EP2668374B1 - Heat engine - Google Patents

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EP2668374B1
EP2668374B1 EP20120703950 EP12703950A EP2668374B1 EP 2668374 B1 EP2668374 B1 EP 2668374B1 EP 20120703950 EP20120703950 EP 20120703950 EP 12703950 A EP12703950 A EP 12703950A EP 2668374 B1 EP2668374 B1 EP 2668374B1
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EP
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Grant
Patent type
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cylinder
piston
pressure
heat
unit
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EP20120703950
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EP2668374A2 (en )
Inventor
Walter Loidl
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Loidl Walter
Original Assignee
Loidl Walter
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K27/00Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F01K27/005Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for by means of hydraulic motors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02Controlling, e.g. stopping or starting
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08Plants 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
    • F01K25/10Plants 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
    • F01K25/103Carbon dioxide

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, insbesondere für den Niedertemperaturbetrieb zur Verwertung von Solarwärme, Abwärme aus biologischen oder industriellen Prozessen od.dgl., mit: The present invention relates to a heat engine, especially for low temperature operation for the utilization of solar heat, waste heat from biological or industrial processes or the like, with.:
    • zumindest zwei Zylinder-Kolbeneinheiten, die jeweils ein unter einem Vorspanndruck stehendes Dehnungsfluid enthalten, welches bei einer Temperaturänderung sein Volumen ändert und so den Kolben bewegt, at least two cylinder-piston units, each containing a standing under a bias pressure expansion fluid that changes volume with changes in temperature, thus moving the piston,
    • einer Einrichtung zur individuell steuerbaren Wärmezufuhr zum Dehnungsfluid jeder Zylinder-Kolbeneinheit, und a device for individually controllable heat to the expansion fluid of each cylinder-piston unit, and
    • einer die Wärmezufuhreinrichtung steuernden Steuereinrichtung, um jedes Dehnungsfluid abwechselnd zu erwärmen und abzukühlen und dadurch die Kolben zu bewegen, a heat supply means controlling control means for each expansion fluid alternately to heat and cool, and thereby to move the pistons,
    • wobei die Kolben der Zylinder-Kolbeneinheiten von einem gemeinsamen Vorspannfluid beaufschlagt sind, welches darin einen Vorspanndruck auf das jeweilige Dehnungsfluid ausübt. wherein the piston of the cylinder-piston units are acted upon by a common biasing fluid therein which exerts a biasing pressure on the respective fluid elongation.
  • Eine derartige Wärmekraftmaschine ist aus der Such a heat engine is known from WO 2009/082773 WO 2009/082773 bekannt. known. Wirksame Dehnungsfluide erfordern häufig einen bestimmten Vorspanndruck, um im gewünschten Betriebstemperaturbereich einen signifikanten Dehnungskoeffizienten zeigen. Effective expansion fluids frequently require a certain bias pressure to show the desired operating temperature range a significant expansion coefficient. Ein Beispiel dafür ist flüssiges Kohlendioxid, welches unter einem Druck von ca. 60 - 70 bar bei einer Erwärmung von 20°C auf 30°C sein Volumen um das etwa 2,2-fache ändert. An example of this is liquid carbon dioxide, which under a pressure of about 60 - 70 bar changes its volume when heated from 20 ° C to 30 ° C by about 2.2 times.
  • Bei der aus der When out of the WO 2009/082773 WO 2009/082773 bekannten Wärmekraftmaschine errichtet das gemeinsame Vorspannfluid einen gemeinsamen, einheitlichen Vorspanndruck in allen Zylinder-Kolbeneinheiten, indem jene Zylinderräume, welche den Zylinderräumen mit den Dehnungsfluiden gegenüberliegen, direkt miteinander strömungsverbunden sind. known heat engine built the common biasing fluid a common, uniform bias pressure in all cylinder-piston units, by are those cylinder spaces, which are opposed to the cylinder spaces by the strain fluids directly fluidically connected. Das gemeinsame Vorspannfluid erreicht eine variable, dynamische Kopplung der Zylinder-Kolbeneinheiten. The common biasing fluid reaches a variable, dynamic coupling of the cylinder-piston units. Die Arbeit der Zylinder-Kolbeneinheiten wird bei der bekannten Konstruktion über Kolbenstangen mechanisch auf Arbeitskolben übertragen, die auf ein gemeinsames Arbeitsfluid wirken, das in einem hydraulischen Lastkreis über Rückschlagventile zirkuliert. The work of the cylinder-piston units is transmitted in the known construction through piston rods mechanically to the working piston, acting on a joint working fluid circulating in a hydraulic load circuit via check valves.
  • Die The GB 1 454 505 GB 1454505 offenbart eine Wärmekraftmaschine mit Dehnungsfluid, wobei in einer Mehrzylinder-Ausführungsform ein gemeinsames Arbeitsfluid eine Turbine antreibt und von vier Kolben in Zylinderräumen über Vorlaufventile und Rücklaufventile gespeist wird; discloses a heat engine having expansion fluid, in a multi-cylinder embodiment, a common working fluid drives a turbine and is fed by four pistons in cylinder spaces via flow valves and return valves; ein Federkolben hält dabei einen Mindestdruck am Ausgang der Last aufrecht, um die Kolben zurückzubewegen. a piston spring keeps it maintains a minimum pressure at the outlet of the load, to return the piston.
  • Aus der From the WO 03/081011 Al WO 03/081011 Al ist eine ähnliche Mehrzylinder-Wärmekraftmaschine mit Dehnungsfluid bekannt, mit einem über Rückschlagventile von den Arbeitszylindern ausgekoppelten Arbeitsfluid, dessen Druck im Lastkreis auf der Eingangsseite 207 bar (3000 psi) und auf der Ausgangsseite 17 bar (250 psi) beträgt, um eine Rückholwirkung auf die Zylinder auszuüben. is a similar multi-cylinder heat engine with expansion fluid known, with a coupled out via check valves of the working cylinders working fluid whose pressure in the load circuit on the input side 207 bar (3000 psi) and on the output side 17 (250 psi) bar to provide a return action on the exercise cylinders.
  • Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die Auskopplung der Arbeit aus den Zylinder-Kolbeneinheiten einer Wärmekraftmaschine der einleitend genannten Art zu vereinfachen und damit auch ihren Wirkungsgrad weiter zu erhöhen. The invention has the aim to simplify the extraction of labor from the cylinder-piston units of a heat engine of the aforementioned type and also to increase its efficiency further.
    Dieses Ziel wird erfindungsgemäß mit einer Wärmekraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 erreicht. This object is inventively achieved by a heat engine having the features of independent claim 1.
  • Flüssiges Kohlendioxid eignet sich aufgrund seines hohen Wärmedehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur besonders für einen Betrieb der Wärmekraftmaschine im Niedertemperatur-bereich zur Ausnützung von Solarwärme, Abwärme aus biologischen oder industriellen Prozessen od.dgl. Liquid carbon dioxide is suitable due to its high coefficient of thermal expansion at room temperature, particularly for operation of the heat engine in the low temperature range for the exploitation of solar heat, waste heat from biological or industrial processes or the like. Darüber hinaus kann damit aus Verbrennungsprozessen anfallendes Kohlendioxid einer nutzbringenden Sekundärverwertung zugeführt werden, in der es keinen umweltschädlichen Treibhauseffekt hervorruft. In addition, thus accumulating carbon dioxide from combustion processes a beneficial secondary recovery can be fed, in which it does not cause polluting greenhouse effect. Die Wärmekraftmaschine der Erfindung leistet demgemäß auch einen Beitrag zur umweltschonenden CO 2 -Sequestrierung im Sinne eines "Carbon Dioxide Capture and Storage"-Prozesses (CSS). The heat engine of the invention makes thus also contribute to environmentally sound CO 2 sequestration in the sense of "Carbon Dioxide Capture and Storage" process (CSS).
  • Das Vorspannfluid wird dabei gleichzeitig als Arbeitsfluid eingesetzt und umgekehrt: Durch Errichtung zweier Druckniveaus im Vorspannfluid, die über die genannten Rückschlagventile bei der Ausfahrbewegung (hoher Druck) und Einfahrbewegung (niederer Druck) der Kolben voneinander separiert sind, kann eine Druckdifferenz erhalten werden, welche direkt für den Antrieb einer hydraulischen Last verwendet und dort in mechanische Arbeit umgesetzt werden kann. The biasing fluid is in this case simultaneously used as a working fluid, and vice versa, through the construction of two pressure levels in the biasing fluid via the said non-return valves at the extension movement (high pressure) and retraction (low pressure) of the piston are separated from each other, a pressure difference can be obtained, which is directly used for driving a hydraulic load, and can be converted there into mechanical work. Die Steuerung der Erwärm- und Abkühlphasen in Abhängigkeit von dem gemessenen Ausgangsdruck der hydraulischen Last gewährleistet, dass der Vorspanndruck auch auf seinem niederen Druckniveau jedenfalls den erforderlichen Mindest-Vorspanndruck für den Betrieb des Dehnungsfluids erreicht. The control of the rate of heating and cooling phases in response to the measured output pressure of the hydraulic load ensures that the biasing pressure in any case also achieved on his lower pressure level to the minimum required preload pressure for the operation of the expansion fluid. Der genannte erste vorgegebene Bereich ist dazu so gewählt, dass seine untere Bereichsgrenze über dem Mindest-Vorspanndruck des Dehnungsfluids liegt. Said first predetermined range is to chosen such that its lower limit is above the minimum preload pressure of the expansion fluid.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Wärmekraftmaschine der Erfindung weist zumindest drei Zylinder-Kolbeneinheiten auf und zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinrichtung die Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten, die sich zu einem Zeitpunkt in der Erwärmphase befinden, gegenüber der Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten, welche sich zum selben Zeitpunkt in der Abkühlphase befinden, erhöht, wenn der Ausgangsdruck den vorgegebenen ersten Bereich unterschreitet, und verringert, wenn der Ausgangsdruck den vorgegebenen ersten Bereich überschreitet. A particularly advantageous embodiment of the heat engine of the invention has at least three cylinder-piston units, and is characterized in that the control means controls the number of cylinder-piston units, which are located at a time in the heating phase, with respect to the number of cylinder-piston units which are located in the cooling phase at the same time increases when the output pressure falls below the predetermined first range, and decreased when the outlet pressure exceeds the predetermined first area. Dadurch kann der Betrieb an besonders stark schwankende Umgebungsbedingungen angepasst werden. This operation can be adapted to particular highly fluctuating environmental conditions. Beispielsweise können in den temperaturschwachen Morgen- oder Abendstunden einer Solaranlage etwa gleich viele Zylinder-Kolbeneinheiten in der Erwärm- und in der Abkühlphase betrieben werden, hingegen in der Mittagshitze wenige rasch erwärmende Zylinder-Kolbeneinheiten vielen langsam abkühlenden Zylinder-Kolbeneinheiten gegenüberstehen. For example, about the same number of cylinder-piston units few quick heating cylinder-piston units can be operated in the rate of heating and the cooling phase in the temperature weak morning or evening hours of a solar system, while in the midday heat face many slow cooling cylinder-piston units.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Steuereinrichtung zur Feinjustierung auch jede einzelne Erwärm- und/oder Abkühlphasen verkürzen oder verlängern, um den Ausgangsdruck innerhalb des vorgegebenen ersten Bereichs zu halten. According to a further feature of the invention the control device can shorten or even for fine adjustment of each individual Erwärm- and / or cooling phases extended in order to maintain the output pressure within the predetermined first range.
