil stellt sicher, dass sich im geöffneten Zustand ein Druck des Flüssigkolbens in den Doppelkolbenzylinder fortpflanzt und den Kolben bewegt, um eine Strömung im Arbeitskreislauf zu erzeugen. Bei einem geschlossenen Ventil ist die Duckübertragung aus dem Arbeitskreislauf auf den Flüssigkolben verhindert, was beispielsweise bei Wartungsarbeiten erforderlich sein kann.
In Ausgestaltung weist der Doppelkolbenzylinder einen Ab- lass für Leckage auf. Eine geringe Undichtigkeit der Kolben bzw. Kolbenringe an einer Innenwand des Doppelkolbenzylinders mit einem entsprechenden Übertritt von Fluid in den Bereich der die beiden Kolben verbindenden Kolbenstange ist nicht komplett zu verhindern. Diese Leckage wird durch einen entsprechenden Ablass aus dem Doppelkolbenzylinder ab- geleitet und wirkt sich nicht störend auf den Betrieb des Doppelkolbenzylinders aus.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einer Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie mit mindestens zwei Druckbehältern, die jeweils mindestens eine obere Einspritzöffnung für ein warmes und/oder kaltes Fluid aufweisen, und mit jeweils einer mit einem Arbeitskreislauf gekoppelten Flüssigkolbenpumpe innerhalb der Druckbehälter alternativ dadurch gelöst, dass die Flüssigkolbenpumpe mit einem doppelt wirkenden Kolben in einem ersten Zylinder zusammenwirkt, der über eine Kolbenstange mit einem doppelt wirkenden Kolben in einem zweiten Zylinder verbunden ist.
Über diese Kolben-Zylinder-Anordung wird Energie der Flüssigkolbenpumpe, die nicht zum. Antrieb des Arbeitkreislaufes dient, für weitere Funktionen, beispielsweise zum Pumpen von Fluiden, innerhalb der Anordnung genutzt, womit eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Anordnung einhergeht. Die
Kolben-Zylinder-Anordung reduziert die Energie, die der Anordnung von außen zugeführt werden muss und fängt im Wesentlichen Druckspitzen innerhalb der Anordnung ab, die bei der Einspeisung von Warmwasser in den die Druckbehälter und die Flüssigkolbenpumpen beaufschlagenden Dampfkreislauf entstehen .
Selbstverständlich ist es für den Fachmann möglich, sämtliche oder einzelne Kolben, die im Zusammenhang mit der Er- findung verwendet werden, durch eintsprechende Membranen zu ersetzen . Nach einer Weiterbildung ist der erste Zylinder auf der einen Seite des Kolbens über eine Druckluftleitung mit einem Windkessel und auf der anderen Seite mit der Flüssigkolbenpumpe und mindestens einem Vorratsbehälter für das Fluid verbunden. In dem ersten Zylinder wird die Druckluft, die für die gesamte Ventilsteuerung und zur Erhöhung des Ladedrucks der Anordnung benötigt wird, erzeugt, indem eine Druckübertragung durch das nicht zum Betrieb des Arbeitskreislaufes genutzte Fluid erfolgt.
Bevorzugt ist der zweite Zylinder auf der einen Seite des Kolbens mit der Heizeinrichtung für das Fluid verbunden und auf der anderen Seite durch ein Druckgas, insbesondere I- nertgas, beaufschlagt. Die Seite des Kolbens im zweiten Zylinder, die mit Druckgas beaufschlagt ist, korrespondiert zu der Seite des Kolbens im ersten Zylinder, die mit Druckluft beaufschlagt ist. Demzufolge entsprechen die Seiten der Kolben, die mit Fluid beaufschlagt sind, einander.
