NO20110250A1

NO20110250A1 - Termodynamisk syklus og varmemaskin

Info

Publication number: NO20110250A1
Application number: NO20110250A
Authority: NO
Inventors: Harald Nes Risla
Original assignee: Viking Heat Engines As
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2011-09-27
Also published as: AU2011230064A8; US20130121847A1; NZ602962A; CA2794300A1; CN102893008B; AP2012006528A0; AU2011230064A1; NO331747B1; EP2553250A1; KR20130040841A; SG184096A1; ZA201208017B; EP2553250A4; CN102893008A; WO2011119046A1; US8590302B2; MX2012011094A; EA201290949A1; IL222136A0; BR112012024307A2

Abstract

Det beskrives en framgangsmåte for varmeveksling i og arbeidsutveksling med et arbeidsfluid i en varmemaskin, eller en varmepumpe dersom framgangsmåten og dens underprosesser i det vesentlige reverseres, hvor en termodynamisk syklus for arbeidsfluidet er tilnærmet beskrevet gjennom det polytropiske forholdet pVn = konstant, hvor P er trykket, V er volumet og n er det polytropiske indekset til arbeidsfluidet med adiabatisk indeks gamma (y), og hvor maskinen består av minst en arbeidsmekanisme (1) forsynt med et første (150) og minst et andre volumendringskammer(151,151'), hvor framgangsmåten i det minste omfatter i rekkefølge følgende trinn: a) i en første volumendringsprosess å gjennomføre en første polytropisk volumendring av arbeidsfluidet i et første volumendringskammer (150), hvor n < y, og b) i en andre volumendringsprosess å gjennomføre minst en andre nær-adiabatisk eller polytropisk volumendring av arbeidsfluidet fra et første (150) til et andre (151) volumendringskammer, hvor n < y, eller hvor en volumendring starter med n < y og ender nær-adiabatisk (n « y). Det beskrives også en anordning ved en varmemaskin for utøvelse av framgangsmåten.

Description

TERMODYNAMISK SYKLUS OG VARMEMASKIN

Det beskrives en framgangsmåte for varmeveksling i og arbeidsutveksling med et arbeidsfluid i en varmemaskin, eller en varmepumpe dersom framgangsmåten og dens underprosesser i det vesentlige reverseres, hvor en termodynamisk syklus for arbeidsfluidet er tilnærmet beskrevet gjennom det polytropiske forholdet PV" = konstant, hvor P er trykket, V er volumet og n er det polytropiske indekset til arbeidsfluidet med adiabatisk indeks gamma (y), og hvor maskinen består av minst én arbeidsmekanisme forsynt med et første og minst et andre volumendringskammer.

Det beskrives også en varmemaskin til anvendelse ved utøvelse av framgangsmåten.

I den senere tid har det blitt vesentlig økt fokus på utnyttelse av fornybare energikilder. Det fins mange former for fornybar energi tilgjengelig, hvor størsteparten av den tilgjengelige, fornybare energien er i form av varme, og til syvende og sist er vann-energi, vindenergi og deler av havenergien produkter av solinnstrålingen og dermed resultater av varmeenergi eller termisk energi som er et mer formelt begrep.

Termisk energi kan utnyttes direkte, for eksempel til å varme opp vann, men generelt er det behov for å konvertere energien til en annen form som kan utnyttes til andre formål enn oppvarming. Det beste eksemplet er elektrisk energi som kan framskaffes ved hjelp av en varmeenergimaskin, også kalt varmekraftmaskin, eller enklest kalt varmemaskin, som er et mer generelt begrep. En varmemaskin er i de fleste tilfeller en mekanisk innretning som kan utnytte temperaturforskjellen mellom et varmereservoar og et kuldereservoar til å produsere mekanisk arbeid. Fra mekanisk arbeid kan det videre framskaffes energi i form av for eksempel elektrisitet.

Eksempler på varmemaskintyper er dampmaskiner, bensinmotorer, dieselmotorer, stirlingmotorer, gassturbiner og dampturbiner (også kalt Rankineturbiner, som bl.a. brukes i de fleste kullenergiverk og atomenergiverk). Det fins mange flere typer. Ben-sin- og dieselmotorer samt gassturbiner erkarakterisertsom internforbrenningsmotorer, da varmeenergien til disse skaffes ved å forbrenne drivstoff internt. Dampmaskiner og stirlingmotorer utnytter varme fra ekstern forbrenning og kalles derfor ofte eksternforbrenningsmotorer.

Begrepet eksternforbrenningsmotor kan ofte være misvisende, da varmeenergien til en såkalt eksternforbrenningsmotor like godt kan komme fra solen eller en annen form for varmekilde som ikke krever forbrenning av et drivstoff. Et annet eksempel på en varmekilde uten forbrenning er geotermisk varme eller jordvarme som det også kalles. Denne varmen ligger latent i jordskorpen eller enda dypere. Derfor kan begrepet eksternforbrenningsmotor med fordel byttes ut med eksternvarmemotor eller mo-tor med ekstern varmetilførsel, noe som er et mer dekkende begrep.

Med nye internasjonale krav til reduksjon av klimagassutslipp samt reduksjon i bruken av ikke-fornybare energikilder viser det seg et sterkt økende behov for å ta i bruk varmemaskinteknologi som kan utnytte varmen fra fornybare termiske energikilder. I denne forbindelsen er det også et voksende behov for å kunne utnytte varme ved lavere temperaturer, f.eks. fra geotermiske brønner eller solenergianlegg. En viktig ob-servasjon her er at jo lavere kildetemperaturer det er snakk om, jo mer tilgjengelig energi har man, og jo billigere er den å skaffe. Man kan dele den tilgjengelige varmeenergien inn i f.eks. to grupper definert som lavverdig og høyverdig varmeenergi, hvor lavverdig varmeenergi kan defineres som varme med temperaturnivå under det som kan utnyttes i tradisjonelle dampturbiner, som for noen teknologier starter for eksempel på ca. 150 °C, mens andre teknologier benytter temperaturer fra 300 °C. Høyver-dige varmekilder har da typisk temperaturer over dette. Ulempen med å utnytte varmeenergi ved lavere temperaturer er at det teoretiske maksimum for virkningsgraden da er lav, men så lenge man har nok energi tilgjengelig, så er dette mindre vesentlig. Likevel kan man ved å kombinere forskjellige energikilder få bedre utnyttelse av den totale, tilgjengelige energien, f.eks. ved å supplere lavverdig varmeenergi med høy-verdig varmeenergi, slik at den totale virkningsgraden blir relativt høy, uten at all varmen behøver å komme fra et "dyrt", høyverdig reservoar.

I dag fins det flere teknologier som i flere tilfeller utelukkende benytter seg av lavverdige varmeenergikilder. Eksempler på slike er stirlingmotorer og "Organic Rankine Cycle"-turbiner, såkalte ORC-turbiner. ORC-turbiner følger Rankine-syklusen akkurat som tradisjonelle dampturbiner, men istedenfor vann bruker de ofte et organisk arbeidsfluid med lavt normalkokepunkt som f.eks. pentan (koker ved 36 °C ved 1 atmo-sfæres trykk), dietyleter eller toluen, derav navneleddet "Organic". Ved å benytte et fluid med lavt kokepunkt, kan varmeenergi med temperaturer godt under 100 °C (normalkokepunktet til vann) utnyttes.

Dagens lavtemperaturteknologi har en del ulemper, noe som gir stort rom for videre forbedringer. ORC-løsninger krever for eksempel relativt avansert turbinteknologi, noe som gjør denne teknologien mindre tilgjengelig i områder hvor den tekniske eksperti-sen er lav, samt at bruken av denne teknologien medfører store kostnader. I tillegg krever ORC-anlegg store evaporatortanker, da arbeidsfluidet til ORC-turbiner ideelt sett skal fordampes fullstendig før det entrer selve turbinen, og krever da store volum for varmevekslere. Hvis ikke dette tilfredsstilles, kan man ved flere typer turbiner få bladerosjon som følge av de store kreftene som tilstedeværelse av væske i turbinen kan medføre. Hvis bladene i en turbin eroderer, vil den ødelegges. I tillegg er turbiner generelt adiabatiske, dvs. det tilføres ikke noe varme under ekspansjonen, i motsetning til f.eks. stirlingmotorer hvor det foregår nær-isotermisk (eller mer reelt polytropisk) ekspansjon. Stirling-teknologien har også flere utfordringer som har vist seg vanskelige å løse, da det stilles store krav til bl.a. materialegenskaper og varmevekslere, hvor materialer og øvrige komponenter som kreves for stirlingmotorer normalt ikke finnes som standardvarer innenfor de mest vanlige motorindustriene. Dette gjør stirlingteknologi svært kostbar, og det kreves avansert ekspertise for produksjon og vedlikehold ved bruk av denne teknologien.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste en av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe tilveie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i etterfølgende patentkrav.

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en varmemaskin og termodynamisk syklus med ekstern varmetilførsel, som i en eksternvarmemotor. Oppfinnelsen vil kunne brukes i forbindelse med energiproduksjon fra enhver tilgjengelig varmekilde med rele-vant temperaturnivå.

Oppfinnelsen utnytter prinsippet med å tilføre ekstra varme under selve ekspansjonen. En kan dermed klare seg med relativt små fysiske størrelser i forhold til ytelsen. Dette er svært gunstig med hensyn til vekt, mengde av konstruksjonsmateriale, produk-sjonskostnader etc. Det finnes mange eksempler på varmemaskiner hvor det tilføres varme under ekspansjonen. Foruten maskiner basert på stirling- eller dieselsyklusene, finner man i US-patentene 7,076,941 (Hoffman), 2009/0000294 (Misselhorn) og 4,133,172 (Cataldo) noen flere eksempler på dette. Den foreliggende oppfinnelsen søker primært å tilføre varme under ekspansjonen av et arbeidsfluid som veksler mellom væske- og gassfase (to-fase prinsippet), noe som er mindre utbredt.

I én utførelse av maskinen utnyttes to ekspansjonskamre, som kan være gitt av ar-beidsvolumene til to sylindere, til å ekspandere og tilføre varme til et arbeidsfluid som ekspanderes i og mellom disse, for så å kunne oppnå to ulike termodynamiske prosesser. Videre søker denne oppfinnelsen i en annen utførelse å utnytte både stag- og stempelside for å kunne oppnå to ulike termodynamiske prosesser i en og samme sylinder. Dette gjør at varmemaskinens størrelse kan reduseres ytterligere, da man slipper å måtte bruke to separate sylindere for de to ulike prosessene. I bl.a. US-patent 4,393,653 (Fischer) vises det en stempelbasert varmemaskin som utnytter både stag-side og stempelside til å forme to sylinderkamre. Det som skiller løsningen i US 4,393,653 fra oppfinnelsen, er at US 4,393,653 utnytter stagsiden som i en totakts-motor, hvor volumet på stagsiden brukes som en innsugspumpe, hvor luft suges inn fra omgivelsene før den presses videre inn i øvre kammer. I tillegg er omløpets ene åpning i US 4,393,653 satt av stempelets arbeidsposisjon, noe som avviker fra trek-kene i den foreliggende oppfinnelsen, hvor omløpets åpninger må være og er opprettholdt i enhver av stempelets arbeidsposisjoner. Det fins også andre eksempler som benytter seg av dette dobbeltvirkende prinsippet, men det er få som utnytter volumet "under" stempelet til ren ekspansjon. Et unntak forekommer i tradisjonelle stempelba-serte dampmaskiner, men disse følger Rankine-syklusen, noe som ikke er tilfellet for denne oppfinnelsen.

I tillegg kan varmemaskinen benytte varme fra to ulike varmereservoarer, f.eks. fra et lavverdig og et høyverdig varmereservoar som beskrevet tidligere. Publikasjonen "A Dual-Source Organic Rankine Cycle (DORC) for Improved Efficiency in Conversion of Dual Low- and Mid-Grade Heat Sources", Doty og Shevgoor, Doty Scientific 2009, gir en detaljert beskrivelse av mulige fordeler ved å utnytte et dobbelt varmereservoar i en termodynamisk syklus, som i denne publikasjonen er representert ved ORC.