  • Gemäß der Erfindung ist die Steuereinrichtung mit einem zweiten Druckmesser für den Druck des Vorspannfluids am Eingang der Last ausgestattet und steuert die Erwärm- und Abkühlphasen der Wärmezufuhreinrichtung auch in Abhängigkeit von dem gemessenen Eingangsdruck, um diesen innerhalb eines vorgegebenen zweiten Bereichs zu halten. According to the invention the control device is equipped with a second pressure gauge for the pressure of the biasing fluid at the input of the load and controls the Erwärm- and cooling the heat supply means in dependence on the measured inlet pressure to maintain this within a predetermined second range. Damit kann zB die Druckdifferenz für die hydraulische Last so geregelt werden, dass sie dem Druckabfall an der Last entspricht oder die in der Last umgesetzte Arbeit durch Vorgabe der Druckdifferenz gesteuert werden. Thus, the pressure difference for the hydraulic load can be controlled to, for example, to match the pressure drop at the load or the reacted in the load operation can be controlled by setting the pressure difference.
  • Auch zur Regelung des Ausgangsdrucks kann die Steuereinrichtung bevorzugt die Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten, die sich zu einem Zeitpunkt in der Erwärmphase befinden, gegenüber der Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten, welche sich zum selben Zeitpunkt in der Abkühlphase befinden, erhöhen, wenn der Eingangsdruck den vorgegebenen zweiten Bereich unterschreitet, und verringern, wenn der Eingangsdruck den vorgegebenen zweiten Bereich überschreitet. Also for controlling the output pressure of the control means may preferably, the number of cylinder-piston units, which are located at a time in the heating phase, with respect to the number of cylinder-piston units, which are located at the same time in the cooling phase, increase if the input pressure to predetermined second range below, and decrease when the input pressure exceeds the predetermined second range.
  • Zur Feinregulierung der Ausgangsdruckregelung kann die Steuereinrichtung die Erwärm- und/oder Abkühlphasen auch individuell verkürzen oder verlängern, um den Eingangsdruck innerhalb des vorgegebenen zweiten Bereichs zu halten. For fine regulation of the outlet pressure control, the control device can shorten the Erwärm- and / or cooling phases individually or lengthen to maintain the inlet pressure within the predetermined second range.
  • Da der Eingangsdruck aufgrund des Druckabfalls an der hydraulischen Last immer über dem Ausgangsdruck liegt, kann in einer vereinfachten Ausführungsform vorgesehen werden, dass der erste und der zweite Bereich gleich sind, wodurch sich eine Minimalgrenze für den Ausgangsdruck und eine Maximalgrenze für den Eingangsdruck ergibt. Since the input pressure is due to the pressure drop across the hydraulic load is always on the output pressure, can be provided in a simplified embodiment in that the first and the second region are the same, whereby a minimum limit for the outlet pressure and a maximum limit for the inlet pressure is obtained.
  • Bevorzugt werden jedoch für den Eingangsdruck und den Ausgangsdruck unterschiedliche Regelungsbereiche vorgesehen, dh der vorgegebene zweite Bereich kann überlappend, anschließend oder in einem Abstand zum ersten Bereich liegen, um individuelle Minimal- und Maximalgrenzen für die Regelung der Ein- und Ausgangsdrücke zu errichten. However, different control ranges are preferably provided for the input pressure and the output pressure, ie, the predetermined second area may overlapping, subsequently or lie at a distance to the first area to establish individual minimum and maximum limits for the control of the input and output pressures. Bevorzugt liegen die beiden Bereiche in einem Abstand voneinander. Preferably, the two portions lie at a distance from each other. Besonders bevorzugt unterscheidet sich die Untergrenze des zweiten Bereichs von der Obergrenze des ersten Bereichs um etwa den Druckabfall an der Last, so dass für die Last eine Mindest-Druckdifferenz garantiert werden kann. Particularly preferably, the lower limit of the second range of the upper limit of the first area around the pressure drop at the load, so that a minimum pressure difference can be guaranteed for the load varies.
  • Das Vorspannfluid kann an sich beliebiger Art sein, beispielsweise Druckluft. The biasing fluid can be of any type, for example compressed air. Besonders bevorzugt ist das Vorspannfluid jedoch Hydraulikflüssigkeit, was eine kraftschlüssige und zuverlässige Druckkopplung ergibt. Most preferably, however, the biasing fluid is hydraulic fluid, resulting in a non-positive and reliable pressure coupling. Bevorzugt wird dabei an den Eingang der hydraulischen Last ein erster elastischer Zwischenspeicher und/oder an deren Ausgang ein zweiter elastischer Zwischenspeicher für das Vorspannfluid angeschaltet, so dass kurzfristige Druckschwankungen bei Umschaltvorgängen oder bei steuerungsnotwendigen individuellen Verkürzungen oder Verlängerungen der Erwärm- und Abkühlphasen vorübergehend absorbiert werden können. A first elastic buffer and / or at whose output a second resilient latch for biasing fluid is preferably switched to the input of the hydraulic load, so that short-term pressure fluctuations during switching or control necessary individual truncations or extensions of the rate of heating and cooling phases can be temporarily absorbed ,
  • Die Beaufschlagung der Kolben mit dem Vorspannfluid kann auf verschiedenste Arten erfolgen, beispielsweise durch mechanische Ankopplung gesonderter hydraulischer Vorspannzylinder an die Zylinder-Kolbeneinheiten. The loading of the piston with the biasing fluid can take place in various ways, for example by mechanical coupling separate hydraulic biasing cylinder to the cylinder-piston units. Bevorzugt werden die Kolben der Zylinder-Kolbeneinheiten gleich als doppeltwirkende Kolben ausgebildet, auf deren eine Seite das Dehnungsfluid und auf deren andere Seite das Vorspannfluid einwirkt, was einen besonders einfachen Aufbau ergibt. the pistons of the cylinder-piston units are formed as double-acting piston is equal preferable on one side of the expansion fluid and on the other side of the biasing fluid is applied, which results in a particularly simple construction.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmezufuhreinrichtung für jede Zylinder-Kolbeneinheit einen von einem Wärmeträgermedium durchströmten Wärmetauscher aufweist, der mit einem von der Steuereinrichtung gesteuerten Sperrventil versehen ist. A preferred embodiment of the invention is characterized in that the heat supply means for each cylinder-piston unit has a through which flows a heat transfer medium heat exchanger which is provided with a control device controlled by the check valve. Durch einfaches Öffnen und Schließen der Sperrventile können die Zeitpunkte und Zeitdauern der Erwärmphasen vorgegeben werden, zwischen denen sich dann die Abkühlphasen ergeben. By simply opening and closing the shutoff valves, the times and durations of the Erwärmphasen can be specified between which then give the cooling phases.
  • Die Abkühlphasen können beschleunigt werden, wenn die Wärmezufuhreinrichtung bevorzugt auch eine Einrichtung zur Zwangsabkühlung der Dehnungsfluide in den Abkühlphasen umfassen. The cool-down can be accelerated when the heat supply means preferably also include means for forced cooling of the expansion fluids in the cooling phases. Zu diesem Zweck ist es besonders günstig, wenn das Wärmeträgermedium in der Erwärmphase unter Druck steht und die Zwangsabkühleinrichtung eine steuerbare Druckentspannungseinrichtung für jeden Wärmetauscher aufweist. For this purpose, it is particularly advantageous if the heat transfer medium is in the heating phase under pressure and the Zwangsabkühleinrichtung having a controllable pressure letdown means for each heat exchanger. Dadurch kann das Wärmeträgermedium gleichzeitig als Kühlmittel verwendet werden, indem es durch Druckentspannung zur Abkühlung veranlasst wird. Characterized the heat transfer medium can simultaneously be used as a refrigerant, by being induced by pressure release for cooling.