Vorteilhafterweise ist der Arbeitskreislauf mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt, die insbesondere eine höhere Viskosität als das Fluid aufweist. Die relativ hohe Viskosität des Fluids im Arbeitskreislauf wirkt sich günstig auf den Antrieb eines dort vorhandenen Motors aus. Vorzugsweise ist in den Arbeitskreislauf ein mit einem Generator verbundener Hydraulikmotor eingesetzt. Der Hydraulikmotor ist insbesondere als ein Zahnradmotor ausgebildet und wird durch die Strömung des Arbeitskreislaufes in Rotation versetzt, um den Generator anzutreiben. Bevorzugt ist das Fluid Wasser oder eine Pentan, Toluol o- der Silikonöl enthaltende organische Substanz. Solche organischen Substanzen finden im Kraftwerksbetrieb im so genannten Organic Rankine Cycle (ORC) Verwendung und haben den Vorteil, dass sie bei Umgebungsdruck bereits bei verhältnismäßig geringen Temperaturen verdampfen. Zweckmäßigerweise ist die Arbeitsflüssigkeit Öl.
Zur weitergehenden Steigerung der Leistung der Anordnung ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgedankens zwischen jeweils zwei Druckbehältern eine Kurzschlussrohrleitung mit mindestens einem steuerbaren Ventil zum Druckausgleich zwischen den Druckbehältern nach dem Verrichten der Arbeit des Gases vorgesehen. Am Ende der Arbeitsphase herrscht zwischen den beiden Druckbehältern eine Druckdifferenz, die durch das warme Gas des einen Druckbehälters und das kalte Gas des anderen Druckbehälters bedingt ist. Mit dem Druckausgleich findet eine Wärmeströmung statt, wodurch die noch vorhandene Wärmeenergie in dem einen Druckbehälter zur Erwärmung des Gases des anderen
Druckbehälters bis zu einer Ausgleichtemperatur ausgenutzt wird. Gleichzeitig steigt die Gasmenge in dem Druckbehälter mit dem expandierenden Gas, womit eine Steigerung der
Druckdifferenz zwischen den beiden Druckbehältern und damit eine Leistungserhöhung einhergeht.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung.
Die Anordnung umfasst zwei Druckbehälter 1, 2, die jeweils eine obere Einspritzöffnung 3 für warmes Wasser sowie eine obere Einspritzöffnung 4 für kaltes Wasser und an ihren unteren Enden einen Anschlussstutzen 5 zur Verbindung mit einem Arbeitskreislauf 6 aufweisen. Die Einspritzöffnung 4 für warmes Wasser steht über eine Leitung 7 mit einer Heizeinrichtung 8 und die Einspritzöffnung 4 für kaltes Wasser steht über eine Leitung 9 mit einer Kühleinrichtung 10 in Verbindung .
In jedem Druckbehälter 1, 2 ist eine Flüssigkolbenpumpe 11 ausgebildet, wozu jeder Druckbehälter 1, 2 eine mit einer Bohrung 12 versehene horizontale Wandung 13 aufweist. Oberhalb der Wandung 13 ist das inerte Gas und unterhalb der Wandung 13 die Flüssigkolbenpumpe 11 vorhanden. In die Bohrung 12 der Wandung 13 ist ein Schwimmerventil eingesetzt, das in den Bereich der Flüssigkolbenpumpe 11 ragt, um deren Füllstand zu begrenzen.
Der Anschlussstutzen 5 jedes Druckbehälters 1, 2 ist zum einen unter Zwischenschaltung eines Ventils 14 und eines nachgeordneten Doppelkolbenzylinders 15 mit dem Arbeitskreislauf 6 und zum anderen unter Zwischenschaltung von Rückschlagventilen 16 mit einem doppelt wirkenden Kolben 17 in einem ersten Zylinder 18 verbunden, der über eine Kol- benstange 19 mit einem doppelt wirkenden Kolben 20 in einem zweiten Zylinder 21 verbunden ist.
