WO2004022962A1 - Thermo-hydrodynamischer-kraftverstärker - Google Patents

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WO2004022962A1
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Eckhart Weber
Olivier Paccoud
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Powerfluid Gmbh
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    • F25B9/14Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle

Definitions

  • Liquids are practically incompressible compared to gases, have a smaller, heat-related increase in volume, significantly higher specific heat capacities and offer the possibility of exchanging heat better.
  • the attempt to use liquids in heat engines as an alternative to working gas was undertaken in the mid-1920s by J. F. Malone from Newscastle-on-Tyne (England).
  • Fig. 1 the Malone machine is shown schematically. Thereby (1) the working cylinder, (2) the displacement cylinder, (3) the heater which is continuously heated by the external (flame) heat (3a), (4) the cooler, (5) the displacement piston, which is the regenerator ( 2a) 90 ° out of phase with the working piston (6) from hot to cold.
  • the object of the present invention is therefore to use the fundamental advantages of liquids as thermodynamic working media, already recognized by Malone, in a technically novel construction in such a way that the negative aspects described no longer occur.
  • thermo-hydrodynamic power amplifier TTK
  • the THK goes through a fundamentally different cycle than classic heat engines.
  • the liquid is heated isochorically from a to b.
  • the initial pressure Po corresponds to the ambient pressure (or a slightly higher pressure).
  • a shut-off element (17) opens and the liquid expands by working on a downstream system (hydraulic motor, compressor piston, etc.). This relaxation occurs until the initial pressure Po is again reached at a larger volume and higher temperature than the initial state a at c.
  • classic machines in which the fluid is brought back to the initial state a by mechanical back compression, the contraction of the liquid is brought about by heat extraction in the THK.
  • this has the great advantage that since all useful energy is withdrawn from b to c during the expansion phase, no mechanical energy has to be temporarily stored in any way (flywheel, wind boiler, etc.).
  • This principle also lies, as explained below , the possibility according to the invention of a crankshaft mechanism, with the constraining forces exerted by it on the fluid, can be completely dispensed with.
  • regenerator or recuperator is also included in the heat exchange process during work phases a ⁇ b and c - * a and the expansion of the fluid is isothermal, the work process defined by the key points a, b, c is the exception of irreversible losses in the fluid and heat loss thermodynamically ideal.
  • FIG. 4 shows the basic configuration of a THK in combination with a hydraulic motor.
  • (11) is the displacement piston which is moved up and down by a linear drive (12) inside the pressure cylinder (13). It periodically displaces the working fluid back and forth via a heater (14), regenerator (15) and cooler (16).
  • a hydraulic valve serves as a switchable shut-off element (17). This is closed at the beginning of the cycle (Fig. 3, section a ⁇ b) when the displacer moves down and thus transports the liquid to the hot side of the system.
  • the valve opens and the liquid expands at high pressure with the work being carried out by the hydraulic motor (18) with the flywheel (19) coupled. The relaxed fluid then collects in the collecting vessel (20).
  • a circulation line with the check valve (21) ensures that the fluid circulates continuously from the collecting vessel through the hydraulic motor as long as it is rotating.
  • the valve (17) is closed, the displacer (11) moves upward and displaces the fluid on the cold side of the system (Distance c ⁇ a in Fig. 3).
  • the cooling fluid contracts to the starting point a of the cycle (Fig. 3) and sucks in fluid via the line (22) and the check valve (23) from the collecting vessel (20).
  • regenerator (15) Since the regenerator (15) is flowed through in alternating directions by the hot and cold fluid, it temporarily stores heat almost without loss of entropy (because heat and cold are recovered along a linearly increasing temperature profile) and releases it back to the fluid at the right time.
  • thermo-hydrodynamic power amplifier TK
  • Fig. 4a the fluid is compressed isochorically.
  • the displacement piston (11) driven by the linear drive (12) is on its way down.
  • the hydraulic valve (17) is closed.