  • Bevorzugt umfasst die Druckentspannungseinrichtung einen Unterdruck-Zwischenspeicher, der über ein steuerbares Schaltventil an den Wärmtauscher anschaltbar ist, wodurch eine schlagartige Entspannung und damit besonders rasche Abkühlung erreicht werden kann. Preferably, the pressure release means comprises a vacuum buffer which is connectable via a controllable switching valve to the Wärmtauscher, whereby an abrupt relaxation and therefore particularly rapid cooling can be achieved.
  • Alternativ oder zusätzlich können die Zylinder-Kolbeneinheiten mit einer eigenen Einrichtung zur Zwangsabkühlung der Dehnungsfluide in den Abkühlphasen ausgestattet sein, welche direkt von der Bewegung ihrer Kolben gesteuert ist. Alternatively or additionally, the cylinder-piston units can be equipped with its own means for forced cooling of the expansion fluids into the cool-down, which is controlled directly by the movement of its piston. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst eine solche Zwangsabkühleinrichtung für die Zylinder-Kolbeneinheiten: According to a particularly advantageous embodiment, such a Zwangsabkühleinrichtung comprises for the cylinder-piston units:
    • eine von der Zylinder-Kolbeneinheit angetriebene Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit mit zumindest einem Zylinderraum, a shaft driven by the cylinder-piston unit auxiliary cylinder-piston unit with at least one cylinder chamber,
    • einen mit dem Dehnungsfluid in Wärmeleitungsverbindung stehenden Behälter mit einem Verdampfungsmittel, a heat conduction property in connection with the expansion fluid container with an evaporating means,
    • wobei der Behälter über zumindest ein durch die Kolbenbewegung der Zylinder-Kolbeneinheit freisteuerbares Rückschlagventil mit dem genannten einen Zylinderraum verbunden ist. wherein the container is connected at least via a freely controllable by the piston movement of the cylinder-piston unit check valve to said one cylinder chamber.
  • Durch entsprechende Steuerung des Rückschlagventils kann zB erreicht werden, dass sich bei der Erwärmung und Ausdehnung des Dehnungsfluids - bei zunächst geschlossenem Rückschlagventil - im genannten einen Hilfs-Zylinderraum zunehmend Unterdruck einstellt, während das Verdampfungsmittel im anderen Hilfs-Zylinderraum gleichzeitig komprimiert wird. By appropriate control of the check valve for example can be achieved that during the heating and expansion of the expansion fluid - sets an auxiliary cylinder chamber in said increasing pressure during the evaporation agent in the other auxiliary cylinder chamber is compressed at the same time - at first check valve is closed. Am Ende der Ausdehnungsbewegung des Dehnungsfluids wird durch entsprechende Steuerung das bis dahin geschlossene Rückschlagventil zwangsgeöffnet und das Verdampfungsmittel expandiert schlagartig in den einen Hilfs-Zylinderraum, kühlt sich dabei ab und bewirkt damit eine Zwangsabkühlung des Dehnungsfluids, die das Einfahren des Kolbens unterstützt bzw. beschleunigt. At the end of the expansion movement of the expansion fluid is forcibly opened by appropriate control of the hitherto closed check valve and the evaporating means abruptly expands in an auxiliary cylinder chamber, cools down, and thus brings about a forced cooling of the expansion fluid that supports the retraction of the piston or accelerated. Bevorzugt wird dazu vorgesehen, dass der Behälter über den anderen Zylinderraum und diesem nachgeordnet das Rückschlagventil mit dem genannten einen Zylinderraum der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit in Strömungsverbindung steht. Preferably is provided so that the container to the other cylinder chamber, and that downstream of the check valve to said one cylinder chamber of the auxiliary cylinder-piston unit is in flow communication.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird das Verdampfungsmittel bei der Einfahrbewegung des sich abkühlenden Dehnungsfluids komprimiert, bleibt bei der Ausfahrbewegung in komprimiertem Zustand und entspannt sich dann schlagartig durch das Zwangsöffnen der Rückschlagventile in der Endstellung der Ausfahrbewegung. In an alternative embodiment, the evaporation agent is compressed during the retraction of a slowing elongation fluid remains in the extension movement in a compressed state and then released abruptly by the forced opening of the check valves in the end position of the extension movement. Dazu steht der Behälter bevorzugt direkt - dh nicht über den anderen Zylinderraum - über das Rückschlagventil mit dem genannten einen Zylinderraum der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit in Strömungsverbindung. For this is the container, preferably directly - not via the other cylinder chamber - via the check valve to said one cylinder chamber of the auxiliary cylinder piston unit in flow communication.
  • Bevorzugt ist das Rückschlagventil direkt im Kolben der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit angeordnet und durch das Anschlagen des Kolbens in seiner einen Endstellung gesteuert, was einen sehr kompakten Aufbau ergibt. Preferably, the check valve is disposed directly in the piston of the auxiliary cylinder-piston unit and controlled by the abutment of the piston in its one end position, which results in a very compact structure.
  • Aus demselben Grund ist es besonders günstig, wenn jede Zylinder-Kolbeneinheit mit ihrer Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit axial zusammengebaut ist, wobei ihre Kolben über eine Kolbenstange miteinander verbunden sind. For the same reason, it is particularly favorable if each cylinder-piston unit is assembled axially with their auxiliary cylinder-piston unit, with its piston are interconnected via a piston rod.
  • Bei dieser Ausführungsform wird bevorzugt vorgesehen, dass der Behälter vom Kolben der Zylinder-Kolbeneinheit getragen und die Strömungsverbindung vom Behälter zu dem bzw. den Zylinderräumen durch die Kolbenstange verläuft, was einen sehr kompakten Aufbau und eine störungsunanfällige Integration der Zwangsabkühleinrichtung unter Verwendung einer minimalen Anzahl beweglicher Teile in den Zylinder-Kolbeneinheiten erreicht. In this embodiment, it is preferably provided that the container from the piston of the cylinder-piston unit carried and the flow connection from the container to the or to the cylinder spaces extending through the piston rod, resulting in a very compact structure and a störungsunanfällige integration of Zwangsabkühleinrichtung using a minimum number of movable parts reaches into the cylinder-piston units.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention is explained in more detail below based on illustrated in the accompanying drawings embodiments. In den Zeichnungen zeigen: In the drawings:
    • Fig. 1 Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Wärmekraftmaschine der Erfindung mit vier Zylinder-Kolbeneinheiten; a schematic diagram of a heat engine of the invention with four cylinder-piston units;
      die the Fig. 2a bis 2c FIGS. 2a to 2c Zeitdiagramme der Steuerung der Wärmezufuhreinrichtung und der sich dadurch ergebenden Kolbenbewegungen der Maschine von Time charts of the control of the heat supply means and the piston movements of the machine resulting characterized by Fig. 1 Fig. 1 ; ;
    • Fig. 3 Fig. 3 ein Blockschaltbild einer praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine mit zwei beispielhaften Zylinder-Kolbeneinheiten; a block diagram of a practical embodiment of a heat engine according to the invention with two exemplary cylinder-piston units; und and
      die the Fig. 4a und 4b FIGS. 4a and 4b Prinzipschaltbilder zweier verschiedener Ausführungsformen von Zylinder-Kolbeneinheiten mit integrierten Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheiten als Zwangsabkühleinrichtung. Block diagrams of two different embodiments of cylinder-piston units with integrated auxiliary cylinder-piston units as Zwangsabkühleinrichtung.
  • Fig. 1 Fig. 1 zeigt eine Wärmekraftmaschine 1 mit vier Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5. Jede Zylinder-Kolbeneinheit 2 - 5 hat einen Zylinder 6, in dem sich ein Kolben 7 zwischen einer eingefahrenen Stellung (gezeigt bei 2) und einer ausgefahrenen Stellung (gezeigt bei 5) bewegen kann. shows a heat engine 1 having four cylinder-piston units 2 - 5. Each cylinder-piston unit 2 - 5 includes a cylinder 6, in which a piston to move (shown at 2) (shown at 5) and an extended position between a retracted position 7 can.
  • Der Raum 6' im Zylinder 6 zur linken Seite jedes Kolbens 7 wird vollständig von einem Dehnungsfluid 8 eingenommen. The space 6 'in the cylinder 6 to the left side of each piston 7 is fully occupied by a fluid expansion. 8 Das Dehnungsfluid 8 hat einen hohen Wärmedehnungskoeffizienten und expandiert bei seiner Erwärmung, um den Kolben 7 von der eingefahrenen in die ausgefahrene Stellung zu bewegen, bzw. kontrahiert bei seiner Abkühlung, um den Kolben 7 wieder zurückzubewegen. The expansion fluid 8 has a high coefficient of thermal expansion, and expands when heated in order to move the piston 7 from the retracted to the extended position or contracts as it cools to 7 return the piston back. Im Raum 6' kann eine mechanische Rühreinrichtung (nicht gezeigt) für das Dehnungsfluid 8 angeordnet werden, um die Wärmeleitung darin zu verbessern. In the space 6, a mechanical stirring device (not shown) 'are disposed for the expansion fluid 8 in order to improve the conduction of heat therein.
  • Im gezeigten Beispiel ist das Dehnungsfluid 8 flüssiges Kohlendioxid (CO 2 ), das bei Raumtemperatur einen Verflüssigungsdruck von ca. 65 bar hat. In the example shown, the expansion fluid 8 is liquid carbon dioxide (CO 2), which has at room temperature a condensing pressure of about 65 bar. Flüssiges CO 2 zeigt im Bereich von 20°C bis 30°C eine Wärmedehnung um das etwa 2,2-fache. Liquid CO 2 is in the range from 20 ° C to 30 ° C, a thermal expansion by about 2.2 times. Anstelle von reinem flüssigem Kohlendioxid könnten auch Mischungen von flüssigem Kohlendioxid mit anderen Stoffen als Dehnungsfluid 8 verwendet werden. mixtures of liquid carbon dioxide could be used with other substances as expansion fluid 8 in place of liquid of pure carbon dioxide.