Det er tilveiebrakt en karakteristisk termodynamisk syklus implementert ved en varmemaskin, hvor varmemaskinen omfatter et motorhus; en eller flere sylindersammen-stillinger som er tildannet av blant annet et stempel, alternativt en stempelstamme, veivstag, veivaksel, ventiler, fluidkanaler og tetninger; et varmeløp bestående av en eller flere rekuperatorer (regeneratorer) og minst én varmer og tilhørende ventiler; et kjøleløp bestående av minst én kjøler samt eventuelt rekuperatoren(e) som også benyttes mot varmeløpet; en injeksjonsenhet; et væskereservoar og sirkulasjonspumper for termofluider. Sylindersammenstillingen er i en enkel og konvensjonell utførelse et tosylindret arrangement med veivaksel som synkroniseringsmekanisme mellom de to stemplene, slik som i en vanlig forbrenningsmotor. Sylindrene kan videre defineres som en første og en andre sylinder, hvor det fullt ekspanderte volumet i den andre sylinderen er større enn det fullt ekspanderte volumet til den første sylinderen, enten ved at den andre sylinderen har større diameter, eller at stempelet i dette kammeret har lengre slaglengde, eller en kombinasjon av disse.

Sylindersammenstillingen er i en utførelse basert på en enkel sylinder som er delt i to kamre, hvor stempelet fungerer som bevegelig skillevegg mellom disse, og stempelet har videre tilmontert en fast stempelstamme på den ene siden. Denne siden defineres som stempelets første side og utgjør et første sylinderkammer, hvor stempelstammen på fluidtett vis er ført gjennom et første, aksielt endeparti av sylinderen. Den motsatte siden av stempelet defineres som stempelets andre side og tildanner et andre sylinderkammer. Det fullt ekspanderte volumet til det andre sylinderkammeret er større enn det fullt ekspanderte volumet til det første sylinderkammeret som følge av at stempelstammen opptar et volum i det første sylinderkammeret.

Oppfinnelsen kjennetegnes videre ved at den karakteristiske, termodynamiske syklusen består av en sekvens av termodynamiske prosesser som er implementert ved at et arbeidsfluid i varmemaskinen først ekspanderer mens det varmes i det første sylinderkammeret når stempelet er på vei opp, og hvor det videre ekspanderer fra det første sylinderkammeret og inn i det alternativt relativt adiabatiske, andre sylinderkammeret når stempelet er på vei tilbake, ved at et arbeidsfluidomløp med tilhørende ventil danner en passasje som muliggjør at det i det vesentlige hele arbeidsfluidet kan strømme fra det første og til det andre sylinderkammeret. Maskinen kjennetegnes videre ved at det første sylinderkammeret fungerer som en varmeveksler mot arbeidsfluidet slik at varme kan overføres gjennom sylinderveggen fra et termofluid i et ytre fluidløp og inn til arbeidsfluidet som befinner seg i kammeret, slik at ekstra varme kan tilføres arbeidsfluidet i ekspansjonsprosessene for dermed å oppnå en økt effektgjen-nomstrømning i maskinen. Maskinen kjennetegnes også ved at arbeid som påføres stempelet, fordeles mellom opp-slaget og ned-slaget, noe som ikke er vanlig i de fleste kjente stempelmaskiner, med unntak av tradisjonelle dampmaskiner. Dette bidrar til å fordele arbeidet som utføres av stempelet ut over et større bevegelsesområde, noe som igjen kan redusere kreftene i maskinen, idet utført arbeid (W) = kraft (F) x strekning (s), hvor strekningen (s) her er økt. De mekaniske belastningene (generert av F) vil da kunne reduseres, og enklere og billigere materialer kan benyttes. Det samme prinsippet vil gjelde for en tosylindret utførelse av maskinen.

Selv om det i beskrivelsen benyttes begreper som "opp" og "ned" i forbindelse med stempelbevegelse, er oppfinnelsen ikke begrenset til fysisk, vertikal stempelbevegelse.

"Opp" skal forstås som en retning bort fra en veivaksel tilknyttet stempelet, og "ned" betyr en retning mot veivakselen.

Oppfinnelsen muliggjør en betydelig økning i energitilførsel, og derfor uttak av arbeid per gjennomførte syklus, noe som vil bidra vesentlig til å øke effekttettheten (effekt per volum- eller masseenhet) til varmemaskinen.

Maskinen er hovedsakelig tiltenkt å arbeide i henhold til tofaseprinsippet, definert ved en termodynamisk syklus for et arbeidsfluid som veksler mellom væske- og gassfase, slik som Rankine-syklusen. Det er likevel rimelig å anta at syklusen og maskinen kan utnytte et arbeidsfluid i kun én fase, og da fortrinnsvis gassfase.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en bedre utnyttelse av temperaturnivået til varmereservoaret i forhold til for eksempel ORC, da den tiden som kreves for varmeveksling mot det høyeste temperaturnivået er mye mindre, da ekspansjonen starter på et lavere entropinivå. Dette er vist på ts-diagrammet i figur 16b. (Syklusene som vist ved kurvene i ts-diagrammene på fig. 16a og 16b følger en retning med klokka.) På figur 16a vises ts-diagrammet for en idealisert ORC-syklus, hvor den isobariske varmetilfør-selsprosessen er vist som den øvre horisontale linja, hvor prosessen avsluttes med overoppvarming inn i tørrområdet til fluidet, dvs. den lille, "avsluttende" delen av linja som peker diagonalt oppover fra den horisontale, før den faller igjen. For å kunne varmeveksle mot et fluid på et visst temperaturnivå, må varmekilden ha en betydelig høyere temperatur for å kunne oppnå en høy varmefluks. Når så et arbeidsfluid skal fordampes ved denne temperaturen, som i en ORC, betyr det enten at varmeveksler-flaten må være svært stor, eller at tiden som fluidet får stå i kontakt med flaten, er lang. Dette skyldes at ORC-maskiner benytter seg av turbiner som ekspandere, og disse kan kun ekspandere nær-adiabatisk, da de ikke har interne varmevekslere, så derfor må all varmen tilføres i forkant av ekspansjonen. I den foreliggende oppfinnelsen, derimot, utnytter man et annet termodynamisk prinsipp, nemlig at man som f.eks. i stirlingmotorer tilfører en del varme under selve ekspansjonen. Dette viser seg å kunne være svært gunstig, da ekspansjonen medfører et naturlovbestemt trykkfall og implisitt temperaturfall, noe som gjør at varmefluksen kan bli høy da temperatur-differansen mellom varmeveksleren og fluidet økes under ekspansjonen, slik at mer varme blir tilført raskere. Dette prinsippet er den viktigste årsaken til at en kan klare seg uten en evaporator, som en ellers vil være helt avhengig av i en ORC-syklus. Iføl-ge oppfinnelsen starter ekspansjonen lenge før en har nådd tørrsonen til fluidet, noe som er illustrert ved den fallende kurven på figur 16b, hvor temperaturen faller samtidig som entropien øker. Det er også i denne delen av syklusen en tar ut arbeid fra maskinen. I en ORC tar en kun ut arbeid i den adiabatiske (isentropiske) delen av syklusen, vist ved det loddrett fallende segmentet av kurven i fig. 16a.

Et fluid i væskeform pumpes fra reservoaret med lavt trykk og til varmeløpet med høyt trykk ved hjelp av injeksjonsenheten. Reservoaret kan for eksempel være et rør, en væsketank, eller en hvilken som helst annen innretning som kan inneholde en væske. Arbeidsfluidet, heretter også kalt fluidet, kan være et hvilket som helst fluid som er egnet for applikasjonen, slik som vann, pentan eller andre organiske væsker, ulike kjølemedier osv.

Injeksjonsenheten, heretter også kalt injektoren, kan være en hvilken som helst innretning som kan brukes til å pumpe et fluid fra lavt til og høyt trykk. Injektoren kan være innrettet til å pumpe fluidet i porsjoner, tilføre en regulerbar strøm med fluid eller å opprettholde et konstant trykk for fluidet ved utløpet. Ved injektorens innløp kan det være montert en tilbakeslagsventil for å unngå reversering av fluidstrømmen. Likeså kan det være montert en tilbakeslagsventil ved injektorens utløp. Injektoren kan videre være mekanisk synkronisert med varmemaskinen og laget slik at tilfør-selsmengde og injeksjonstidspunkt kan reguleres ved behov. Videre kan injektoren være innrettet til å reguleres ved hjelp av et elektronisk kontrollsystem, slik som f.eks. en motorkontrollenhet (ECU = Engine Control Unit) som brukes til motorkontroll i moderne biler.

Fra injektorens utløp pumpes fluidet inn i varmeløpet som har til formål å tilføre fluidet varmeenergi. Varmeløpet kan være designet slik at fluidet går gjennom flere steg med oppvarming ved forskjellige temperaturnivåer. I et første steg i varmeløpet kan fluidet strømme gjennom en rekuperator utformet etter kjente rekuperatorprinsipper, idet denne kan tilbakeføre noe av spillvarmen fra varmemaskinens fluidutløp. I et neste steg eller alternativt første steg i varmeløpet kan fluidet strømme videre inn i en varmer som tilfører varme fra et eksternt varmereservoar. Varmeløpet kan i tillegg inneholde flere oppvarmingssteg som utnytter varme fra forskjellige varmereservoarer samtidig, og fortrinnsvis fra varmereservoarer med høyere og sekvensielt stigende temperaturer. I denne sammenheng kan det også legges til flere rekuperatorer, som har til formål å gjenvinne restvarme ved de ulike temperaturnivåene.

Varmeløpet kan ved dets utløp være forsynt med en trykkterskelventil, slik som en sekvensventil, som har til oppgave å sørge for at trykket i varmeløpet alltid er over et visst nivå. Denne ventilen kan også være regulerbar i henhold til kjente regulerings-prinsipper slik at strømningsmengden og trykket til arbeidsfluidet som strømmer ut av varmeløpet, kan reguleres etter ulike behov. Volumet til varmeløpet kan fortrinnsvis være så stort at det alltid kan befinne seg mer arbeidsfluid inne i varmeløpet enn det som behøves for injeksjon i en syklus. Fordelen med dette er at volumet og dermed varmevekslerflatene i varmeløpet kan varieres etter behov, uten at resten av maskinens form påvirkes. Varmeløpet vil også kunne fungere som en fluidbuffer, som bl.a. vil styrke maskinens evne til å kunne tilpasse seg varierende last, da man alltid vil ha en ekstra mengde oppvarmet fluid tilgjengelig for injeksjon i maskinen.

Fluidet kan i én utførelse av oppfinnelsen holdes i væskeform gjennom hele varmelø-pet ved at trykket i varmeløpet holdes tilstrekkelig høyt, og at fluidtemperaturen ikke overstiger fluidets kritiske punkt, hvor skillet mellom væske og gassform opphører å eksistere. I en annen utførelse av oppfinnelsen kan fluidet varmes opp til godt over det kritiske punktet, hvor hele eller deler av fluidet går over i superkritisk tilstand ved at det står i kontakt med en varmeveksler med temperatur over det kritiske punktet. På denne måten kan det tilføres en stor mengde varmeenergi til fluidet før injeksjon i varmemaskinens arbeidskamre uten at man behøver en stor evaporatortank slik som ved ORC-turbiner. Dette forutsetter at injektoren sørger for at det alltid er nok fluid i varmeløpet, slik at den mengden som trengs for innsprøytning per syklus alltid er tilgjengelig. Dette kan for eksempel løses ved at injektoren alltid er innstilt til å holde trykket i varmeløpet over arbeidstrykket til maskinen. Dette er kjent fra bl.a. dieselmotorer med felles innsprøytningsmanifold, såkalt "common-rail"-innsprøytning, men i det tilfellet angår det drivstoffinnsprøytning og ikke arbeidsfluidinnsprøytning slik som i den foreliggende oppfinnelsen.