Der erste Zylinder 18 ist auf der Seite des Kolbens 17, die mit dem Anschlussstutzen 5 gekoppelt ist, über ein Rückschlagventil 22 mit einem ersten Vorratsbehälter 23 für ein Fluid 29, das vorliegend als Wasser ausgebildet ist, verbunden, der über eine Druckgasleitung 24 mit einem Gasbehälter 25 für ein Inertgas 26 in Verbindung steht. Der erste Vorratsbehälter 23 ist mit einem ebenfalls mit dem I- nertgas 26 beaufschlagten zweiten Vorratsbehälter 27 für das Fluid 29 gekoppelt, der über Rohrleitungen 28 zum einen mit dem Anschlussstutzen 5 und zum anderen mit der Kühleinrichtung 10 in Verbindung steht, um den Ladedruck zu erhöhen. Im Weiteren ist der erste Zylinder 18 auf der dem Anschlussstutzen 5 gegenüberliegenden Seite des Kolbens 17 zur Erzeugung von Druckluft für die Pneumatikbauteile der Anordnung über eine Druckluftleitung 30 mit einem Windkessel 31 verbunden, wobei die Druckluftleitung 30 einen Ein- lass 32 für die Zufuhr von Luft aus der Umgebung aufweist. Der zweite Zylinder 21 ist auf der dem ersten Zylinder 18 zugewandten Seite des Kolbens 20 ventilgesteuert über Flu- idleitungen 33 mit der Heizeinrichtung 8 gekoppelt und auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens 20 mit dem Inertgas 26 beaufschlagt, wozu der zweite Zylinder 21 über die Druckgasleitung 24 sowohl mit dem Gasbehälter 25 als auch mit den Vorratsbehältern 23, 27 in Verbindung steht.
Die die Druckbehälter 1, 2 mit dem Arbeitskreislauf 6 koppelnden Doppelkolbenzylinder 15 sind Bestandteile einer Trennungseinrichtung 34, die sowohl eine thermische als auch eine stoffliche Trennung der Medien des Arbeitskreislaufes 6 und der Flüssigkolbenpumpe 11 bewirkt und dennoch die von der Flüssigkolbenpumpe 11 geleistete Arbeit auf den Arbeitskreislauf 6 überträgt, der mit in einem Tank 35 be- vorratetem Öl befüllt ist. In den Arbeitskreislauf 6 ist ein Hydraulikmotor 36 eingesetzt.
Zu Beginn des Betriebs der Anordnung findet zunächst ventilgesteuert über eine Kurzschlussrohrleitung 38 ein Druck- ausgleich zwischen den Druckbehältern 1 und 2 statt. Das
Einspritzen von warmem Fluid 29 in den Druckbehälter 2 bewirkt ein Expandieren des in diesem Druckbehälter 2 vorhandenen Inertgases 26, durch das der verschiebbare Kolben der Flüssigkolbenpumpe 11 verlagert wird. Ein Druck, dessen Verwertung im Arbeitskreislauf 6 technisch nicht sinnvoll ist, wird zum Antrieb der Kolben 17, 20 in dem ersten Zy¬ linder 17 und dem zweiten Zylinder 20 genutzt, um zum einen Druckluft zu erzeugen und zum anderen das erwärmte Fluid 29 gegen die Wirkung des Inertgases 26 zu entspannen. Mit dem Druckanstieg in dem Druckbehälter 2 wird der Doppelkolbenzylinder 15 zur Displazierung seines Doppelkolbens 39 eben¬ falls mit Druck beaufschlagt. Durch den Hub des Doppelkolbens 39 wird das Öl im Arbeitskreislauf 6 zum Antrieb des Hydraulikmotors 36 in Bewegung gesetzt, um rotatorische Ar- beit zu verrichten. Nach dem Druckanstieg und dem nach der Kolbendisplazierung der Flüssigkolbenpumpe 11 des Druckbehälters 2 entsprechenden Druckabfall in diesem Druckbehälter 2 fällt Fluid 29 aus, das über die Bohrung 12 in die Flüssigkolbenpumpe 11 geleitet wird.