  • Um das CO 2 als Dehnungsfluid 8 in seinem flüssigen Zustand zu halten, wird der Kolben 7 mit einem Vorspanndruck größer oder gleich dem Verflüssigungsdruck in Richtung auf das Dehnungsfluid 8 beaufschlagt bzw. vorgespannt. In order to keep the CO 2 as expansion fluid 8 in its liquid state, the piston 7 is applied greater than or equal to the condensing pressure in the direction of the expansion fluid 8 with a biasing pressure or biased.
  • Der Vorspanndruck wird von einem Vorspannfluid 9 ausgeübt, das in dem Raum 6" zur rechten Seite jedes Kolbens 7, dh auf die dem Dehnungsfluid 8 abgewandte Seite jedes Kolbens 7 wirkt. Das Vorspannfluid 9 - bevorzugt ein Hydrauliköl - zirkuliert in einem allen Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 gemeinsamen Hydraulikkreis, welcher eine hydraulische Last 10 enthält. Die hydraulische Last 10 ist bei beispielsweise ein Hydraulikmotor mit einem Eingang 11' und einem Ausgang 11", der vom Vorspannfluid 9 durchströmt ist und die Druckenergie bzw. kinetische Energie des Vorspannfluids 9 in mechanische Arbeit für eine Abtriebswelle 11"' umwandelt. Zwischen dem Eingang 11' und dem Ausgang 11" der Last 10 tritt dabei ein Druckabfall Δp auf. The biasing pressure exerted by a biasing fluid 9, which to the right side of each piston 7, that acts in the space 6 "to the expansion fluid 8 facing away from side of each piston 7 the biasing fluid. 9 - preferably hydraulic oil - is circulated in an all cylinder-piston units 2 -. 5 common hydraulic circuit which includes a hydraulic load 10. the hydraulic load 10 is at, for example a hydraulic motor to an input 11 'and an output 11 ", which is flowed through by the biasing fluid 9 and the pressure energy and kinetic energy of the biasing fluid 9 in " 'transforms. between the input 11' and the output 11" mechanical work for an output shaft 11 of the load 10 there is a pressure drop Ap occurs. Anstelle eines Hydraulikmotors könnte auch jede andere Art von hydraulischer Last 10 eingesetzt werden, welche mit einem Druckgefälle Δp antreibbar ist, wie in der Technik bekannt. Instead of a hydraulic motor, any other type of hydraulic load 10 could be used, which can be driven by a pressure gradient Ap, as is known in the art.
  • Das Vorspannfluid 9 ist von den Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 über einen Satz erster Rückschlagventile 12' und eine erste Sammelleitung 13' zum Eingang 11' der Last 10 geführt, und von deren Ausgang 11" über eine zweite Sammelleitung 13" und einen Satz zweiter Rückschlagventile 12" zurück zu den Zylinderräumen 6" der Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5. Jeder einzelnen Zylinder-Kolbeneinheit 2 - 5 ist somit ein erstes, in Richtung vom Raum 6" zum Eingang 11' hin öffnendes und in umgekehrter Richtung sperrendes Rückschlagventil 12' zugeordnet, sowie ein vom Ausgang 11" zum Raum 6" hin öffnendes, in umgekehrter Richtung sperrendes zweites Rückschlagventil 12". The biasing fluid 9 is of the cylinder-piston units 2 - led 5 through a set of first check valves 12 'and a first bus line 13' to the input 11 'of the load 10, and second of the output 11 "via a second manifold 13' and a set check valves 12 "back to the cylinder spaces 6 'of the cylinder-piston units 2 - 5. Each individual cylinder-piston unit 2 - 5 is thus a first, in direction from the space 6' to the input 11 'which opens towards and blocking in the reverse direction non-return valve 12' assigned, and an opening from the output 11 'to the space 6 "out-locking in the opposite direction, second check valve 12".
  • Beim Ausfahren eines Kolbens 7 (Pfeil 14') errichtet das Vorspannfluid 9 somit über die ersten Rückschlagventile 12' und die erste Sammelleitung 13' - gleichsam als "Arbeitsfluid" - ein erstes Druckniveau p 1 am Eingang 11' der Last 10 (Eingangs-druck) . Upon extension of a piston 7 (arrow 14 ') built in the biasing fluid 9 therefore via the first check valves 12' and the first bus line 13 '- as a "working fluid" - a first pressure level p 1 at the input 11' of the load 10 (input pressure ). Beim Einfahren des Kolbens 7 (Pfeil 14") schließt das jeweilige erste Rückschlagventil 12' und öffnet das jeweilige zweite Rückschlagventil 12", so dass das um den Druckabfall Δp verringerte zweite Druckniveau p 2 vom Ausgang 11" der Last 10 ("Ausgangsdruck") über die zweite Sammelleitung 13" in die jeweilige Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 rückwirkt und das Dehnungsfluid 8 vorspannend beaufschlagt. During retraction of the piston 7 (arrow 14 ') includes respective first non-return valve 12' and the respective second non-return valve 12 opens, "so that the decreased by the pressure drop Ap second pressure level p 2" of the load 10 from the output 11 ( "initial pressure") "in the respective cylinder-piston units 2 via the second bus line 13 - acts back 5 and the expansion fluid 8 biasingly applied.
  • Der Druck des Vorspannfluids 9 in den Räumen 6" der Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 pendelt daher zwischen dem Eingangsdruck (oberen Niveau) p 1 beim Ausfahren (Pfeil 14') und dem Ausgangsdruck (unteren Niveau) p 2 beim Einfahren (Pfeil 14"). The pressure of the biasing fluid 9 in the spaces 6 'of the cylinder-piston units 2 - hence 5 oscillates between the inlet pressure (upper level) p 1 during the extension (arrow 14') and the output pressure (lower level) p 2 during retraction (arrow 14 " ). Wie später noch ausführlicher erläutert wird, wird durch entsprechende Druckmess- und Steuereinrichtungen dafür Sorge getragen, dass das untere Druckniveau, der Ausgangsdruck p 2 , des Vorspannfluids 9 in keiner Phase der Bewegung 14', 14" den notwendigen Betriebsdruck für das Vorspannfluid 9, zB den Verflüssigungdruck von flüssigem CO 2 , unterschreitet und gleichzeitig die gewünschte oder erforderliche Druckdifferenz Δp = p 1 - p 2 an der Last 10 aufrechterhalten wird. As will be explained in more detail later, is supported by corresponding pressure measuring and control means ensure that the lower pressure level, the output pressure p 2, the biasing fluid 9 in no phase of the movement 14 ', 14 "the required operating pressure for the biasing fluid 9, for example p 1 is lower than the condensing pressure of liquid CO 2, and at the same time the desired or required pressure difference Dp = - p is maintained at the load 10. 2
  • An den Eingang 11' bzw. die Sammelleitung 13' kann ein erster elastischer Zwischenspeicher 15' angeschaltet sein, beispielsweise ein Druckbehälter mit Gasfüllung und/oder mit einer elastischen Membran 15, um kurzfristige Druckschwankungen abzupuffern. can be connected to the input 11 'and the collection line 13', a first resilient latch to be turned 15 ', for example, a pressure vessel with a gas filling and / or with an elastic membrane 15 to buffer short-term pressure fluctuations. Alternativ oder zusätzlich kann auch an den Ausgang 11" bzw. die Sammelleitung 13" ein zweiter derartiger elastischer Zwischenspeicher 15" angeschaltet werden. Alternatively or in addition, also to the output 11 'or the bus line 13 ", a second such elastic buffers are turned 15".
  • Die Erwärmung der Dehnungsfluide 8 in den Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 wird mit Hilfe einer steuerbaren Wärmezufuhreinrichtung 16 - 20 veranlasst. The heating of the expansion fluid 8 in the cylinder-piston units 2 - 5 is by means of a controllable heat supply means 16 - causes 20th Die Wärmezufuhreinrichtung 16 - 20 umfasst im gezeigten Beispiel einen Wärmetauscher 16 für jede Zylinder-Kolbeneinheit 2 - 5, der das Dehnungsfluid 8 wärmeleitend kontaktiert und in dem ein Wärmeträgermedium 17 zirkuliert. The heat supply device 16 to 20 comprises in the example shown a heat exchanger 16 for each cylinder-piston unit 2 - 5, the heat-conducting fluid contacts the stretching 8 and in which circulates a heat transfer medium 17th Das Wärmeträgermedium 17 wird zB von einem Solarpanel 18 in einem Wärmeträgerkreis 19 erwärmt (Rückleitungen in The heat transfer medium 17 is, for example, by a solar panel 18 is heated (in return lines in a heat carrier circuit 19 Fig. 1 Fig. 1 zwecks Übersichtlichkeit nicht gezeigt). for clarity not shown).