Fra varmeløpet injiseres arbeidsfluidet i det første sylinderkammeret, også kalt det

første arbeidskammeret eller ekspansjonskammeret, via et arbeidsfluidinnløp, heretter også kalt en dyse. Injeksjonen kan utføres ved at injektoren på innløpssiden til varme-løpet tilfører nok trykk til at det innstrømmende fluidet til varmeløpet kan fortrenge en tilsvarende mengde fluid som allerede befinner seg her, og denne mengden må da

strømme ut av varmeløpet, gjennom dysen og inn i det første sylinderkammeret. I en annen utførelse utføres injeksjonen ved at ventilen i varmeløpets utløp åpner for væs-kegjennomstrømning, idet injektoren opprettholder trykket i varmeløpet slik at det alltid er nok fluid tilgjengelig. I enda en utførelse kan en ønsket mengde arbeidsfluid innledningsvis opprettholdes i væskeform inntil den ønskede mengden er ferdig injisert inn i det første sylinderkammeret. Dette kan oppnås ved at injektoren er innrettet til å klare å opprettholde et høyt nok trykk og en høy nok strømningsrate, slik at den ønskede mengden arbeidsfluid ikke begynner å ekspandere fra væskeform før den befinner seg inne i det første ekspansjonskammeret. Det kan i dette tilfellet også an-ordnes en utvidelse av injektoren, som kan plasseres ved varmeløpets utgang, eller

mellom varmeløpets utgang og fluidinnløpet, og som sørger for ytterligere regulering av trykk og strømningsrate til arbeidsfluidet.

Det første arbeidskammeret fungerer som en første ekspander ved at stempelets bevegelse oppover (nedover i en tosylindret utførelse) øker volumet i dette. Dysen kan være montert og rettet slik at det innsprøytede fluidet innledningsvis får en strøm-ningsretning som følger sylinderkammerets indre periferi tangentielt, slik at strøm-ningsbanen blir spiralformet etter hvert som stempelet bevirker ekspansjon av det første sylinderkammerets volum. Fordelen med dette er at arbeidsfluidet da vil strømme syklonisk inne i sylinderen, og de delene av fluidet som har høyest tetthet vil da slynges utover mot sylinderveggen. Dette kan igjen medføre økt varmeveksling med sylinderveggen, da det normalt er de kaldeste delene av et fluid som har høyest tetthet, f.eks. hvis fluidet er delvis i væskeform.

Det første sylinderkammeret omfatter hovedsakelig en første sylinderseksjon, og på

denne er det utformet ytre strømningskanaler hvor det sirkuleres et oppvarmet termofluid. Termofluidet transporterer varme fra et eksternt varmereservoar. Under ekspansjonen av arbeidsfluidet tilføres det ekstra varme ved at sylinderveggen virker som en varmeveksler mellom termofluidet ved sylinderens ytterside og arbeidsfluidet på innsi-den. Avhengig av hvor effektiv varmevekslingen er, og temperaturnivået til termofluidet, kan det oppnås et spekter av polytropiske ekspansjonsprosesser. I et tilfelle hvor det ikke sirkuleres noe termofluid, og derfor ikke tilføres varme til arbeidsfluidet, kan det oppnås en nær-adiabatisk ekspansjonsprosess såfremt ekspansjonen skjer raskt nok. Hvis det tilføres nok varme slik at temperaturen til arbeidsfluidet kan holdes konstant gjennom ekspansjonen, oppnår man en isotermisk ekspansjonsprosess. Hvis enda mer varme og arbeidsfluid tilføres, kan man oppnå isobarisk ekspansjon, hvor trykket til arbeidsfluidet vil være relativt konstant gjennom hele ekspansjonsprosessen. I et enda mer ytterliggående eksempel kan det tilføres så mye varme og arbeidsfluid til prosessen at trykket øker under ekspansjonen, og en oppnår en superbarisk

ekspansjonsprosess. Før arbeidsfluidet har kommet i kontakt med det første sylinderkammeret, i forkant eller etterkant av dysen, men etter ventilen ved varmeløpets ut-løp, kan det i tillegg være montert en varmer som videre tilfører varme til fluidet ved begynnelsen av dets ekspansjonsforløp. På denne måten vil ikke varmevekslingen i den første ekspansjonsprosessen kun være avhengig av varmevekslingskapasiteten til det første sylinderkammeret.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til et spesifikt antall volumendrings-/arbeidskamre, men kan generelt omfatte ett eller flere arbeidskamre, avhengig av hvordan man vel- ger å implementere varmevekslerfunksjonen. I en foretrukket utførelse er det essen-sielle med oppfinnelsen at en har en overgang i varmevekslingsprosessene, hvor en går fra å ha en polytropisk ekspansjon (med varmetilførsel), til å ha en nær-adiabatisk ekspansjon (uten særlig varmetilførsel), og hvor dette kan løses med interne varmevekslere, i motsetning til i internforbrenningsmotorer. I forbrenningsmotorer, som f.eks. dieselmotorer, er dette forholdsvis enkelt å løse ved at en kan avslutte drivstoff-innsprøytningen før ekspansjonen er fullført, og kan dermed gi den resterende andelen av ekspansjonsprosessen et adiabatisk forløp, da det ikke tilføres mer varme enn det som gis av drivstofforbrenningen. Fordelen med dette er at samtidig som en kan tilføre ekstra varme under ekspansjonen, så oppnår en også å kunne utnytte restvarme som ellers ville måtte kjøles bort, og dermed påføre et uønsket energitap. Dette tilsvarer også løsningen i tradisjonelle dampmaskiner, hvor damptilførselen fra kjelen stenges lenge før stempelet (eller stemplene i en flerekspansjonsdampmaskin) har nådd fullt slagvolum. Dersom en tilfører mye varme under hele ekspansjonsforløpet, vil man ende opp med et høyt resttrykk samt høy restvarme, som ikke vil kunne utnyttes til å utføre arbeid, derav tapet.

Utfordringen og løsningen er å dele ekspansjonsprosessen i minst to trinn, hvorav det første foregår med varmeveksling med en eller annen variant av en polytrop eller blandet, polytrop prosess, og det andre trinnet foregår med lite eller helt uten varmeveksling. Dette kan løses på mange måter.

I et svært enkelt eksempel, som er illustrert på figur 19, kan en sørge for at en intern varmeveksler i sylinderen kun omslutter en del av denne. På denne måten vil andelen av varmevekslerflåtene i forhold til den totale, indre sylinderflaten minke når stempelet blottlegger mer og mer av sylinderveggene under ekspansjonsslaget. Når så arbeidsfluidet ekspanderer, vil volumet øke, tettheten minke, samt andelen varmeveks-lerflate minke, noe som vil drive prosessen mer og mer i en adiabatisk retning. I tillegg kan de overflatene i sylinderen som ikke tilhører den interne varmeveksleren isoleres termisk, for å fremme et enda mer adiabatisk forløp, da det ytterligere vil motvirke varmeveksling i disse områdene. Hvis det i tillegg dreier seg om ekspansjon av et tofasefluid, hvor fluidet på et eller annet punkt går over fra væske til gass under ekspansjonen, vil dette også medføre en betydelig reduksjon i varmeoverføring pga. at gassfasen vil ha lavere varmetransmisjonskoeffisient, noe som vil være med på å drive prosessen ytterligere i adiabatisk retning. På denne måten kan det med en enkel sylinder skapes en overgang i ekspansjonsprosessen, hvor den vil ha høy varmeover-føring innledningsvis, men hvor den vil avta betydelig etter hvert, for så å nærme seg adiabatisk.

I et mer foretrukket eksempel, slik som vist på figurene 6a og 7a, eller på figurene 17 og 18, kan en skille de to prosessene ved å utnytte ekspansjon mellom adskilte sylinderkamre. På denne måten er det lettere å begrense fluidets kontakt mot varmevekslerflatene under ekspansjon, da en kan velge kun å ha varmeveksling i det ene sylinderkammeret, eller i det minste ikke å ha det i det siste sylinderkammeret, slik at det fluidet som strømmer inn her, ikke vil motta ytterligere varme. Først ekspanderes fluidet i det første oppvarmede sylinderkammeret, og deretter lar en fluidet ekspandere videre inn i det andre, adiabatiske sylinderkammeret, da dette har større deplase-mentsvolum enn det første. For å få til dette, må de to kamrene også være forbundet på fluidkommuniserende vis, stemplene må i det minste være ut av fase, for eksempel være synkronisert med deplasement motsatt av hverandre, og en ventil (ikke vist på figurene) må sørge for at dette skjer til rett tid. I et slikt eksempel vil den første ekspansjonsprosessen, som finner sted i det første kammeret, ha karakter av en polytropisk eller blandet polytropisk ekspansjonen, hvor en betydelig mengde varme tilføres forutsatt at varmeveksleren er hensiktsmessig utformet. Den andre ekspansjonsprosessen vil være innledningsvis polytrop, da mesteparten av fluidet fremdeles befinner seg i det første kammeret som har intern varmeveksler, men etter hvert som fluid-mengden forflyttes mot kammeret uten varmeveksler, vil da også prosessen nærme seg et mer adiabatisk forløp, da mindre og mindre varme vil kunne tilføres her. Dette eksemplet vil kunne utføres med flere varianter av bl.a. sylinder-/stempelsammen-stillinger, bl.a. både med dobbeltvirkende, som vist på figur 6a, og enkeltvirkende, som vist på figur 7a. I tillegg kan tiden tillatt for varmeveksling med fluidet økes ved at man benytter en kaskade av flere sylindere/stempler med og uten varmevekslere, som foreslått på figurene 17 og 18. Forskjellen mellom de to er at figur 17 viser en dobbeltvirkende sylinder for den polytropiske ekspansjonen, mens det på figur 18 er valgt en enkeltvirkende sylinder. Det er fordeler og ulemper med begge løsningene, spesielt med tanke på smøring, friksjon og tetthet, men dette vil ikke diskuteres i nærmere detalj her, da det er uvesentlig for oppfinnelsens grunntrekk.

I spesielle tilfeller, hvor en f.eks. ønsker høyere effekttetthet, lavere virkningsgrad eller begge deler, kan man sørge for å ha varmeveksling selv i den avsluttende delen av ekspansjonsprosessen. Utførelseseksempler er vist på figurene 6b og 7b, hvor begge sylinderkamrene står i termisk kontakt med varmevekslere. For øvrig kan dette også gjelde for løsningen vist i figur 19, da andelen av sylinderkammeret som til enhver tid kan stå i kontakt med en varmeveksler, ikke har en øvre begrensning og kan i prinsippet omslutte nær 100 % av sylindervolumet.

Igjen, ts-diagrammet på figur 16b gir en illustrasjon av det termodynamiske resultatet for en prosess ifølge oppfinnelsen.

En polytropisk prosess er tilnærmet beskrevet gjennom forholdet PV" = konstant, hvor P er trykket, V er volumet og n er den karakteristiske polytropiske indeksen til prosessen. Videre har arbeidsfluider en adiabatisk indeks, gamma (y), og denne varierer for ulike fluider. Når n = y er prosessen definert som adiabatisk. Videre, hvis n = 1, er prosessen definert som isotermisk der temperaturen er konstant og nRT-leddet i idealgasslikningen PV = nRT følgelig er konstant. Videre definerer n = 0 en isobarisk prosess hvor trykket er konstant. Likeledes kan n < 0 defineres som en superbarisk prosess, da trykket da må øke under ekspansjonen. Ekspansjonsprosessen i det nedre sylinderkammeret kan da generaliseres og beskrives som en polytropisk prosess som tilnærmet følger PV" hvor n < y, da det skjer varmeutveksling mellom det første sylinderkammeret og fluidet.