  • the route a -> • b is traveled in the PV diagram.
  • the fluid level in the expansion vessel (20) is at its lowest level.
  • Fig. 4a the fluid is compressed isochorically.
  • the displacement piston (11) driven by the linear drive (12) is on its way down.
  • the hydraulic valve (17) is closed.
  • the route a ⁇ b is covered.
  • the fluid level in the expansion vessel (20 is at its lowest level.
  • Fig. 4b the displacement piston (11) has reached bottom dead center.
  • the linear drive (12) stands.
  • the hydraulic valve (17) has opened.
  • the route b ⁇ c is traveled in the PV diagram.
  • the hydraulic motor (18) is driven by the relaxing liquid.
  • the fluid level in the expansion tank (20) increases.
  • FIG. 5 shows a PV diagram resulting from such a THK process. The process is started again according to the invention when the fluid is in the pressure state P 0 .
  • the medium that expands by moving the fluid from cold to hot flows through the hydraulic motor (17) under increasing pressure until at P'i at b the displacement piston (11) has reached its bottom dead center.
  • the fluid then relaxes with the displacer piston held at point c at P 0 , and is then contracted by regenerative cooling from c - ⁇ a.
  • the hydraulic valve (17) is closed during cycle part a ⁇ b ⁇ c and opened from c ⁇ b.
  • Such a variant of the THK cycle achieves lower outputs per cycle, but is characterized by a particularly smooth, continuous run and requires less pressure resistance due to the lower maximum pressure.
  • a further advantageous embodiment is the combination of the shut-off properties of the hydraulic valve (17) and the hydraulic motor.
  • 6 shows the indicator diagram of such a THK variant.
  • the fluid is isochorically compressed (valve 17 is closed) to the intermediate pressure Pi.
  • the fluid relaxes isobarically via the hydraulic motor (18) (valve 18 is open).
  • the fluid relaxes from b 'to c (valve 18 is open).
  • the valve 18 closed the fluid is again contracted from c to the initial state a by reversible heat removal.
  • THK thermoelectric heater
  • the cooler (16) Another advantageous embodiment of the THK according to the invention consists in the possibility of integrating the heater (14) and the cooler (16) into the fluid circuit only during the work cycle sections during which their respective function is required. On the one hand, this minimizes the negative effects of fluid dead volumes and, on the other hand, enables the pressure flow cross sections through the heater and the cooler to be designed without negative effects on the cycle with regard to a low dynamic flow resistance and optimal heat transfer properties.
  • Fig. 7 the corresponding, necessary by-pass lines with shut-off valves and their temporal use are shown schematically on the basis of the PV diagram.
  • the reheating by the heater (14) is due to the desired isothermal relaxation of b ⁇ c desired.
  • the fact that the fluid flows from a ⁇ b ⁇ c through the bypass 24c is marked in the PV diagram. If the fluid is subsequently reversibly cooled from c - ⁇ a and thereby contracts, only the effect of the cooler (16), but not that of the heater (14), is desired. For this reason, the heater is now shut off via the two valves 25a, 25b and the fluid is directed via the bypass 25c directly through the regenerator (15) and cooler (16) (valves 24a, 24b opened again).
  • the bypass lines 24c and 25c are provided with check valves 24d and 25d so that the fluid flows through (16) and (14) when the shut-off valves 24a, 24b and 25a, 25b are open.
  • a further embodiment of the THK machine according to the invention is to design it as a multi-cylinder machine (number n of cylinders> 2) and to control the timing of the linear drives (12) of the various cylinders in such a way that the resulting cycle overlap to a smoothed drive torque leads. This leads to much smaller flywheels.
  • the purely translatory movement of the expanding and contracting liquid column is also used to drive subsystems such as typically: air compressors, heat pump refrigeration machines, compressors, reverse osmosis systems and the like.