  • Die Wärmetauscher 16 können von jeder in der Technik bekannten Art sein; The heat exchanger 16 may be of any known in the art; bevorzugt sind sie mit Heat-Pipes zur Förderung des Wärmeaustausches und zur raschen und gleichmäßigen Verteilung der zugeführten Wärme in den Dehnungsfluiden 8 ausgestattet. preferably they are provided with heat pipes for delivering the heat exchange and for the rapid and uniform distribution of the heat supplied in the strain fluids. 8
  • Jeder Wärmetauscher 16 ist mit einem steuerbaren Sperrventil 20 versehen. Each heat exchanger 16 is provided with a controllable shut-off valve 20th Die Sperrventile 20 werden von einer zentralen Steuereinrichtung 21 abwechselnd und intermittierend geöffnet, um jede Zylinder-Kolbeneinheit 2 - 5 abwechselnd zu erwärmen und abzukühlen, dadurch die Dehnungsfluide 8 in den Zylindern 6 abwechselnd zu expandieren und zu kontrahieren und damit letztlich die Kolben 7 hin und her zu bewegen. The check valves 20 are opened by a central control device 21 alternately and intermittently to each cylinder-piston unit 2 - 5 alternately to heat and cool, thereby expand the expansion fluid 8 in the cylinders 6 alternately and to contract and thus ultimately the piston 7 back and her to move. Die Kolbenbewegungen sind dabei über das im Hydraulikkreis 10 - 13 zirkulierende Vorspannfluid 9 synchronisiert, indem das vom Ausgang 11' über die zweiten Rückschlagventile 12" rückströmende Vorspannfluid 9 die Einfahrbewegung (Pfeil 14") mitunterstützt und zwangskoppelt. The piston movements are about in the hydraulic circuit 10 - synchronized circulating 13 biasing fluid 9 by from the output 11 'via the second check valves 12 "flowing back biasing fluid 9, the retraction movement (arrow 14" sometimes assisted) and forcibly coupled.
  • Die Steuereinrichtung 21 betätigt die Sperrventile 20 in Abhängigkeit von Messwerten des Eingangsdrucks p 1 und bevorzugt auch des Ausgangsdrucks p 2 , die sie von entsprechenden Druckmessern 22', 22" erhält, welche an die Eingänge 11', 11" bzw. deren Sammelleitungen 13', 13" angeschlossen sind. Ein erstes, primäres Regelungsziel der Steuereinrichtung 21 ist es, den Ausgangsdruck p 2 innerhalb eines ersten vorgegebenen Bereichs p 2,min , p 2,max zu halten, welcher insbesondere durch den Mindest-Vorspanndruck für das Dehnungsfluid 8 bestimmt ist, zB (temperaturabhängig) ca. 50 - 60 bar bei flüssigem Kohlendioxyd im Temperaturbereich 20 - 50 °C. Insbesondere wird die untere Grenze p 2,min des ersten Bereichs durch den erforderlichen Mindest-Vorspanndruck festgelegt. The controller 21 operates the shut-off valves 20 in response to measured values of the inlet pressure p 1 and preferably also the output pressure p 2 which they '' is that to the inputs 11, 22 ', 11 "of respective pressure gauges 22 and their manifolds 13' are connected 13 ". a first, primary control objective of controller 21 is to maintain the output pressure p 2 given within a first range p 2, min, p 2, max, which in particular determined by the minimum bias pressure for the expansion fluid 8 is is, for example (temperature dependent) 50 - 60 bar with liquid carbon dioxide in the temperature range 20 - 50 ° C in particular, the lower limit of p 2 is determined min of the first region by the required minimum initial pressure..
  • Weitere Regelungsziele der Steuereinrichtung 21 können sein, dass gleichzeitig darauf geachtet wird, dass der Eingangsdruck p 1 innerhalb eines vorgegebenen (zweiten) Bereichs p 1,min , p 1,max liegt. Other control targets of the control device 21 may be that at the same time ensure that the inlet pressure p 1 is within a predetermined (second) range p 1, min, p 1, max. Der erste und der zweite Bereich können - ident sein oder sich teilweise überlappen oder unmittelbar aneinander anschließen oder gegenseitigen Abstand haben, in welch letzterem Fall der Ausgangsdruck p 2 in einem unteren Bereich (Druckband) und der Eingangsdruck p 1 in einem oberen Bereich (Druckband) liegt. The first and second regions may - be identical or partially overlap, or directly adjoin one another or have mutual spacing, in which latter case, the output pressure p 2 at a lower portion (print tape), and the input pressure p 1 in an upper region (printing belt) lies. Mit der letztgenannten Ausführungsform kann auch eine Mindestdruckdifferenz bzw. ein Mindest-Druckabfall Δp = p 1 - p 2 an der Last 10 eingestellt werden, wenn ein solcher für den ordnungsgemäßen Betrieb der Last 10 erforderlich ist, oder die Druckdifferenz für die Last 10 wahlweise variiert werden, um zB ihren Energieumsatz vorzugeben bzw. zu steuern. With the latter embodiment, may also be a minimum pressure difference or a minimum pressure drop Ap = p 1 - p are 2 set to the load 10, if one is for the proper operation of the load 10 is required, or varying the pressure differential for the load 10 optionally are to specify, for example, their energy expenditure or control.
  • Wenn der Druckabfall Δp an der Last 10 einstellbar ist, dh die Arbeit der Last 10 gesteuert werden kann, kann die Steuereinrichtung 21 in weiteren Regelungszielen auch den Druckabfall Δp der Last 10 steuern, siehe optionale Steuerleitung e 1 . If the pressure drop Dp across the load 10 is adjustable, that is, the work of the load 10 can be controlled, the control means 21 can also control the pressure drop Ap of the load 10 in further control targets, see optional control line e. 1 Beispielsweise können die aufgrund der aktuellen Temperaturbedingungen erzielbaren Druckbereiche von Ein- und Ausgangsdruck p 1 , p 2 dazu verwendet werden, eine ausnützbare Druckdifferenz p 1 - p 2 zu berechnen und diese als Vorgabe für den Druckabfall Δp an der Last 10 einzustellen. For example, the achievable due to the current temperature conditions pressure ranges of inlet and outlet pressures p 1, p 2 used to provide an exploitable difference in pressure p 1 - p to calculate 2 and set this as a preset for the pressure drop Dp across the load 10th
  • Die genannten Regelungsziele der Steuereinrichtung 21 werden primär mit einer Steuerung der Anzahl jener Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5, welche sich zu einem bestimmten Zeitpunkt gerade in der Erwärmphase befinden, im Verhältnis zu der Anzahl jener anderen Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5, die sich zu diesem Zeitpunkt gerade in der Abkühlphase befinden, erreicht, wie nun anhand von The control targets of the control device 21 above are primarily with control of the number of those cylinder-piston units 2 - 5, which are located at a given time, especially in the heating phase, in relation to the number of those other cylinder-piston units 2 - 5, to be this time are just in the cooling phase, achieved as is now based on Fig. 2 Fig. 2 ausführlicher erläutert wird. detail is explained.
  • In den oberen Zeitdiagrammen der In the top of the time charts Fig. 2a - 2c FIG. 2a - 2c sind jeweils die Schaltsignale e 2 - e 5 der Steuereinrichtung 21 zum Öffnen der Sperrventile 20 und in den unteren Zeitdiagrammen die dadurch hervorgerufenen Bewegungen bzw. Wege S 2 - S 5 der Kolben 7 der Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 über der Zeit t aufgetragen. are respectively the switching signals e 2 - e 5 of the control device 21 to open the check valves 20 and into the lower time diagrams caused thereby movements or paths S 2 - S 5 the piston 7 of the cylinder-piston units 2 - 5 t plotted against time.
  • Fig. 2a FIG. 2a zeigt einen ersten Betriebszustand der Wärmekraftmaschine 1 für Umgebungsbedingungen, bei denen die Abkühlphase des Dehnungsfluids 8 etwa dreimal so lang ist wie die Erwärmphase, beispielsweise weil die Temperatur des Wärmeträgermediums 17 hoch ist und eine rasche Erwärmung bewirkt. shows a first operating state of the heat engine 1 for ambient conditions in which the cooling phase of the expansion fluid 8 is about three times as long as the heating phase, for example because the temperature of the heat transfer medium 17 is high and causes a rapid heating. Die Sperrventile 20 werden zyklisch jeweils für etwa ein Viertel der Hubperiode geöffnet. The check valves 20 are cyclically opened each for about a quarter of the stroke period. Wie ersichtlich, befinden sich zu einem bestimmten Zeitpunkt immer eine Zylinder-Kolbeneinheit 2 - 5 in der Erwärmphase und drei andere in der Abkühlphase, dh das Verhältnis von expandierenden Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 zu kontrahierenden Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 beträgt hier 1:3. As can be seen, located at a certain time is always a cylinder-piston unit 2 - 5 in the heating phase and three others in the cooling phase, ie the ratio of the expanding cylinder-piston units 2 - 5 for contracting the cylinder-piston units 2 - 5 is in this case 1: third
  • Fig. 2b Fig. 2b zeigt einen zweiten Betriebszustand der Wärmekraftmaschine 1, in dem die Sperrventile 20 zyklisch für jeweils eine halbe Hubperiode geöffnet werden. shows a second operating state of the thermal engine 1, in which the shut-off valves 20 are opened cyclically for each half stroke period. Das Verhältnis von Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 in der Erwärmphase zu Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 in der Abkühlphase beträgt hier 2:2, was etwa gleichlangen Aufwärm- und Abkühlphasen, zB wegen verringerter Wärmezufuhr, Rechnung trägt. The ratio of cylinder-piston units 2 - 5 in the heating phase to cylinder-piston units 2 - 5 in the cooling phase is here 2: 2, which carries approximately the same length warm-up and cool-down, eg due to reduced heat input into account.
  • Sinkt beispielsweise die Temperatur des Wärmeträgermediums 17 noch weiter ab und verlängert sich damit die Erwärmphase noch weiter, geht die Steuereinrichtung 20 in den dritten Betriebszustand von If, for example the temperature of the heat transfer medium 17 even further, and thus the heating phase even be extended further, the controller 20 goes to the third operating state of Fig. 2c Fig. 2c über, in welchem das Verhältnis von Zylinderkolbeneinheiten 2 - 5 in der Erwärmphase zu Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 in der Abkühlphase 3:1 beträgt. above, in which the ratio of cylinder-piston units 2 - 5 in the heating phase to cylinder-piston units 2 - 5 in the cooling phase 3: 1.