Når stempelet har nådd sin topposisjon (TDC - Top Dead Center) (eller bunnposisjon (BDC - Bottom Dead Center) i en tosylindret utførelse), har volumet i det første sylinderkammeret nådd sitt maksimum. Ved dette punktet åpnes ventilen i varmemaskinens omløp, og ekspansjonen kan fortsette fra det første sylinderkammeret via omlø-pet og inn i det andre sylinderkammeret, hvor dette kammeret fungerer som en andre ekspander. Det andre sylinderkammeret er helt eller delvis termisk isolert fra resten av varmemaskinen slik at det fluidet som strømmer inn her, gjennomgår nær-adiabatisk ekspansjon. I en alternativ utførelse av maskinen kan det tenkes at det vil være gunstig med ytterligere varmetilførsel i det andre sylinderkammeret, og da kan overflater i dette kammeret ha funksjon som varmevekslere på samme måte som for det første. Samtidig som arbeidsfluidet strømmer inn i det andre sylinderkammeret, vil også en tilsvarende mengde strømme ut av det første kammeret. Når dette skjer, øker det totale volumet til fluidet, og pga. at det første kammeret er oppvarmet, vil den andelen av fluidet som fremdeles står i dette kammeret tilføres enda mer varme før det strømmer ut via omløpet. Da arbeidsarealet til stempelet i det første sylinderkammeret i den ensylindrede utførelsen er avgrenset mellom sylinderens radielle innervegg og stempelstammens radielle yttervegg, vil arbeidsarealet til stempelet i det andre sylinderkammeret være vesentlig større fordi stempelstammen opptar en andel av tverrsnittsarealet i det første kammeret. Dermed oppnås det en netto kraft på stempelet i retning mot det første kammeret gjennom hele denne ekspansjonsprosessen. I en tosylindret utførelse av varmemaskinen vil dette oppnås ved at den andre sylinderen har større slagvolum enn den første.

I løpet av ekspansjonsprosessen fra det første til det andre sylinderkammeret, når det andre sylinderkammeret ikke står i kontakt med en varmeveksler, gjennomgår arbeidsfluidet en polytropisk prosess som normalt starter ikke-adiabatisk og ender nær-adiabatisk. Det må tilføyes at i et spesielt tilfelle, som ved ekspansjonen i det første kammeret, vil ekspansjonen i det andre kammeret også kunne starte nær-adiabatisk. Hvis ekspansjonen i det første kammeret er adiabatisk, vil den videre ekspansjonen i det andre kammeret også være adiabatisk.

Avhengig av hvor mye fluid som injiseres, samt graden av varmeveksling i det første sylinderkammeret, vil det være riktig å definere starten av ekspansjonen fra det første og til det andre sylinderkammeret som en polytropisk prosess hvor n < y, da det her skjer varmeutveksling mellom det første sylinderkammeret og fluidet. Videre vil det være riktig å definere slutten av ekspansjonen ved n « y, dersom varmeveksling ikke finner sted i det andre ekspansjonskammeret, og følgelig da kan regnes som adiabatisk. Denne ekspansjonsprosessen kan da generaliseres og beskrives som en prosess som tilnærmet følger PV", og hvor den i starten har n < y, og hvor den mot slutten nærmer seg n = y. I en utførelse hvor det er varmetilførsel i det andre ekspansjonskammeret, vil hele denne ekspansjonsprosessen kunne defineres ved n < y.

Fluidinjeksjonen kan i én ensylindret utførelse kun skje når stempelet er på vei oppover, dvs. at injeksjonen avsluttes før fluidet ekspanderes videre i det andre kammeret idet stempelet er på vei ned igjen. I en annen utførelse kan fluidinjeksjonen fortsette mens det ekspanderes fra det første og til det andre kammeret. Ulempen med denne utførelsen er at hvis prosessen ikke får avslutte mer eller mindre adiabatisk, kan det være tilgjengelig en del utnyttbar restvarme og resttrykk (i henhold til termo-dynamikkens andre lov) som ikke blir brukt til å utføre arbeid. Dette må da fjernes med kjøleprosessen ved syklusens sluttsteg. Fordi rekuperatorer aldri kan "resirkule-re" 100 % av den tilgjengelige restvarmen, vil den resterende, utnyttbare varmen etter rekuperatorleddene måtte kjøles bort, og energien forsvinner ut som tap i en eller flere kjølere. Likevel kan det være en fordel å ha denne muligheten, da man da vil kunne øke varmetilførselen til prosessen over et gitt tidsrom. Dette kan være nyttig hvis det er behov for ekstra effektuttak i et begrenset tidsrom, f.eks. ved økt last på maskinen, men da på bekostning av virkningsgrad. Disse momentene gjelder også ved en tosylindret variant.

Etter avsluttet ekspansjon i det andre sylinderkammeret i en ensylindret utførelse vil nær hele mengden arbeidsfluid være forflyttet fra det første sylinderkammeret til det andre sylinderkammeret. På dette punktet har stempelet returnert til bunnposisjon igjen (BDC - Bottom Dead Center). Omkring dette punktet åpner varmemaskinens utløpsventil, og arbeidsfluidet kan strømme ut i kjøleløpet for fjerning av restvarme, og derfor også resterende trykk. Kjøleløpet kan bestå av minst en rekuperator og minst en kjøler. Stempelet vil videre bevege seg oppover igjen, og samtidig som en ny, ikke-adiabatisk ekspansjon kan finne sted i det første sylinderkammeret, vil stempelet komprimere, eller rettere sagt utstøte, restfluidet som befinner seg i det andre sylinderkammeret, ut i kjøleløpet. Avhengig av hvor stort volum kjøleløpet har, vil denne prosessen kunne beskrives på forskjellige måter. I en periode hvor stempelet er nær bunnposisjon, vil volumet endre seg relativt lite i forhold til veivakselens posisjonsendring, og man kan si at man i et gitt tidsrom har en isovolumetrisk kjølepro-sess, helt til stempelet har beveget seg langt nok ut av bunnposisjon og volumet i det andre sylinderkammeret begynner å endre seg vesentlig. Når dette inntreffer, kan man ikke lenger se på kjøleprosessen som isovolumetrisk. Avhengig av kapasiteten til kjøleløpet vil denne delen av kjøleprosessen kunne karakteriseres som isotermisk eller isobarisk kompresjon, da stempelet vil fortrenge fluidet ut fra den andre sylinderen og inn i kjøleløpet. Når hele fluidet er fortrengt ut av sylinderen og inn i kjøleløpet, lukkes varmemaskinens utløpsventil igjen, og fluidet som nå er nær fullstendig fortrengt inn i kjøleløpet, vil kunne avkjøles videre ved konstant volum. På bakgrunn av dette vil kjøleprosessen kunne karakteriseres ved flere kombinasjoner av ulike underprosesser, hvor underprosessene igjen kan karakteriseres som isovolumetrisk avkjøling, isobarisk avkjøling eller kompresjon, isotermisk kompresjon som også er en form for avkjøling, eller mer generelt ikke-adiabatisk kompresjon.

Etter avsluttet avkjøling vil arbeidsfluidet være tilbake i væskeform. Ved kjøleløpets utløp kan væsken strømme inn i en tank, f.eks. tilsvarende en ekspansjonstank for kjølevann i ulike kjøretøyer. Denne vil fungere som en væskebuffer, og sørger for at det alltid er nok arbeidsfluid tilgjengelig for maskinen, noe som vil være spesielt viktig hvis lasten til maskinen varierer og strømningsmengdebehovet for arbeidsfluidet varierer.

Når arbeidsfluidet er ferdig avkjølt og tilbake i væskeform, kan det så benyttes om igjen i en neste syklus, slik som i Rankine-turbiner med lukket sløyfe. Den foreliggende oppfinnelsen omfatter også en lukket arbeidsfluidkrets.

Det skal bemerkes at maskinen vil kunne gjennomføre flere mekaniske sykluser før arbeidsfluidet har gjennomgått en hel termodynamisk syklus. Dette er tilfellet fordi denne maskinen alltid opererer med samtidige syklusprosesser i motsetning til f.eks. en firetakts Ottomotor. For eksempel vil det ved ekspansjon i det første sylinderkam meret alltid utstøtes fluid fra øvre sylinderkammer og ut i kjøleløpet. Likeledes vil det sprøytes inn fluid i varmeløpet samtidig som det injiseres og ekspanderes fluid i det første sylinderkammeret.

Som en alternativ ekspander kan det benyttes en turbinløsning istedenfor den beskrevne stempelløsningen, og for at denne skal kunne tilføre ekstra varme til fluidet under ekspansjonen kan det være tildannet en turbinløsning som har varmevekslende stator, rotor og/eller andre interne komponenter.

Hvis det er behov for smøring av maskinen, kan arbeidsfluidet i én utførelse blandes med et smøremiddel, og transporten av arbeidsfluidet vil da også sørge for transport av smøremiddelet rundt i maskinen. I andre tilfeller kan det tilføres smøremiddel på ulike steder ved hjelp av smørekanaler, som bl.a. i de fleste forbrenningsmotorer. Maskinen kan også være laget av selvsmørende materialer, som ikke trenger smøremid-del. Dette er kjent fra flere forskjellige typer varmemaskiner.

Videre kan det i en annen utførelse være slik at det ikke er behov for fullstendig tetning mellom sylinderen og veivhuset/motorhuset, og at en liten mengde arbeidsfluid og eventuelt iblandet smøremiddel da tillates å lekke til andre partier av maskinen. Dette forutsetter at det er tatt hensyn til at maskinen må kunne håndtere lekkasjer, ved at det er innrettet et system for å motvirke opphopning av arbeidsfluid i ulike deler av maskinen. En fordel ved å lage maskinen slik er at et eventuelt smøremiddel som er innblandet med arbeidsfluidet også kan fungere som smøremiddel for veivakselens lagre, samt andre komponenter utenfor sylinderen, omtrent slik som i en 2-takts internforbrenningsmotor.

I den termodynamiske syklusen og varmemaskinen som denne oppfinnelsen omhand-ler, er det tilveiebrakt en karakteristisk sammensetning av sekvensielle termodynamiske prosesser. Syklusen og dens sekvensielle prosesser kan generaliseres og opp-summeres på følgende måte:

1. Adiabatisk kompresjon

2. Varmetilførsel

3. En første polytropisk ekspansjon i et første ekspansjonskammer, hvor n < y 4. En andre polytropisk ekspansjon fra det første til et andre ekspansjonskammer hvor n < y, eller hvor ekspansjonen starter med n < y og ender nær-adiabatisk

(n «Y)

5. Avkjøling

Oppfinnelsen vedrører i et første aspekt mer spesifikt en framgangsmåte for varmeveksling i og arbeidsutveksling med et arbeidsfluid i en varmemaskin, eller en varmepumpe dersom framgangsmåten og dens underprosesser i det vesentlige reverseres, hvor en termodynamisk syklus for arbeidsfluidet er tilnærmet beskrevet gjennom det polytropiske forholdet PV" = konstant, hvor P er trykket, V er volumet og n er det polytropiske indekset til arbeidsfluidet med adiabatisk indeks gamma (y), og hvor maskinen består av minst én arbeidsmekanisme forsynt med et første og minst et andre volumendringskammer, kjennetegnet ved at framgangsmåten i det minste omfatter i rekkefølge følgende trinn: a) i en første volumendringsprosess å gjennomføre en første polytropisk volumendring av arbeidsfluidet i et første volumendringskammer, hvor n < y, og b) i en andre volumendringsprosess å gjennomføre minst én andre nær-adiabatisk eller polytropisk volumendring av arbeidsfluidet fra et første til et andre volumendringskammer, hvor n < y, eller hvor en volumendring starter med n < y og ender nær-adiabatisk (n « y).

Framgangsmåten kan omfatte i rekkefølge følgende trinn:

i en første prosess å gjennomføre en adiabatisk volumendring av arbeidsfluidet;

i en andre prosess å utveksle varme med arbeidsfluidet;

i en tredje prosess å gjennomføre den første volumendringsprosessen ifølge trinn a) ovenfor;

i en fjerde prosess å gjennomføre den andre volumendringsprosessen ifølge trinn b) ovenfor; og

i en femte prosess å utveksle varme med arbeidsfluidet, hvor varmestrømsret-ningen er motsatt av varmestrømsretningen i den andre prosessen.

Framgangsmåten kan omfatte i rekkefølge følgende trinn:

i en første prosess å gjennomføre en adiabatisk kompresjon av arbeidsfluidet;

i en andre prosess å tilføre varme til arbeidsfluidet;

i en tredje prosess å gjennomføre den første volumendringsprosessen ifølge trinn a) ovenfor, hvor volumendringsprosessen omfatter ekspansjon;

i en fjerde prosess å gjennomføre den andre volumendringsprosessen ifølge trinn b) ovenfor, hvor volumendringsprosessen(e) omfatter ekspansjon; og

i en femte prosess å avkjøle arbeidsfluidet.