Gleichzeitig wird in der Kühleinrichtung 10 aufbereitetes kaltes Fluid 29 über die entsprechende Einspritzöffnung 4 in den Druckbehälter 1 gespritzt, das ebenfalls über die Bohrung 12 in die Flüssigkolbenpumpe 11 geleitet wird. Beim Einsprühen des kalten Fluides 29 in diesen Druckbehälter 1 kontraktiert das Inertgas 26 und verrichtet ebenfalls über den verschiebbaren Kolben der entsprechenden Flüssigkolbenpumpe 11 Arbeit, indem der entsprechende Doppelkolbenzylinder 15 ebenfalls mit Druck beaufschlagt und durch den Hub des Doppelkolbens 39 wird das Öl im Arbeitskreislauf 6 zum Antrieb des Hydraulikmotors 36 in Bewegung gesetzt. Nach der Übertragung der nutzbaren Expansions- bzw. Kontraktionsarbeit des Inertgases 29 erfolgt wiederum ein Druckausgleich zwischen den Druckbehältern 1, 2.
Bezugszeichenliste
1. Druckbehälter 28. Rohrleitungen
2. Druckbehälter 29. Fluid
3. Einspritzöffnung 30. Druckluftleitung
4. Einspritzöffnung 31. Windkessel
5. Anschlussstutzen 32. Einlass
6. Arbeitskreislauf 33. Fluidleitungen
7. Leitung 34. Trennungseinrichtung
8. Heizeinrichtung 35. Tank
9. Leitung 36. Zahnradpumpe
10. Kühleinrichtung 37.
11. Flüssigkolbenpumpe 38. Kurzschlussrohrleitung
12. Bohrung 39. Doppelkolben
13. Wandung
14. Ventil
15. Doppelkolbenzylinder
16. Rückschlagventil
17. Kolben
18. erster Zylinder
19. Kolbenstange
20. Kolben
21. zweiter Zylinder
22. Rückschlagventil
23. erster Vorratsbehälter
24. Druckgasleitung
25. Gasbehälter
26. Inertgas
27. . zweiter Vorratsbehälter

Claims

Patentansprüche
Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie mit mindestens zwei Druckbehältern (1, 2), die jeweils mindestens eine obere Einspritzöffnung (3, 4) für ein warmes und/oder kaltes Fluid (29) aufweisen, und mit jeweils einer mit einem Arbeitskreislauf (6) gekoppelten Flüssigkolbenpumpe (11) innerhalb der Druckbehälter (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskreislauf (6) über eine Trennungseinrichtung (34) mit der Flüssigkolbenpumpe (11) in Strömungsverbindung steht, damit sowohl eine thermische als auch eine stoffliche Trennung gegeben ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennungseinrichtung (34) als ein jedem
Druckbehälter (1, 2) auslassseitig nachgeschalteter Doppelkolbenzylinder (15) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Druckbehälter (1, 2) und dem Doppelkolbenzylinder (15) ein Ventil (14) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelkolbenzylinder (15) einen Ablass für Leckage aufweist.
Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkolbenpumpe (11) mit einem doppelt wirkenden Kolben (17) in einem ersten Zylinder (18) zusammenwirkt, der über eine Kolben- Stange (19) mit einem doppelt wirkenden Kolben (20) in einem zweiten Zylinder (21) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinder (18) auf der einen Seite des Kolbens (17) über eine Druckluftleitung (30) mit einem Windkessel (31) und auf der anderen Seite mit der Flüssigkolbenpumpe (11) und mindestens einem Vorratsbehälter (23, 27) für das Fluid (29) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zylinder (21) auf der einen Seite des Kolbens (20) mit einer Heizeinrichtung (8) für das Fluid (29) verbunden und auf der anderen Seite durch ein Druckgas, insbesondere Inertgas (15), beaufschlagt ist .
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskreislauf (6) mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt ist, die insbesondere eine höhere Viskosität als das Fluid (29) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Arbeitskreislauf (6) ein mit einem Generator verbundener Hydraulikmotor (36) eingesetzt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (29) Wasser oder eine Pentan, Toluol oder Silikonöl enthaltende organische Substanz ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit Öl ist. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Druckbehältern (1, 2) eine Kurzschlussrohrleitung (38) mit min destens einem steuerbaren Ventil zum Druckausgleich zwischen den Druckbehältern (1, 2) nach dem Verricht' der Arbeit des Fluids (29) vorgesehen ist.
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