  • Der jeweilige Betriebszustand The operating state Fig. 2a, Fig. 2b Fig. 2a, Fig. 2b bzw. or. Fig. 2c Fig. 2c wird von der Steuerung 21 abhängig vom Ausgangsdruck p 2 (und optional auch abhängig vom Eingangsdruck p 1 ) eingestellt: Unterschreitet der Ausgangsdruck p 2 eine vorgegebene untere Grenze p 2,min seines ersten Bereichs, insbesondere den Verflüssigungsdruck des Dehnungsfluids 8 bei der aktuellen Betriebstemperatur, wird das Verhältnis von Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 in der Erwärmphase zu Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 in der Abkühlphase sukzessive erhöht, zB 1 : 3 → 2 : 2 → 3:1; is dependent on the controller 21 by the output pressure p 2 (and optionally also dependent on the input pressure p 1) adjusted: falls below the output pressure p 2 a predetermined lower limit p 2, min of its first region, in particular the condensing pressure of the expansion fluid 8 at the actual operating temperature, the ratio of cylinder-piston units 2 is - successively increased in the cooling phase 5, for example 1 - 5 in the heating phase to cylinder-piston units 2: 3 → 2: 2 → 3: 1; überschreitet der Ausgangsdruck p 2 eine vorgegebene obere Grenze p 2,max , zB den Verflüssigungsdruck plus einer Hystereseschwelle, dann wird dieses Verhältnis sukzessive reduziert, zB 3:1 → 2:2 → 1:3. exceeds the output pressure p 2 a predetermined upper limit p 2, max, for example, the condensing pressure plus a hysteresis threshold, then this ratio is successively reduced, for example 3: 1 → 2: 2 → 1: 3. Als weiteres Regelungsziel kann berücksichtigt werden, dass der Eingangsdruck p 1 innerhalb seines eigenen, zweiten Bereichs p 1,min, p 2,max liegt, oder beide Bereiche werden zusammenfallend gestaltet, dh p 1,min = p 2,min und p 1,max = p 2,max , wobei die obere Grenze p 1,max = p 2,max zB auf den maximal zulässigen Betriebsdruck der Wärmekraftmaschine angehoben wird. As another control object can be taken into account that the inlet pressure p is 1 within its own second area p 1, min, p 2, max, or both areas are designed to coincide, that is, p 1, min = p 2, min, and p is 1, max = p 2, max, the upper limit p 1, p 2 = max, max, for example, is raised to the maximum allowable operating pressure of the heat engine.
  • Bei der Verwirklichung der verschiedenen Regelungsziele der Steuereinrichtung 21 können auch entsprechende Gewichtungen und/oder Verknüpfungen zwischen den Regelungszielen vorgenommen werden. In the implementation of the various control targets of the control device 21, corresponding weights and / or links can be made between the control targets.
  • Es versteht sich, dass die erörterte Regelung auf beliebige Anzahlen von Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 erweitert werden kann, beispielsweise auf 3, 5, 6, 7, 8, 12, 24 usw. Zylinder-Kolbeneinheiten. It will be appreciated that the discussed scheme to arbitrary numbers of cylinder-piston units 2 - 5 can be extended, for example, 3, 5, 6, 7, 8, 12, 24, etc. cylinder-piston units. Je mehr Zylinder-Kolbeneinheiten zur Verfügung stehen, desto feiner abgestuft kann die Regelung erfolgen. The more cylinder-piston units are available, the finer graded the control can take place.
  • Zur Feinregulierung kann die Steuereinrichtung 21 zusätzlich jede einzelne Erwärm- oder Abkühlphase verkürzen oder verlängern, beispielsweise durch Versetzen des Beginns t 1 einer Erwärmphase und/oder des Beginns t 2 einer Abkühlphase bzw. Verändern der Dauer t 2 - t 1 . For fine adjustment, the controller 21 can additionally lengthen or shorten each of heating or cooling phase, for example by displacing the beginning t 1 of a heating phase and / or of the beginning t 2 of a cooling phase and varying the duration t 2 - t. 1 Wenn sich dabei Erwärm- bzw. Abkühlphasen verschiedener Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 kurzfristig in einem größeren oder kleineren als dem mit Hilfe der vorgenannten primären Regelung gewählten Verhältnis (1:3, 2:2, 3:1) überlappen, können entsprechende kurzfristige Druckschwankungen des Ausgangsdrucks p 2 bzw. Eingangsdrucks p 1 mit Hilfe der Zwischenspeicher 15', 15" im Hydraulikkreis 10 - 13 vorübergehend absorbiert werden. If this Erwärm- and cooling phases of various cylinder-piston units 2 - 5 in the short term selected in a greater or smaller than that with the aid of the aforementioned primary control ratio (1: 3, 2: 2, 3: 1) overlap, can related short-term pressure fluctuations the output pressure p 2 and the input pressure p 1 by means of the latches 15 ', 15 "in the hydraulic circuit 10 - will be temporarily absorbed. 13
  • An dieser Stelle sei erwähnt, dass in einer stark vereinfachten Ausführungsform der Wärmekraftmaschine 1, welche nur zwei Zylinder-Kolbeneinheiten umfasst und damit nur das einzige Verhältnis 1:1 zulässt, die Steuereinrichtung 21 auch nur die letztgenannte Feinregulierung ausführen kann, mit entsprechender Einschränkung hinsichtlich der ausnutzbaren Betriebsbedingungen. At this point it should be mentioned that in a simplified embodiment of the heat engine 1, which includes only two cylinder-piston units and so that only the single 1: 1 ratio allows the control means 21 also can perform only the last-mentioned fine adjustment, with a corresponding restriction on the exploitable operating conditions.
  • Fig. 3 Fig. 3 zeigt eine konkrete Realisierung und Weiterentwicklung der Wärmekraftmaschine 1 von shows a concrete realization and development of the heat engine 1 of Fig. 1 Fig. 1 , wobei zwecks Übersichtlichkeit nur zwei Zylinder-Kolbeneinheiten 2, 3 stellvertretend gezeigt sind und die Steuereinrichtung 21 mit ihren Mess- und Steuerleitungen nicht dargestellt ist. Wherein for the purpose of clarity, only two cylinder-piston units 2, 3 are representatively shown and the control means is not shown 21 with their measurement and control lines. Es versteht sich jedoch, dass die in However, it is understood that the in Fig. 3 Fig. 3 gezeigte Ausführungsform auf eine beliebige Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten erweitert werden kann. Embodiment shown can be extended to any number of cylinder-piston units.
  • Gemäß According to Fig. 3 Fig. 3 fördert eine Pumpe 23 Wärmeträgermedium 17, beispielsweise Refrigerant R 123 der Firma Hoechst, aus einem Vorrat 24 über eine Leitung 25 zum Solarpanel 18, von dort über die Leitung 19 und die Sperrventile 20 zu den Wärmetauschern 16, und von dort über Schaltventile 26 und eine Rückleitung 27 zurück zum Vorrat 24. In dem in promotes a pump 23 the heat transfer medium 17, such as Refrigerant R 123 from Hoechst, from a reservoir 24 via a line 25 to the solar panel 18, from there via the conduit 19 and the check valves 20 to the heat exchangers 16, and from there via switching valves 26 and a return line 27 back to 24. in the stock in Fig. 3 Fig. 3 gezeigten Betriebszustand ist gerade das rechte Sperrventil 20 geöffnet und das linke Sperrventil 20 geschlossen, sodass sich die rechte Zylinder-Kolbeneinheit 3 in der Erwärm- und Expansionsphase und die linke Zylinder-Kolbeneinheit 2 in der Abkühl- und Kontraktionsphase befindet. Operating condition shown is just opened, the right shutoff valve 20 and the left cut valve 20 is closed, so that the right cylinder-piston unit 3 in the rate of heating and expansion phase and the left cylinder-piston unit 2 is in the cooling and contraction phase.
  • Zur Beschleunigung der Abkühlphasen umfasst hier die Wärmezufuhreinrichtung 16 - 20 auch eine Einrichtung zur Zwangsabkühlung der Dehnungsfluide 8. Die Zwangsabkühleinrichtung kann beispielsweise ein optionaler Einspeisepfad 28 für nicht-erwärmtes Wärmeträgermedium 17 sein, um dieses über als Mehrwegeventil ausgebildete Sperrventile 20 in den Abkühlphasen in die Wärmetauscher 16 einzuspeisen. To accelerate the cooling phases here the heat supply device 16 includes - 20 also includes means for forced cooling of the expansion fluids 8. The Zwangsabkühleinrichtung may for example be an optional feeding path 28 for non-heated heat transfer medium 17 to this over designed as multi-way valve shut-off valves 20 in the cooling down in the heat exchanger feed sixteenth Alternativ könnten gesonderte Wärmetauscher für ein gesondertes Kühlmedium verwendet werden (nicht gezeigt). Alternatively, a separate heat exchanger could be used for a separate cooling medium (not shown).