Framgangsmåtens trinn kan mer spesifikt omfatte i rekkefølge følgende trinn:

den første prosessen innebærer å pumpe arbeidsfluidet fra lavt til høyt trykk ved hjelp av en injeksjonsenhet;

den andre prosessen innebærer å tilføre varme til arbeidsfluidet i et varmeløp plassert eksternt i forhold til volumendringskamrene;

den tredje prosessen innebærer å injisere og ekspandere arbeidsfluidet i det første volumendringskammeret og samtidig tilføre varme til fluidet fra minst en varmeveksler som står i termisk kontakt med det første volumendringskammeret;

den fjerde prosessen minst innebærer å ekspandere arbeidsfluidet videre fra det første til det andre volumendringskammeret via et arbeidsfluidomløp; og

den femte prosessen innebærer å avkjøle arbeidsfluidet i et kjøleløp anordnet eksternt i forhold til ekspansjonskamrene.

Den fjerde prosessen kan mer spesifikt innebære å ekspandere arbeidsfluidet videre fra det første til det andre volumendringskammeret via et arbeidsfluidomløp.

Den fjerde prosessen kan mer spesifikt innebære i et første steg å ekspandere arbeidsfluidet videre fra det første til det andre volumendringskammeret via et arbeids-fluidomløp, og i et andre steg å ekspandere arbeidsfluidet videre fra det andre volumendringskammeret til et tredje volumendringskammer via et andre arbeidsfluidomløp.

Den fjerde prosessen kan videre innebære å tilføre ytterligere varme til hele eller deler av arbeidsfluidet fra minst en varmeveksler som står i termisk kontakt med det første volumendringskammeret.

Den fjerde prosessen kan videre innebære å tilføre ytterligere varme til hele eller deler av arbeidsfluidet fra minst én varmeveksler som står i termisk kontakt med det andre volumendringskammeret.

Arbeidsfluidet kan veksler mellom væske- og gassform.

Arbeidsfluidet kan i den tredje prosessen innledningsvis være i væskeform, idet det injiseres inn i det første volumendringskammeret ved tilstrekkelig høyt trykk slik at væskeform opprettholdes under injeksjonsoperasjonen.

Arbeidsfluidet kan være i væskeform i den første prosessen; i væskeform i den andre prosessen; helt eller delvis superkritisk i den andre prosessen; helt eller delvis i gassform i den tredje prosessen; i det vesentlige under fordamping i den tredje prosessen; eventuelt under videre fordamping i den fjerde prosessen; og i det vesentlige under kondensering i den femte prosessen.

I et andre aspekt vedrører oppfinnelsen mer spesifikt en anordning ved varmemaskin, eller varmepumpe dersom anordningen og dens underkomponenter i det vesentlige innrettes for reverserte funksjoner, med minst én arbeidsmekanisme forsynt med et første volumendringskammer og minst et andre volumendringskammer med tilhøren-de fortrengningsmekanisme(r), hvor minst én varmeveksler står i termisk kontakt med og omslutter eller er omsluttet av det minst første volumendringskammeret, hvor volumendringskamrene på fluidkommuniserende vis er i rekkefølge forbundet gjennom minst ett arbeidsfluidomløp, hvor det første volumendringskammeret har et arbeids-fluidinnløp og det siste volumendringskammeret har et arbeidsfluidutløp, kjennetegnet ved at arbeidsfluidinnløpet, arbeidsfluidutløpet og det minst ene arbeidsfluidomløpet er forsynt med ventiler som er synkroniserte for å opprettholde en sekvensiell arbeidsflu-idstrøm i rekkefølge fra det første volumendringskammeret og gjennom det minst andre volumendringskammeret, idet arbeidsfluidet ledes sekvensielt gjennom volumendringskamrene i strømningsretning fra arbeidsfluidinnløpet til arbeidsfluidutløpet.

Volumendringskamrene kan suksessivt oppvise økende eller minkende volum.

Volumendringskamrene kan være innrettet til å ha funksjon som ekspansjonskamre.

Arbeidsfluidomløpet kan være lukkbart ved hjelp av minst én omløpsventil.

En fluidpassasje mellom volumendringskamrene og respektive omløpsendepartier kan være opprettholdt i enhver av fortrengningsmekanismen(e)s arbeidsposisjoner under, arbeidsfluidets forflytning mellom volumendringskamrene.

Volumendringskamrene kan sammen være innrettet til å kunne utføre en volumendringsprosess av et arbeidsfluid, slik at arbeidsfluidet vil kunne forflyttes nær fullstendig fra det første til det andre volumendringskammeret og så videre ved at volumendringskamrenes fortrengningsmekanisme(r) er mekanisk synkronisert.

Den mekaniske synkroniseringen kan i en driftstilstand opprettholde deplasement mellom de ulike volumendringskamrene med sekvensielt motsatte fortegn, slik at et første volumendringskammers volum vil øke når et andre kammers volum minker og vice versa.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et PV-diagram som illustrerer differansen i utført arbeid ved forskjellige polytropiske prosesser; Fig. 2 viser et PV-diagram som illustrerer forskjellen i utført arbeid ved utvalgte polytropiske prosesser; Fig. 3a viser et PV-diagram som viser en ytterliggående variant av den termodynamiske syklusen som beskrevet i oppfinnelsen, hvor den første ekspansjonsprosessen i det vesentlige foregår isobarisk; Fig. 3b viser et PV-diagram av den termodynamiske syklusen som beskrevet i oppfinnelsen, hvor ekspansjonsprosessene foregår mer nær en praktisk utførelse av maskinen, men hvor den første ekspansjonsprosessen i det vesentlige foregår isobarisk; Fig. 3c viser et PV-diagram av den termodynamiske syklusen som beskrevet i oppfinnelsen, hvor ekspansjonsprosessene i enda en praktisk utførelse av maskinen er illustrert; Fig. 4a viser et PV-diagram som illustrerer varmestrømningen i et ytterliggående eksempel av den termodynamiske syklusen som beskrevet i oppfinnelsen, hvor den første ekspansjonsprosessen i det vesentlige foregår isobarisk; Fig. 4b viser et PV-diagram som illustrerer varmestrømningen i en mer praktisk utførelse av den termodynamiske syklusen som beskrevet i oppfinnelsen, men hvor den første ekspansjonsprosessen i det vesentlige foregår isobarisk; Fig. 4c viser et PV-diagram som illustrerer varmestrømningen i enda en praktisk utførelse av den termodynamiske syklusen som beskrevet i oppfinnelsen; Fig. 5 viser kjent teknikk, nemlig en prinsipiell sammenstilling av en Stirling-maskin Fig. 6a viser et prinsipielt utførelseseksempel av arbeidsmekanismen (ekspande-ren) til oppfinnelsen med en dobbeltvirkende sylinder og en varmeveksler som står i termisk kontakt med et første ekspansjonskammer; Fig. 6b viser et prinsipielt utførelseseksempel av arbeidsmekanismen til oppfinnelsen, med en dobbeltvirkende sylinder og en varmeveksler som står i termisk kontakt med det første ekspansjonskammeret, samt en varmeveksler som står i termisk kontakt med det andre ekspansjonskammeret; Fig. 7a viser et prinsipielt utførelseseksempel av arbeidsmekanismen til oppfinnelsen i form av en tosylindret variant med en varmeveksler som står i termisk kontakt med det første ekspansjonskammeret; Fig. 7b viser et prinsipielt utførelseseksempel av arbeidsmekanismen til oppfinnelsen i form av en tosylindret variant med en varmeveksler som står i termisk kontakt med det første ekspansjonskammeret, samt en varmeveksler som står i termisk kontakt med det andre ekspansjonskammeret; Fig. 8 viser et utførelseseksempel av den beskrevne varmemaskinen ifølge oppfinnelsen, hvor man kun benytter seg av et enkelt varmereservoar; Fig. 9 viser et utførelseseksempel av den beskrevne varmemaskinen ifølge oppfinnelsen, hvor man benytter seg av to varmereservoarer ved forskjellige temperaturer; Fig. 10 viser varmemaskinens arbeidsmekanisme uten veiv-/motorhus; Fig. 11 viser i perspektiv en representasjon av varmemaskinen uten veiv- og motorhus; Fig. 12 viser sidesnitt av maskinen ved stempelets bunnposisjon; Fig. 13 viser sidesnitt av maskinen ved ekspansjon i det første (nedre) sylinderkammeret samt utstøtning i det andre (øvre) sylinderkammeret; Fig. 14 viser sidesnitt av maskinen ved stempelets topposisjon; Fig. 15 viser sidesnitt av maskinen ved ekspansjon av arbeidsfluid fra det nedre til det øvre sylinderkammeret; Fig. 16a viser et ts-diagram (temperatur-entropi-diagram) ifølge kjent teknikk, nemlig for den idealiserte ORC-syklusen; Fig. 16b viser et ts-diagram for den termodynamiske syklusen som beskrevet i oppfinnelsen; Fig. 17 viser et prinsipielt utførelseseksempel av arbeidsmekanismen til oppfinnelsen, med en dobbeltvirkende sylinder og en varmeveksler som står i termisk kontakt med det første ekspansjonskammeret, samt en varmeveksler som står i termisk kontakt med det andre ekspansjonskammeret, som igjen er tilkoblet et tredje ekspansjonskammer i en andre, enkeltvirkende, nær-adiabatisk sylinder; Fig. 18 viser et prinsipielt utførelseseksempel av arbeidsmekanismen til oppfinnelsen lik eksemplet på figur 17, men isteden med to enkeltvirkende sy-

lindere med respektive ekspansjonskamre med interne varmevekslere som igjen er tilkoblet et tredje ekspansjonskammer i en ytterligere enkeltvirkende, nær-adiabatisk sylinder; og

Fig. 19 viser et svært enkelt prinsipielt utførelseseksempel av arbeidsmekanismen til oppfinnelsen, hvor kun én enkeltvirkende sylinder med tilhørende stempel definerer to arbeidskamre i ett og samme sylindervolum, og hvor minst én varmeveksler i en foretrukket utførelse kun omslutter det første arbeidskammeret.

I den innledende beskrivelsen av den termodynamiske syklusen slik den er vist i figurene 1-4, samt i figuren 16b, henvises det til elementer i en varmemaskin slik den er vist i figurene 6-15, idet maskinelementene identifiseres med henvisningstall som er vist i én eller flere av figurene 6-15.

Den termodynamiske syklusen er beskrevet gjennom de termodynamiske prosessene:

1. Adiabatisk kompresjon

2. Varmetilførsel

3. En første polytropisk ekspansjon i et første ekspansjonskammer, hvor n < y

4. En andre polytropisk ekspansjon fra det første til et andre ekspansjonskammer hvor n < y, eller hvor ekspansjonen starter med n < y og ender nær-adiabatisk

(n « y)

5. Avkjøling

Fig. 1 viser en generalisert polytropisk ekspansjonsprosess mellom to volumer VA og VB, hvor arbeidet og differansen i arbeid mellom de ulike rene prosessene (adiabatisk, isotermisk, isobarisk etc.) er vist som Wl, W2, W3 etc. I tillegg er isovolumetrisk varmeutveksling vist som referanse, illustrert ved den vertikale linjen. Her antas det et termodynamisk system med starttilstand markert ved et kryss 0, og det videre ekspansjonsforløpet er vist ved de ulike polytropiske prosessene. En ser av diagrammet at utført arbeid varierer betydelig avhengig av hva slags prosess som er virksom. En isotermisk prosess vil gi et vesentlig større arbeid enn en adiabatisk prosess. Videre vil en isobarisk prosess gi et enda høyere arbeid osv. Diagrammet gir en god visuell sammenlikning av utført arbeid mellom de ulike prosessene. Fig. 2 viser utført arbeid for en variabel, polytropisk prosess som starter isotermisk og som ender nær-adiabatisk, slik som i denne oppfinnelsen. Man kan se at differansen, W2, mellom den blandede og den adiabatiske prosessen representerer en betydelig økning i arbeid. Det praktiske resultatet av dette er at ved å tilføre noe ekstra varme under ekspansjonsprosessen, men ikke nok til at den er ren isotermisk, kan man øke effektgjennomstrømningen i syklusen ved samme volumendring.