  • Bevorzugt umfasst die Zwangsabkühleinrichtung wie gezeigt eine steuerbare Druckentspannungseinrichtung, welche nach dem Schließen des Sperrventils 20 das in einem Wärmetauscher 16 noch unter dem Förderdruck der Pumpe 23 stehende Wärmeträgermedium 17 über das Schaltventil 26 zu einem Unterdruck-Zwischenspeicher 29 hin entspannt. Preferably, the Zwangsabkühleinrichtung as shown, includes a controllable pressure relief device, which relaxes after the closing of the check valve 20, the properties in a heat exchanger 16 still under the delivery pressure of the pump 23 heat transfer medium 17 through the switching valve 26 to a vacuum latch 29 out. Der Unterdruck im Unterdruck-Zwischenspeicher 29 wird über eine Saugleitung 30 von einem Venturi-Ejektor 31 errichtet, der über eine Leitung 32 kontinuierlich von der Pumpe 23 mit Wärmeträgermedium 17 im Kreis beschickt wird. The vacuum in the vacuum buffer 29 is established via a suction line 30 of a venturi ejector 31 which is fed via a line 32, continuously from the pump 23 with heat transfer medium 17 in a circle. Durch die schlagartige Expansion des Wärmeträgermediums 17 nach dem Öffnen des Schaltventils 26 verdampft das Wärmeträgermedium 17 und kühlt dadurch das Dehnungsfluid 8 über den Wärmetauscher 16. The sudden expansion of the heat transfer medium 17 after the opening of the switching valve 26, the heat transfer medium 17 is evaporated thereby cooling the expansion fluid 8 via the heat exchanger sixteenth
  • Die The Fig. 4a und 4b FIGS. 4a and 4b zeigen jeweils eine weitere Ausführungsform einer Zwangsabkühleinrichtung für die Dehnungsfluide 8, welche alternativ oder zusätzlich zu der vorgenannten Zwangsabkühleinrichtung eingesetzt werden kann. each showing another embodiment of a Zwangsabkühleinrichtung for strain fluids 8 which can be used alternatively or additionally to the aforementioned Zwangsabkühleinrichtung. Die Zwangsabkühleinrichtung der The Zwangsabkühleinrichtung the Fig. 4a und 4b FIGS. 4a and 4b ist jeweils direkt in eine der Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 integriert, und is in each case directly into one of the cylinder-piston units 2 - 5 integrated, and Fig. 4a FIG. 4a bzw. 4b zeigt jeweils beispielhaft eine derartig ausgestattete Zylinder-Kolbeneinheit 2. and 4b, respectively showing each example of a such equipped cylinder-piston unit. 2
  • Bei der Ausführungsform von In the embodiment of Fig. 4a FIG. 4a ist die Zylinder-Kolbeneinheit 2 mit einer Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 40 zusammengebaut, welche einen Zylinder 41 und einen Kolben 42 hat. the cylinder-piston unit 2 is assembled with an auxiliary cylinder-piston unit 40, which has a cylinder 41 and a piston 42nd Der Kolben 42 der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 41 wird mechanisch zB über eine Kolbenstange 43 von der Kolbenbewegung der Zylinder-Kolbeneinheit 2 mitangetrieben. The piston 42 of the auxiliary cylinder-piston unit 41 is also driven mechanically, for example, via a piston rod 43 of the piston movement of the cylinder-piston unit. 2 Die Zylinder 6 und 41 können dazu beispielsweise direkt axial aneinander anschließend zusammengebaut sein. The cylinders 6 and 41 may be, for example, to directly axially adjacent to one another assembled.
  • In das Dehnungsfluid 8 der Zylinder-Kolbeneinheit 2 ragt in wärmeleitender Verbindung ein Behälter 44, der ein Verdampfungsmittel 45 enthält, welches in der gezeigten Betriebsstellung beispielsweise bis zu einem Niveau 45' flüssig und darüber gasförmig ist. In the expansion fluid 8 of the cylinder-piston unit 2 in heat-conducting connection protrudes a container 44, which contains an evaporation means 45, which for example up to a level 45 and liquid is gaseous in the operating position shown 'above.
  • Das Innere des Behälters 44 steht über eine - hier im Inneren der Kolbenstange 43 ausgebildete - Strömungsverbindung 46 mit einem Zylinderraum 47 der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 40 in Strömungsverbindung. The interior of the container 44 is connected via a - here in the interior of the piston rod 43 formed - flow connection 46 having a cylinder chamber 47 of the auxiliary cylinder-piston unit 40 in flow communication. Der gegenüberliegende Zylinderraum 48 der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 40 ist in der in The opposite cylinder chamber 48 of the auxiliary cylinder-piston unit 40 is in the in Fig. 4 Fig. 4 gezeigten Betriebsstellung zunächst leer, dh bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 42 bildet sich im Raum 48 zunehmender Unterdruck bzw. - soweit es die Kolbendichtungen zulassen - Vakuum aus. Operating position shown initially empty, that is, during the upward movement of the piston 42 is formed in the space 48 increases vacuum or - to the extent permitted by the piston seals - from vacuum.
  • Die beiden Räume 47 und 48 zu beiden Seiten des Kolbens 42 der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 40 stehen über ein oder mehrere Rückschlagventile 49 miteinander in Strömungsverbindung. The two spaces 47 and 48 are provided on both sides of the piston 42 of the auxiliary cylinder-piston unit 40 via one or more check valves 49 to one another in flow connection. Die Rückschlagventile 49 sind so orientiert, dass sie bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 42, wenn der Unterdruck im Raum 48 zunimmt und das Verdampfungsmittel 45 im Raum 47, in der Strömungsverbindung 46 und im Behälter 44 zunehmend komprimiert wird, geschlossen sind. The check valves 49 are oriented such that when the vacuum in the space 48 increases during the upward movement of the piston 42 and the evaporation agent 45 is increasingly compressed in the space 47 in the flow connection 46 and the container 44, are closed. Bei der Ausdehnung des Dehnungsfluids 8 wird somit das Verdampfungsmittel 45 komprimiert und unter Ansteigen des Niveaus 45' zunehmend verflüssigt, während sich gleichzeitig Unterdruck im Raum 48 einstellt. In the expansion of the expansion fluid 8 thus the evaporation is compressed and 45 'increasingly liquefied under increase of the level 45, while at the same time adjusting negative pressure in the space 48th
  • Die Rückschlagventile 49 sind nun durch die Bewegung des Kolbens 42 gesteuert, u.zw. The check valves 49 are now controlled by the movement of the piston 42, u.zw. öffnen sie zwangsweise in ihrer Sperrrichtung, wenn der Kolben 42 seine obere Einstellung erreicht. Open forced into its locking direction when the piston 42 reaches its upper setting. Beispielsweise werden sie von entsprechenden Stiften oder Hebeln aufgestoßen, mit denen sie an der inneren Stirnseite des Zylinders 41 anschlagen. For example, they will be discharged from corresponding pins or levers, with which they abut the inner end face of the cylinder 41st Dadurch werden sie geöffnet und das komprimierte, unter Druck stehende Verdampfungsmittel 45 entspannt sich schlagartig in das Vakuum des Raums 48, siehe Pfeile 50, wodurch sich das Verdampfungsmittel 45 schlagartig abkühlt. Characterized they are opened and the compressed pressurized evaporation means 45 relaxes abruptly in the vacuum of space 48, see arrows 50, whereby the evaporating means 45 cools suddenly. Über die wärmeleitende Verbindung des Behälters 44 zum Dehnungsfluid 8 wird damit auch dieses schlagartig abgekühlt und somit die Abkühlung des Dehnungsfluids 8 und die Einfahrbewegung des Kolbens 7 unterstützt und beschleunigt. Via the thermally conductive connection of the container 44 for expansion fluid 8 so that this is also accelerated abruptly cooled and supports the cooling of the expansion fluid 8 and the retraction of the piston 7 and.
  • Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 42 öffnen sich die Rückschlagventile 49 in ihrer Durchlassrichtung, so dass das Verdampfungsmittel 45 wieder aus dem Raum 48 in den Raum 47, in die Strömungsverbindung 46 und in den Behälter 44 verdrängt wird. During the downward movement of the piston 42, the check valves 49 open in their forward direction so that the evaporation agent 45 is displaced back from the space 48 into the space 47, in the flow connection 46 and into the container 44th Wenn der Kolben 42 nach Erreichen seiner unteren Stellung wieder mit seiner Aufwärtsbewegung beginnt, schließen die Rückschlagventile 49 wieder und der Prozess beginnt von neuem. When the piston 42 after reaching its lower position starts again with its upward movement, the check valves close 49 again and the process begins again. Das Komprimieren, schlagartige Entspannen (Verdampfen) und Wiederkomprimieren des Verdampfungsmittels 45 ist ein autarker, geschlossener Kreisprozess, welcher den Temperaturkreislauf des Dehnungsfluids 8 positiv unterstützt. Compressing, sudden relaxation (evaporation) and Wiederkomprimieren of the evaporation agent 45 is a self-sufficient, closed-loop process that supports the positive temperature circuit of the expansion fluid. 8
  • Die Ausführungsform von The embodiment of Fig. 4b Fig. 4b unterscheidet sich von jener von differs from that of Fig. 4a FIG. 4a dadurch, daß die Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 40 nur einen einzigen wirksamen Zylinderraum 48 hat, wogegen der Zylinderraum 47 offen oder unbenutzt ist oder zB zusätzlich mit einem Kühlmittel (nicht gezeigt) beaufschlagt werden kann. characterized in that the auxiliary cylinder-piston unit 40 has only a single active cylinder space 48, whereas the cylinder space 47 is open or unused or, for example, in addition to a coolant (not shown) may be applied. Der Behälter 44 steht hier über die Strömungsverbindung 46 und eine Umlenkung 46' derselben im Kolben 42 direkt mit dem Zylinderraum 48 in Strömungsverbindung, wobei das Rückschlagventil 49 in der Strömungsverbindung 46 zB deren Umlenkung 46' wirkt, und zwar in derselben Weise wie in The container 44 is here via the flow connection 46 and a deflection 46 'of the same in the piston 42 directly to the cylinder chamber 48 in flow communication with the check valve for example, the deflection 46 49 in the flow connection 46' acts, in the same manner as in Fig. 4a FIG. 4a : Bei der Abwärtsbewegung der Kolben 7, 42 strömt das vom letzten Zyklus im Raum 48 verbliebene Verdampfungsmittel 45 über das Rückschlagventil 49 in dessen Durchlaßrichtung zurück in den Behälter 44 und wird durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 42 komprimiert; : During the downward movement of the pistons 7, 42 flows through the compressed from the last cycle in the space 48 remaining evaporation means 45 via the check valve 49 in the forward direction back into the container 44 and by the downward movement of the piston 42; bei der Aufwärtsbewegung der Kolben 7, 42 schließt das Rückschlagventil 49 und es stellt sich wieder im Raum 48 zunehmender Unterdruck bzw. Vakuum ein, bis der Kolben 42 seine obere Stellung erreicht und das Ventil 49 zB durch einen Endanschlag (nicht gezeigt) aufgestoßen (freigesteuert) wird: Das im Raum 44 komprimierte Verdampfungsmittel 45 entspannt sich wieder schlagartig über das freigesteuerte Rückschlagventil 49 und die Umlenkung 46' in den Raum 48 (Pfeile 50), kühlt sich dabei ab und kondensiert bis zB zum Niveau 45', wodurch das Dehnungsfluid 8 zwangsabgekühlt wird, um die nun beginnende Einfahrbewegung des Kolbens 7 zu unterstützen. during the upward movement of the pistons 7, 42 the check valve closes 49 and it turns back in the space 48 increases, negative pressure or a vacuum, until the piston 42 reaches its upper position and the valve 49, for example, by an end stop (not shown) pushed (freely controlled ) is: the compressed in the space 44 evaporation means 45 relaxes again abruptly via the free-controlled non-return valve 49 and the diversion 46 'into the space 48 (arrows 50), cools down and condenses to, for example, the level 45', whereby the expansion fluid 8 zwangsabgekühlt is to support the now begins retracting movement of the piston. 7 Der Unterschied zu der Ausführungsform von The difference with the embodiment of Fig. 4a FIG. 4a besteht somit darin, dass bei der Ausführungsform von is, therefore, that in the embodiment of Fig. 4b Fig. 4b das Verdampfungsfluid 45 bei der Abwärtsbewegung der Kolben 7, 42 komprimiert wird, hingegen bei der Ausführungsform von the evaporative fluid 45 during the downward movement of the pistons 7, 42 is compressed, whereas in the embodiment of Fig. 4a FIG. 4a bei der Aufwärtsbewegung der Kolben 7, 42. during the upward movement of the piston 7, the 42nd
  • In einer (nicht dargestellten) alternativen Ausführungsform könnten die Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 40 bzw. die für diesen Kreisprozess erforderlichen Komponenten auch gesondert von der Zylinder-Kolbeneinheit 2 aufgebaut und über entsprechende Strömungsverbindungen und mechanische Kupplungen mit dieser gekoppelt werden. In a (non-shown) alternative embodiment of the auxiliary cylinder-piston unit 40 and required for this cycle components could also be constructed separately from the cylinder-piston unit 2 and are coupled thereto via respective flow connections and mechanical couplings.
  • Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten und Modifikationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen. The invention is not limited to the illustrated embodiments, but covers all variants and modifications that fall within the scope of the appended claims. So könnte beispielsweise eine größere Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten auch in mehreren Gruppen gruppenweise gleichlaufend angesteuert werden, um den Schaltungs- und Regelungsaufwand zu verringern; Thus, a greater number of cylinder-piston units could be in groups driven concurrently in several groups, for example, to reduce the switching and control effort; in diesem Fall könnten sich die Zylinder 6 einer Gleichlaufgruppe von Zylinder-Kolbeneinheiten auch einen gemeinsamen Wärmetauscher 16 und/oder ein gemeinsames Dehnungsfluid 8 teilen. in this case, the cylinder 6 of a synchronous group of cylinder-piston units may also share a common heat exchanger 16 and / or a common expansion fluid. 8

Claims (15)

  1. Heat engine (1), in particular for low-temperature operation for the utilisation of solar heat or waste heat from biological or industrial processes, with:
    at least two cylinder-piston units (2 - 5), which are configured to each contain an expansion fluid (8), which stands under a prestressing pressure and which changes its volume in the case of a change of temperature and thus moves the piston (7),
    a unit (16 - 20) for the individually controllable supply of heat to the expansion fluid (8) of each cylinder-piston unit (2 - 5), and
    a control unit (21) controlling the heat supply unit (16-19) to alternately heat and cool each expansion fluid (8) and thus move the pistons (7),
    wherein a common prestressing fluid (9) can act on the pistons (7) of all cylinder-piston units (2 - 5), which exerts a common prestressing pressure on the respective expansion fluid (8) therein,
    characterized in that the prestressing fluid (9) can be led from the cylinder-piston units (2 - 5) via first non-return valves (12') in a manner known per-se to an entrance (11') and via opposingly directed second non-return valves (12") to an exit (11") of a hydraulic load (10), in which it is subject to a pressure drop (Δp) between entrance (11') and exit (11"),
    the control means (21) comprises a first pressure gauge (22") for the pressure (p2) of the prestressing fluid (9) at the exit (11") of the load (10),
    the control means (21) comprises a second pressure gauge (22') for the pressure (p1 of the prestressing fluid (9) at the entrance (11') of the load (10),
    the control means (21) is configured to control the heating and cooling phases of the heat supply unit (16 - 20) at least according to the measured exit pressure (p2), to hold it within a predefined first range (p2,min, p2,max), and
    the control means (21) is configured to control the heating and cooling phases of the heat supply unit (16 - 20) further according to the measured entrance pressure (p1), to hold it within a predefined second range (p2,min, p2,max),
    wherein the expansion fluid (8) contains liquid carbon dioxide and the lower range limit (p2,min) of said predefined first range is higher than or equal to the condensing pressure of carbon dioxide at the operating temperature.
  2. Heat engine according to claim 1 with at least three cylinder-piston units (2 - 5), characterised in that the control unit (21) is configured to increase the number of cylinder-piston units (2 - 5) which are in the heating phase at a point in time, with respect to the number of cylinder-piston units which are in the cooling phase at the same point in time, if the exit pressure (p2) falls below the predefined first range (p2,min, p2,max) and/or the entrance pressure (p1) falls below the predefined second range (p1,min, p1,max), and to reduce said number if the exit pressure (p2) exceeds the predefined first range (p2,min, p2,max) and/or the entrance pressure exceeds the predefined second range (p1,min, p1,max).
  3. Heat engine according to claim 1 or 2, characterized in that the control unit (21) is configured to individually shorten or prolong the heating and/or cooling phases to hold the exit pressure (p2) within the predefined first range (p2,min, p2,max) and/or hold the entrance pressure (p1 within the predefined second range (p1,min, p1,max).
  4. Heat engine according to any one of the claims 1 to 3, characterised in that the first and second ranges (p2,min, p2,max; p1,min, p1,max) are the same.
  5. Heat engine according to any one of the claims 1 to 3, characterised in that the lower limit (p1,min) of the second range and the upper limit (p2,max) of the first range differ by approximately the pressure drop (Δp) at the load (10).
  6. Heat engine according to any one of the claims 1 to 5, characterised in that a first elastic intermediate storage (15') for the prestressing fluid (9) is connected to the entrance (11') of the hydraulic load (10) and/or in that a second elastic intermediate storage (15") for the prestressing fluid (9) is connected to the exit (11") of the hydraulic load (10) .
  7. Heat engine according to any one of the claims 1 to 6, characterised in that the pistons (7) are double-acting pistons, on whose one side the expansion fluid (8) and on whose other side the prestressing fluid (9) acts.
  8. Heat engine according to any one of the claims 1 to 7, characterised in that the heat supply unit (16 - 20) comprises a heat exchanger (16), through which a heat transfer medium (17) can flow through, for each cylinder-piston unit (2 - 5), which heat exchanger (16) comprises a stop valve (20) which is controllable by the control unit (21).
  9. Heat engine according to claim 8, characterised in that the heat exchangers (16) each comprise a pressure relief unit (26, 29-29), which is controlled by the control unit (21), for force-cooling the heat exchange medium (17).
  10. Heat engine according to claim 9, characterised in that the pressure relief unit (26, 29-29) comprises a low pressure intermediate storage (29), which can be connected to the heat exchanger (16) via a controllable switch valve (26).
  11. Heat engine according to any one of the claims 1 to 10, characterised in that the cylinder-piston units (2 - 5) comprise a unit (40 - 49) for force-cooling the expansion fluid (8) in the cooling phases, which are controlled by the movement of their pistons (7).
  12. Heat engine according to claim 11, characterised in that said force-cooling unit (40 - 49) comprises for each cylinder-piston unit (2 - 5):
    an auxiliary cylinder-piston unit (40) driven by the cylinder-piston unit (2 - 5) with at least one cylinder room (48),
    a container (44) thermally connected to the expansion fluid (8) with a vaporisation medium (45),
    wherein the container (44) is connected to said one cylinder room (48) via at least one non-return valve (49), which can be released by the piston movement of the cylinder-piston unit (2 - 5).
  13. Heat engine according to claim 12, characterised in that the container (44) is connected, by means of a flow-connection, to said one cylinder room (48) of the auxiliary piston unit (40) via the other cylinder room (47) and the non-return valve (49) downstream thereof.
  14. Heat engine according to claim 12 or 13, characterised in that the non-return valve (49) is arranged directly in the piston (42) of the auxiliary cylinder-piston unit (40) and is controlled by the abutment of the piston (42) in its one end position.
  15. Heat engine according to any one of the claims 12 to 14, characterised in that each cylinder-piston unit (2 - 5) is axially built together with its auxiliary cylinder-piston unit (40), wherein its pistons (7, 42) are connected via a piston rod (43), and wherein preferably the container (44) is carried by the piston (7) of the cylinder-piston unit (2 - 5).
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