Fig. 3a - 3c viser PV-diagrammer som illustrerer de ulike stegene i flere varianter av den termodynamiske syklusen som beskrevet i oppfinnelsen. Steg 1 representerer den adiabatiske kompresjonen av et arbeidsfluid utført av en injeksjonsenhet 2. Denne prosessen vil løfte trykket til arbeidsfluidet opp til et bestemt nivå. Steg 2 utgjør videre varmetilførsel fra henholdsvis minst én rekuperator 32, 35, og minst en varmer 33 i systemet. Denne prosessen kan implementeres som isobarisk, men den kan også være med på å øke trykket, avhengig av hvilken designløsning som velges. I steg 3 foregår det en polytropisk ekspansjon i henhold til PV<n>= konstant hvor n < y, noe som betyr at det tilføres varme gjennom ekspansjonen. Dette er i figurene 3a og 3b illustrert med n = 0, dvs. en nær-isobarisk prosess. I figur 3c er den vist som polytropisk. I steg 4 foregår det en variabel polytropisk ekspansjon som starter med n er lik det forrige steget, men som ender nær-adiabatisk, hvor n » y. Steg 3 og 4 vil uansett være i overensstemmelse med oppfinnelsen, da det kun tar hensyn til størrelsesorde-nen av den polytropiske indeksen, n, og ikke det eksakte tallet. I en utførelse hvor det også tilføres varme i det andre ekspansjonskammeret, vil prosessen avslutningsvis tilfredsstille n < y, og kurvene vil da avvike noe fra illustrasjonene. I steg 5 skjer det et trykkfall ved at en utløpsventil 131 åpner, og arbeidsfluidet slipper ut i et kjøleløp 4, hvor det i et gitt tidsrom gjennomgår avkjøling ved relativt konstant volum. I steg 6 foregår det kompresjon, dvs. utstøtning, med avkjøling, en prosess som f.eks. kan være mellom isotermisk og isobarisk, men her vist som nær-isotermisk, illustrert ved at trykket øker noe under kompresjonen, og PV-diagrammet nærmer seg en isoterm. I steg 7 er utløpsventilen 131 lukket, og avkjølingen fortsetter under konstant volum igjen. Samlet sett kan avkjølingsstegene i et gitt tilfelle ansees som én isobarisk av-kjølingsprosess, såfremt kjøleløpet 4 har en viss kapasitet og prosessene skjer hurtig. Avkjølingsprosessen (prosess 5 ovenfor) i syklusen er dermed representert ved stegene 5, 6 og 7 i PV-diagrammet.

I tillegg kan det bemerkes at det ved et arbeidsfluidinnløp 170, også kalt dyse, kan antas å finne sted en strupeprosess, også kalt throttling-prosess. Denne prosessen vil da skje mellom prosessene 2 og 3 i syklusen. Denne alternative prosessen er ikke spesifisert i syklusen, fordi den ikke er viktig for syklusbeskrivelsen da den ikke har særlig innvirkning på de foregående eller etterfølgende prosessene. I et tenkt tilfelle hvor det interne trykket i varmeløpet 2 er høyt i forhold til maskinens gitte arbeids-trykk, vil throttling-prosessen være illustrert ved et skarpt fall i trykket mellom stegene 2 og 3, som vist på diagrammet. I et tilfelle hvor injeksjonstrykket er satt nær det valgte arbeidstrykket til den første ekspansjonsprosessen, vil dette trykkfallet ikke være så markant, slik som vist på figurene 3b og 3c, og denne delen av diagrammet vil da flates ut slik som på illustrasjonene.

Fig. 4a til 4c viser ulike PV-diagrammer med de ulike varmevekslingsprosessene som finner sted i syklusen og den beskrevne varmemaskinen. Qmirepresenterer varme som blir tilført fra en eller flere rekuperatorer 32, 35, og/eller en eller flere etterføl-gende varmerledd 33 (prosess 2 i syklusen). Qm2representerer varmen som blir tilført i den første ikke-adiabatiske, alternativt polytropiske ekspansjonsprosessen (prosess 3 i syklusen), hvor varme overføres til arbeidsfluidet i et første sylinderkammer 150 fra en nedre sylinders 102 varmeveksler (alternativt fra en første sylinders 100a varmeveksler for en tosylindret variant). Qjn3 representerer videre varmen som blir tilført i den andre ikke-adiabatiske, alternativt variable polytropiske, alternativt polytropiske ekspansjonsprosessen (prosess 4 i syklusen), hvor enda mer varme tilføres arbeidsfluidet som enda ikke har passert ut av det første sylinderkammeret 150, alternativt hvor ytterligere varme kan bli tilført i det andre sylinderkammeret 151 idet fluidet strøm-mer inn og ekspanderes videre her. Qoutier varme som fjernes i kjøleløpet 4 umiddelbart etter at utløpsventilen 131 har åpnet (prosess 5 i syklusen, steg 5 i diagrammet). Qout2er varme som fjernes i løpet av utstøtnings-/kompresjonssteget (prosess 5 i syklusen, steg 6 i diagrammet), og Qout3er fjerning av den siste restvarmen i kjøleløpet 4 etter at utløpsventilen 131 har blitt stengt, og nær hele det resterende arbeidsfluidet har blitt evakuert ut her (prosess 5 i syklusen, steg 7 i diagrammet).

Varmemaskinen består av en hovedmekanisme/arbeidsmekanisme 1, også kalt ekspander, med tilhørende eksterne komponenter og systemer som en injeksjonsenhet 2, også kalt pumpe/kompressor, et varmeløp 3, et kjøleløp 4, en væsketank 5, en sirku-lasjonspumpe 6 for kjølefluid, et kuldereservoar 7, en første og en andre sirkulasjons-pumpe 8, 10 for varmefluid, et første og et andre varmereservoar 9, 11 og en første tilbakeslagsventil 12 som forhindrer reversering av fluidstrømmen inn til injeksjonsenheten 2. Figur 8 viser en utførelse av maskinen med kun ett varmereservoar 9, hvor et termofluid da kan sirkuleres fra reservoaret 9 til både varmevekslerkanaler 162 i den nedre sylinderen 102, alternativt gjennom en varmeveksler 260 dersom det andre ekspansjonskammeret 151 også skal ha oppvarming, alternativt også gjennom en varmeveksler 160 i den første sylinderen 100a for en tosylindret variant, og videre gjennom et varmerledd 33 i varmeløpet 3 før det returneres til reservoaret 9 for gjen-oppvarming. Fig. 9 viser en andre variant av maskinen med et mer omfattende var-metilførselssystem, hvor to varmereservoarer 9, 11 er benyttet istedenfor ett, og hvor det første reservoaret 9 er av lavverdig karakter, og det andre reservoaret 11 er av høyverdig karakter i den forstand at det høyverdige reservoaret 11 leverer varme ved en betydelig høyere temperatur enn det lavverdige reservoaret 9.

Hovedmekanismen 1 sammen med injeksjonsenheten 2, varmeløpet 3, kjøleløpet 4, væsketanken 5, sirkulasjonspumpene 6, 8, 10, rør, slanger og en eventuell tilhørende kontrollenhet er de komponentene som normalt vil oppfattes som selve varmemaskinen. Likevel kan ikke varmemaskinen fungere uten tilgjengelige varme- og kuldere-servoarer, og derfor er de medberegnet som en del av det totale systemet.

Varmeløpet 3 består av en andre tilbakeslagsventil 31 ved innløpet fra injeksjonsenheten 2, etterfulgt av en første, eventuelt også en andre, rekuperator 32, 35, en varmer 33 og til slutt en ventil 34 som f.eks. kan være en strupe- eller en trykkterskelventil, slik som en sekvensventil.

På figurene 6a og 6b er det vist et forenklet prinsippskjema for arbeidsmekanismen til maskinen med og uten varmeveksler 260 i det andre ekspansjonskammeret 151. Figurene 7a og 7b viser tilsvarende prinsippskjema for en tosylindret variant av maskinen. Det bør bemerkes at detaljer slike som tetninger og ventiler for enkelhets skyld ikke er vist, men det skal forstås som de er tilstede. Figur 10 viser derimot ett utførel-seseksempel av maskinen hvor de fleste detaljer er vist. I det etterfølgende henvises det bl.a, til figurene 6a, 6b, 7a, 7b og 10. Hovedmekanismen består av lett gjenkjen-nelige hoveddeler så som en sylindersammenstilling 100, en stempelsammenstilling 110 med tetninger 113 og stempelstamme 114, en adapter 115 med lager som fungerer som grensesnitt mellom stempelstammen 114 og et veivstag 116, en veivaksel 117, omløps- og utløpsventil 122, 131 med ventilaktuatorer 123, 132, her vist som kamaksler, en omløpsledning 121, en termisk isolerende pakning 140, heretter også kalt termopakning, samt andre alminnelige komponenter og utforminger så som bol-ter, gjengede hull, lagre, tetninger, smørekanaler etc. som en fagperson ville finne nødvendig for konstruksjonen. Motorhus/veivhus er ikke vist på grunn av at det ikke har noen relevans for oppfinnelsen, men det er likevel antatt at det er tatt tilstrekkeli-ge hensyn til motorhuset for å ivareta tetthet, smøring av veivaksel 117, lagre, fester osv.

I en ikke vist utførelse av varmemaskinen blandes det inn en liten mengde smøreolje i arbeidsfluidet, nærmest slik som i en 2-taktsmotor. Hvis litt av det oljeblandede arbeidsfluidet gis anledning til å lekke fra sylinderen 100 og ned i veivhuset, vil man kunne oppnå smøring av veivakselen 117 nettopp slik som i en 2-taktsmotor, og man slipper problematikken ved lekkasjer ned hit, da en liten lekkasje ikke vil utgjøre noe problem, og man unngår også å måtte benytte et eget smøremiddel for lagrene til veivakselen 117, noe som ellers vil kreve et eget smøresystem. I så måte er det også forutsatt at det foreligger et system som kan fange opp det fluidet som lekker ned i veivhuset, slik at det kan sirkuleres tilbake til et eventuelt reservoar for filtrering og andre tiltak som en fagperson ville anse som nødvendig for å ivareta integriteten til arbeidsfluidet samt en eventuell smøreolje.

Sylindersammenstillingen 100 kan i enkleste fall bestå av en enkel maskinert kompo-nent, men pga. et behov for termisk isolering mellom de ulike seksjonene av sylinderen 100 samt inkludering av andre komponenter i sammenstillingen, vil det være mer pratisk å benytte seg av en sammenstilling bestående av individuelle, mer spesialiser-te komponenter. I det beskrevne utførelseseksemplet av denne oppfinnelsen består sylindersammenstillingen av tre hovedkomponenter definert som en toppsylinder 101, en bunnsylinder 102 og en ventilblokk 103. Toppsylinderen 101 benevnes også som øvre sylinder, og bunnsylinderen 102 som nedre sylinder. Sylindersammenstillingen 100 er videre festet til en tetningsblokk 104 som her er vist forsynt med spor med innmonterte tetninger 105 for å motvirke lekkasje av arbeidsfluidet i maskinen. Tetningsblokken 104 har en fortrinnsvis sylindrisk, tett gjennomføring for stempelstammen 114. En termopakning 140 er installert mellom sylindersammenstillingen 100 og tetningsblokken 104. Denne har som funksjon å begrense direkte varmelekkasje til nedre del av maskinen, og i hovedsak til maskinens veiv-/motorhus, som ikke er vist på tegningene. Toppsylinderen 101 kan lages av forskjellige materialer, både metalliske og ikke-metalliske. I en utførelse kan den være laget av aluminium eller et plast-materiale, slik som PEEK, som er et sterkt materiale med gode termiske isoleringsegenskaper. I en annen utførelse kan det være laget av et materiale med gode termiske ledningsegenskaper som så påføres et lag av et materiale som fremmer termisk isolasjon.

Bunnsylinderen 102 er laget av et materiale som har gode varmelederegenskaper. Den kan f.eks. være laget av aluminium. Da kan det være fordelaktig å påføre den indre delen av sylinderen 100 som står i kontakt med stempelet 110, et sterkt materiale som vil fungere som en god glideflate mot dette. Dette kan f.eks. være et belegg av krom eller et karbidstoff. Dette er bl.a. kjent ved eksisterende forbrenningsmotorer og kompressorer. Den nederste delen av sylinderen 100 skal ikke stå i direkte glide-kontakt med stempelet 110. Stempelet 110 kan f.eks. være utformet slik at en nederste del har en litt mindre diameter enn en øvre del, f.eks. bare noen få hundredels millimeter mindre, men likevel nok til at det ikke skapes direkte kontakt med sylinderen 100. Dermed kan det tilveiebringes turbulensfremmende former eller andre former som fremmer varmeveksling i den nederste delen av bunnsylinderen 102, slik at et arbeidsfluid som skal varmeveksle med denne, blir tilført varme på en mest mulig effektiv måte. De turbulensfremmende utformingene kan i et enkelt tilfelle være laget ved at denne delen av sylinderen 100 sandblåses slik at det skapes ujevnheter. Videre er en ytre del av bunnsylinderen 102 utformet med kanaler 162 samt påmontert en tettende kappe 161 som sammen danner en varmeveksler 160 for et varmevekslende fluid, et såkalt termofluid. Termofluidet vil da avgi varme til bunnsylinderen 102 som igjen kan avgi varme til arbeidsfluidet i det nedre sylinderkammeret 150. Kanalene 162 er forsynt med turbulensfremmende midler 163, for eksempel i form av forhøy-ninger i kanalveggene, her vist skjematisk.

Ventilblokken 103 utgjør en forlenging av det nedre sylinderkammeret 102, og her er det tildannet plass for minst én ventil 122, en omløpskanal 124, og et arbeidsfluidinn-løp 170, som kan være en injeksjonsdyse. Ventilblokken 103 kan i utgangspunktet være den samme fysiske komponenten som nedre sylinder 102, men pga. fordelen med å kunne plassere ventilen 122 og dysen 170 i en egen sammenstilling, samt for-delene dette kan gi ved vedlikehold etc, er den i dette eksemplet implementert som en egen komponent/sammenstilling. I ventilblokken 103 kan det maskineres ut kanaler og spor som er tilpasset en mest mulig optimal fluidstrøm samt minimalt dødvo-lum. Videre kan ventilblokken 103 være utformet med egne løp for termofluid, slik at denne i forlengelse av den nedre sylinderen 102 også kan fungere som en varmeveksler mellom et termofluid og arbeidsfluid som står i kontakt med den.

Stempelsammenstillingen 110, også kalt stempelet, består av et stempelhode 111, et glidestempel 112, tetningene 113, stempelstammen 114 og stempelstammeadapteret 115. Disse er festet til hverandre ved hjelp av kjente festemetoder. I tillegg til å fungere som kraftoverføring mellom arbeidsfluidet og maskinen, fungerer stempelet 110 også som en felles bevegelig skillevegg mellom det øvre sylinderkammeret 151 og det nedre sylinderkammeret 150. Da stempelet 110 kan være termisk isolert mellom sine øvre og nedre aksielle ender, kan stempelhodet 111 i likhet med toppsylinderen 101 være laget av et isolerende materiale, eller det kan være laget av et materiale som igjen påføres et lag av et annet materiale med gode isoleringsegenskaper. Glidestempelet 112 kan også være laget av forskjellige materialer, men det må være egnet for å kunne gli mot glideflaten til sylinderen 100.1 dette eksemplet kan glidestempelet 112 være laget av en aluminiumlegering, slik som ofte er vanlig i internforbrenningsmotorer og andre stempelmaskiner. Glidestempelet 112 er utformet med et eller flere sir-kulære periferispor for tetningene 113, igjen lik stempler i internforbrenningsmotorer. Videre består stempelsammenstillingen 110 av stempelstammen 114 som kan være av metall. Dette kan ha form som et rør for å minimere massen, og dermed vekten. Stammen 114 kan også være påført et lag av et materiale med høy styrke, slik at det skal være egnet for å gli mot de interne flatene i tetningsblokken 104, idet tetningsblokken 104 har en gjennomføring for stempelstammen 114.1 enden av stempelstammen 114 er adapteren 115 montert, og denne har som hovedfunksjon å tilpasse stempelstammens 114 lineære bevegelse til veivstagets 116 roterende bevegelse i et lager montert i overgangen. I tillegg kan adapteren 115 ha funksjon som tetning av stempelstammens 114 ene aksielle endeparti, noe som gjør at hele stempelsammenstillingen 110 kan ha et lukket, indre volum. Dette volumet kan eventuelt evakueres slik at man oppnår et vakuum, noe som kan gi stempelsammenstillingens 110 en for-bedret termisk isolerende effekt dersom ønskelig.

Tetningsblokken 104 har som hovedfunksjon å tjene som gjennomføring for stempelstammen 114 samt tetning, slik at arbeidsfluid i det nedre sylinderkammeret 150 ikke skal lekke ut av denne. Den er i én utførelsesform utformet med interne spor, som igjen er forsynt med tetninger 105 som stempelstammen 114 da vil gli mot. I en annen utførelse er stempelstammen 114 utformet med ytre spor og tetninger (ikke vist), på samme måte som glidestempelet 112, og tetningsblokkens 104 gjennomføring vil da være en kontinuerlig glideflate som i en sylinder i en firetakts Ottomotor. Tetningsblokkens gjennomføring er da fortrinnsvis sylindrisk, uten spor for tetninger som i det første utførelseseksemplet.

Stempelets 110 lineære bevegelse overføres i siste ledd til veivakselen 117 som vil oppnå en roterende bevegelse, slik som i en vanlig forbrenningsmotor, og veivakselen 117 kan videre koples til en arbeidsmottaker (ikke vist), slik som en elektrisk genera-tor, slik at maskinen kan generere arbeid for energiproduksjon etc.

Mellom det første sylinderkammeret 150 og det andre sylinderkammeret 151 er det tildannet et omløp 120 hvor arbeidsfluidet kan passere. Omløpet 120 starter i om-løpskanalen 124 i ventilblokken 103, går videre via kanalen 121 som kan være et me-tallrør, og videre inn i toppsylinderen 101 hvor omløpets 120 (og kanalens 121) utløp 120b er anordnet i det andre sylinderkammeret 151. Omløpets endepartier 120a, 120b er anordnet slik at de ikke kan lukkes av stempelet 110 under stempelets 110 bevegelse mellom sine ytterstillinger i sylindersammenstillingen 100, men bare ved at omløpsventilen 122 opereres.

Omløpet 120 utgjør en passasje som gjør det mulig for arbeidsfluidet i det første sylinderkammeret 150 å ekspandere videre inn i det andre sylinderkammeret 151, da dette har et større totalvolum og også en større volumendring under stempelets 110 bevegelse enn det nedre sylinderkammeret 150. Med andre ord er dV/ ds større for toppsylinderen 101 enn for bunnsylinderen 102, idet dV er volumendringen i forhold til stempelets 110 lineære posisjonsendring, representert ved ds. Differansen i volum skyldes at stempelstammen 114 kun befinner seg i volumet til bunnsylinderen 102, og det vil da fortrenge en vesentlig del av dette. Dermed vil det fullt ekspanderte volumet til toppsylinderen 101 være gitt av slaglengden og hele endearealet til stempelet 110, mens volumet til bunnsylinderen 102 vil være gitt av den samme slaglengden, men stempelarealet her er begrenset til differansen mellom det radielle, indre sylinderarea-let og det radielle stempelstammearealet.

Innsprøytningsdysen 170 kan i enkleste tilfelle være et rør som er innmontert på fluidtett vis i et maskinert hull i ventilblokken 103. Det kan videre være montert slik at fluidets strømningsretning ut av dette blir tangentiell i forhold til det nedre sylinderkammerets 150 innervegg. Dette kan være med på å forbedre varmeoverføringsraten som beskrevet over.

Maskinens virkemåte kan beskrives slik:

Et arbeidsfluid befinner seg i væsketanken 5 og suges inn i injeksjonsenheten 2 via den første tilbakeslagsventilen 12, og pumpes videre inn i varmeløpet 3 via den andre tilbakeslagsventilen 31.1 varmeløpet 3 passerer arbeidsfluidet først gjennom den førs-te rekuperatoren 32 hvor det mottar noe av restvarmen fra ferdig ekspandert ut-strømmende arbeidsfluid fra varmemaskinens arbeidsmekanisme 1. Videre passerer arbeidsfluidet gjennom den første varmeren 33 som mottar varme fra det første varmereservoaret 9 ved at sirkulasjonspumpen 8 sirkulerer et termofluid mellom varmereservoaret 9 og varmeren 33. Videre kan fluidet i andre utførelseseksempel, slik det er vist i figur 9, motta mer varme fra den andre rekuperatoren 35, hvor restvarme ved en høyere temperatur enn ved den første rekuperatoren 32 overføres. Deretter strømmer arbeidsfluidet gjennom ventilen 34 og blir videre injisert via dysen 170 og inn i det første sylinderkammeret 150 fra og med når stempelet 110 står i bunnposisjon (se figur 12).

I et ikke vist utførelseseksempel strømmer arbeidsfluidet gjennom nok en varmer (ikke vist) plassert enten umiddelbart før eller etter dysen 170.

Hele eller deler av arbeidsfluidet vil gå over i gassform etter injeksjonen. I det første sylinderkammeret 150 vil trykket til det oppvarmede fluidet påføre krefter på den nedre flaten av stempelet 110, og dette vil skyves oppover. Den nedre sylinderen 102 mottar varme ved at sirkulasjonspumpen 8, henholdsvis 10, sirkulerer et termofluid mellom varmereservoaret 9, henholdsvis 11, og varmeveksleren 160 tildannet av de ytre fluidkanalene 162 som er tildannet utvendig på den nedre sylinderen 102 og er omsluttet av varmekappen 161. En del av denne varmen blir varmevekslet via sylinderveggen til den nedre sylinderen 102 og inn til arbeidsfluidet mens det ekspanderer ved at stempelet 110 beveger seg mot topposisjon (se figur 13), og blir derfor tilført ekstra varmeenergi under ekspansjonen. (I figurene 12-15 er det gitt at veivakselen roterer med klokka, som indikert med pil.) Dette medfører også at arbeidsfluid som eventuelt fremdeles er i væskeform, vil fortsette å fordampe under ekspansjonen. Når stempelet 110 er rundt topposisjon (figur 14), åpnes omløpsventilen 122 ved at ventilaktuatoren 123 endrer dens posisjon fra lukket til åpen, for å la arbeidsfluidet passere via omløpet 120, slik at det ekspanderer videre fra det første sylinderkammeret 150 og inn i det andre sylinderkammeret 151 idet stempelet 110 er på vei nedover (figur 15). Det andre sylinderkammeret 151 er i den viste utførelsen tilstrekkelig termisk isolert fra resten av maskinen og omgivelsene, slik at det ikke overføres nevneverdig varme til eller fra arbeidsfluidet som strømmer inn her. Det arbeidsfluidet som fremdeles befinner seg i det første sylinderkammeret 150, tilføres noe mer varme fra det andre sylinderkammerets 150 vegg i den videre ekspansjonen slik at ekspansjonen her blir ikke-adiabatisk, f.eks. polytropisk, isotermisk, isobarisk eller en mellomting. Den andelen av arbeidsfluidet som strømmer inn i omløpet 120 og videre inn i det andre sylinderkammeret 151, blir ikke tilført noe ekstra varme, og dermed blir ekspansjonen her adiabatisk eller i det minste nær-adiabatisk. Når stempelet 110 når bunnposisjon igjen (figur 12), er ekspansjonen av arbeidsfluidet avsluttet og ut-løpsventilen 131 åpner ved at den tilhørende ventilaktuatoren 132 endrer dens posisjon, og arbeidsfluidet begynner å strømme ut av det andre sylinderkammeret 151 gjennom et utløp 130, og videre inn i varmemaskinens kjøleløp 4 som består av rekuperatoren(e) 32, eventuelt 35, og kjøleren 41 samt tilhørende rør, slanger og andre relevante komponenter. Pga. veivakselens 117 roterende bevegelse, vil stempelet 110 bevege seg relativt lite rundt bunnposisjon, og noe av arbeidsfluidet vil da gjennomgå avkjøling ved relativt konstant volum, hvor det totale volumet utgjøres av summen av volumet til det andre sylinderkammeret 151 og volumet i kjøleløpet 4. Når stempelet 110 så kommer ut av bunnposisjon igjen og er på vei oppover (figur 13), vil det komprimere den resterende mengden arbeidsfluid inn i kjøleløpet 4, og videre avkjø-ling vil skje. Når stempelet 110 når topposisjonen igjen, har det fortrengt nær hele mengden arbeidsfluid fra det andre sylinderkammeret 151, og utløpsventilen 131 stenger slik at arbeidsfluidet kun befinner seg i kjøleløpet 4 hvor det avslutningsvis gjennomgår videre avkjøling, men igjen ved konstant volum, da volumet til kjøleløpet 4 ikke vil endre seg vesentlig siden det kun består av relativt faste komponenter. I kjøleløpet 4 vil arbeidsfluidet kondenseres til ren væske igjen, og syklusen er fullført. For at det alltid skal være tilstrekkelig arbeidsfluid tilgjengelig for prosessen, er væsketanken 5 anordnet ved kjøleløpets 4 utløp, og her kan et overskudd av arbeidsfluid strømme inn og ut etter behov.

I figur 17 er det vist et prinsipielt utførelseseksempel av arbeidsmekanismen til oppfinnelsen, med en dobbeltvirkende sylindersammenstilling 100a og en første varmeveksler 160 som står i termisk kontakt med det første ekspansjonskammeret 150, samt en andre varmeveksler 260 som står i termisk kontakt med det andre ekspansjonskammeret 151, som igjen er tilkoblet et tredje ekspansjonskammer 151' i en andre, enkeltvirkende, nær-adiabatisk sylindersammenstilling 100b. Andre, like elementer er for oversiktens skyld benevnt med suffiksene "a" og "b", for eksempel den første sylinderens 100a stempel 110a og den andre sylindersammenstillingens 100b stempel 110b.

I figur 18 er det vist et prinsipielt utførelseseksempel av arbeidsmekanismen til oppfinnelsen lik eksemplet på figur 17, men med to enkeltvirkende sylindere 100a, 100b med respektive ekspansjonskamre 150, 151 med interne varmevekslere 160, 260, som igjen er tilkoblet et tredje 151' ekspansjonskammer i en ytterligere enkeltvirkende nær-adiabatisk sylinder. Andre, like elementer er for oversiktens skyld benevnt med suffiksene "a", "b" og "c" på samme vis som forklart ovenfor for figur 17.

På figur 19 er det vist et svært enkelt prinsipielt utførelseseksempel av arbeidsmekanismen til oppfinnelsen, hvor kun én enkeltvirkende sylindersammenstilling 100 med tilhørende stempel 110 definerer to sylinderkamre 150, 151 i ett og samme sylindervolum, og hvor en varmeveksler 160 kun omslutter det første arbeidskammeret 150. Her kan grensesnittet mellom de to arbeidskamrene 150, 151 betraktes som et virtu-elt arbeidsfluidomløp 120 med virtuelle endepartier 120a, 120b. Stempelet 110 vil fungere som en omløpsventil 122 idet det i sin toppstilling lukker forbindelsen mellom det første og det andre sylinderkammeret 150, 151.

Referanser

US- patenter:

Andre publikasjoner:

"A Dual-Source Organic Rankine Cycle (DORC) for Improved Efficiency in Conversion of Dual Low- and Mid-Grade Heat Sources" - F. David Doty og Siddarth Shevgoor, Proceedings of the ASME 2009 3rt International Conference of Energy Sustainability, Doty Scientific, Inc. 2009

Claims

1. Framgangsmåte for varmeveksling i og arbeidsutveksling med et arbeidsfluid i en varmemaskin, eller en varmepumpe dersom framgangsmåten og dens underprosesser i det vesentlige reverseres, hvor en termodynamisk syklus for arbeidsfluidet er tilnærmet beskrevet gjennom det polytropiske forholdet PV" = konstant, hvor P er trykket, V er volumet og n er det polytropiske indekset til arbeidsfluidet med adiabatisk indeks gamma (y), og hvor maskinen består av minst én arbeidsmekanisme (1) forsynt med et første (150) og minst et andre volumendringskammer (151,151'),karakterisertved at framgangsmåten i det minste omfatter i rekkefølge følgende trinn: a) i en første volumendringsprosess å gjennomføre en første polytropisk volumendring av arbeidsfluidet i et første volumendringskammer (150), hvor n < y, og b) i en andre volumendringsprosess å gjennomføre minst én andre nær-adiabatisk eller polytropisk volumendring av arbeidsfluidet fra et første (150) til et andre (151) volumendringskammer, hvor n < y, eller hvor en volumendring starter med n < y og ender nær-adiabatisk (n « y).

2. Framgangsmåte ifølge krav 1, hvor framgangsmåten omfatter i rekkefølge følgende trinn: i en første prosess å gjennomføre en adiabatisk volumendring av arbeidsfluidet; i en andre prosess å utveksle varme med arbeidsfluidet; i en tredje prosess å gjennomføre den første volumendringsprosessen ifølge trinn a) ovenfor; i en fjerde prosess å gjennomføre den andre volumendringsprosessen ifølge trinn b) ovenfor; og i en femte prosess å utveksle varme med arbeidsfluidet, hvor varme-strømsretningen er motsatt av varmestrømsretningen i den andre prosessen.

3. Framgangsmåte ifølge krav 1, hvor framgangsmåten omfatter i rekkefølge følgende trinn: i en første prosess å gjennomføre en adiabatisk kompresjon av arbeidsfluidet; i en andre prosess å tilføre varme til arbeidsfluidet; i en tredje prosess å gjennomføre den første volumendringsprosessen ifølge trinn a) ovenfor, hvor volumendringsprosessen omfatter ekspansjon; i en fjerde prosess å gjennomføre den andre volumendringsprosessen ifølge trinn b) ovenfor, hvor volumendringsprosessen(e) omfatter ekspansjon; og i en femte prosess å avkjøle arbeidsfluidet.

4. Framgangsmåte ifølge krav 3, hvor framgangsmåten omfatter i rekkefølge følgende trinn: den første prosessen innebærer å pumpe arbeidsfluidet fra lavt til høyt trykk ved hjelp av en injeksjonsenhet (2); den andre prosessen innebærer å tilføre varme til arbeidsfluidet i et varmeløp (3) plassert eksternt i forhold til volumendringskamrene (150, 151, 151'); den tredje prosessen innebærer å injisere og ekspandere arbeidsfluidet i det første volumendringskammeret (150) og samtidig tilføre varme til fluidet fra minst en varmeveksler (160) som står i termisk kontakt med det første volumendringskammeret (150); den fjerde prosessen minst innebærer å ekspandere arbeidsfluidet videre fra det første (150, 151) til det andre volumendringskammeret (151, 151') via et arbeidsfluidomløp (120, 120'); og den femte prosessen innebærer å avkjøle arbeidsfluidet i et kjøleløp (4) anordnet eksternt i forhold til ekspansjonskamrene (150, 151, 151').

5. Framgangsmåte ifølge krav 4, hvor den fjerde prosessen mer spesifikt innebærer å ekspandere arbeidsfluidet videre fra det første (150) til det andre (151) volumendringskammeret via et arbeidsfluidomløp (120).

6. Framgangsmåte ifølge krav 4, hvor den fjerde prosessen mer spesifikt innebærer i et første steg å ekspandere arbeidsfluidet videre fra det første (150) til det andre volumendringskammeret (151) via et arbeidsfluidomløp (120), og i et andre steg å ekspandere arbeidsfluidet videre fra det andre volumendringskammeret (151) til et tredje volumendringskammer (151') via et andre arbeidsfluidomløp (120').

7. Framgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 6, hvor den fjerde prosessen videre innebærer å tilføre ytterligere varme til hele eller deler av arbeidsfluidet fra minst en varmeveksler (160) som står i termisk kontakt med det første volumendringskammeret (150).

8. Framgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 7, hvor den fjerde prosessen videre innebærer å tilføre ytterligere varme til hele eller deler av arbeidsfluidet fra minst én varmeveksler (260) som står i termisk kontakt med det andre volumendringskammeret (151).

9. Framgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående kravene, hvor arbeidsfluidet veksler mellom væske- og gassform.

10. Framgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 4 til 9, hvor arbeidsfluidet i den tredje prosessen innledningsvis er i væskeform, idet det injiseres inn i det første volumendringskammeret (150) ved tilstrekkelig høyt trykk slik at væskeform opprettholdes under injeksjonsoperasjonen.

11. Framgangsmåte ifølge krav 9 eller 10, hvor arbeidsfluidet er i væskeform i den første prosessen; i væskeform i den andre prosessen; helt eller delvis superkritisk i den andre prosessen; helt eller delvis i gassform i den tredje prosessen; i det vesentlige fordampes i den tredje prosessen; eventuelt fordampes videre i den fjerde prosessen; og i det vesentlige kondenseres i den femte prosessen.

12. Anordning ved varmemaskin, eller varmepumpe dersom anordningen og dens underkomponenter i det vesentlige innrettes for reverserte funksjoner, med minst én arbeidsmekanisme (1) forsynt med et første volumendringskammer (150) og minst et andre volumendringskammer (151, 151') med tilhørende fortrengningsmekanisme(r) (110, 110a, 110b, 110c), hvor minst én varmeveksler (160) står i termisk kontakt med og omslutter eller er omsluttet av det minst første volumendringskammeret (150), hvor volumendringskamrene (150, 151, 151') på fluidkommuniserende vis i rekkefølge er forbundet gjennom minst ett arbeidsfluidomløp (120, 120'), hvor det første volumendringskammeret (150) har et arbeidsfluidinnløp (170) og det siste volumendringskammeret (151, 151') har et arbeidsfluidutløp (130),karakterisert vedat arbeidsfluidinnløpet (170), ar-beidsfluidutløpet (130) og det minst ene arbeidsfluidomløpet (120, 1200 er forsynt med ventiler (34, 122, 131) som er synkroniserte for å opprettholde en sekvensiell arbeidsfluidstrøm i rekkefølge fra det første volumendringskammeret (150) og gjennom det minst andre volumendringskammeret (151, 151'), idet arbeidsfluidet ledes sekvensielt gjennom volumendringskamrene (150, 151, 151') i strømningsretning fra arbeidsfluidinnløpet (170) til arbeids-fluidutløpet (130).

13. Anordning ifølge krav 12, hvor volumendringskamrene (150, 151, 151') har suksessivt økende eller minkende volum.

14. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav 12 til 13, hvor volumendringskamrene (150, 151,151') er innrettet til å ha funksjon som ekspansjonskamre.

15. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav 12 til 14, hvor ar-beidsfluidomløpet (120, 120') er lukkbart ved hjelp av minst én omløpsventil (122).

16. Anordning ifølge krav 15, hvor en fluidpassasje mellom volumendringskamrene (150, 151,151') og respektive omløpsendepartier (120a, 120b, 120a', 120b') er opprettholdt i enhver av fortrengningsmekanismen(e)s (110, 110a, 110b, 110c) arbeidsposisjoner under arbeidsfluidets forflytning mellom volumendringskamrene (150, 151,151').

17. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav 12 til 16, hvor volumendringskamrene (150, 151, 151') sammen er innrettet til å kunne utføre en volumendringsprosess av et arbeidsfluid, slik at arbeidsfluidet vil kunne forflyttes nær fullstendig fra det første (150) til det andre (151) volumendringskammeret og så videre ved at volumendringskamrenes (150, 151, 151') fortrengningsmekanisme(r) (110, 110a, 110b, 110c) er mekanisk synkronisert.

18. Anordning ifølge krav 17, hvor den mekaniske synkroniseringen i hele eller deler av en driftstilstand opprettholder deplasement mellom de ulike volumendringskamrene (150, 151, 151') med sekvensielt motsatte fortegn, slik at et første volumendringskammers (150) volum vil øke når et andre kammers (151) volum minker og vice versa.