  • FIG. 8 shows such a THK machine according to the invention with linear force decoupling and a linear conformer. Since the subsystems in this case require a fixed working piston (instead of the "liquid" working piston described so far), the advantageous embodiment of this variant of the object according to the invention is due to the integration of the working piston (26) in the pressure cylinder (13) and the the air cushion (27) underneath the working piston makes the expansion vessel (Fig. 3, 26) unnecessary. tig.
  • the working piston which in this case also periodically moves downward during the expansion phase under the application of force, is held by the switchable shut-off element (29), which in this case is advantageously designed as a shoe brake which engages around the piston rod, until the desired maximum pressure (in the PV Indication diagram point b) is reached.
  • the force is then decoupled via the force KoiüOrmator (30), which is designed geometrically as a parallelogram.
  • the parallelogram is provided with swivel joints in its four corners, which cause its shape to change constantly due to the imprinted movement (indicated by 30, 31). If you now couple the piston rod of the desired subsystem to be operated with linear force at a corner point whose axis is perpendicular to the axis defined by the working piston, the force-effect of the working piston of the THK, which is due to the isothermal relaxation of b -> c is asymptotic, conformal, that is, even over the entire working stroke.
  • this type of THK can also be operated with the cycle variants shown in FIGS. 5 and 6 and described in the text, and can be optimized with the “by-pass” arrangements shown in FIG. 7.
  • thermodynamic machine Since the THK represents a reversible thermodynamic machine, there is a particularly advantageous variant according to the invention in its configuration as a refrigerator heat pump.
  • FIGS. 9a, 9b, 9c Such a THK machine is shown in FIGS. 9a, 9b, 9c, each with the corresponding work steps during the three work phases of the driving THK machine and the driven THK refrigerating machine heat pump.
  • the driving THK machine basically has the same structure as that shown in Fig. 8 and described in the previous text.
  • the conformer mechanism (30) pushes the working piston (26a) of the driven refrigeration machine and heat pump into the cylinder (13a) periodically and out of phase with the drive machine due to the pressure-free coupling (33a), which is also described.
  • Fig. 9a Working machine The fluid is heated isochorically from a to b.
  • the displacer (11) moves towards the fixed working piston (26)
  • Refrigerating machine The fluid is cooled isobarically by moving the displacer from a 'to c'.
  • the working piston (26a) is fixed.
  • the pressure-free coupling (33 a) is disengaged
  • Fig. 9b Working machine
  • the fluid expands isothermally from b to c Working piston (26) and displacement piston (11) move down together.
  • the pressure-free coupling (30) is engaged.
  • the shut-off element (29) is open
  • Refrigerating machine The working piston (26a) compresses the fluid.
  • the displacer piston is fixed in the outer dead center.
  • the shut-off element (29a) is open
  • Refrigerating machine The working piston (26a) is fixed at the bottom dead center by the shut-off element (29a).
  • the displacer piston pushes the fluid from b 'to a' (isochoric cooling)
  • the refrigeration machine heat pump therefore absorbs (16a) ambient heat (Kuhler), compresses it isothermally, and releases the heat again via (14a. User) Drive through “reverse” and works at a lower temperature level
  • 16a ambient heat
  • User User
  • all heat exchange processes can take place from liquid to liquid.
  • this enables much more economical and efficient coolers / heat exchangers.
  • analogous to the by-pass circuit of FIG. 7 (24c, 25c) such an arrangement can also be used in the refrigeration machine and the cooled fluid can thus flow directly through the corresponding heat sink without dead space effects.
  • the pressures must be matched to one another. According to the invention, this can be done either by corresponding volume ratios of the working machine cylinder (13) to the refrigerating machine cylinder (13a), or by a corresponding pressure reduction by means of a stepped working piston between the conformer (30) and the refrigerating machine.
  • THK refrigeration machine heat pump uses the basic principle of the known Vuilleumier refrigeration machine heat pump, which operates according to the Stirling principle, with adaptation to the special cycle of the THK machine. This variant is shown schematically in FIG.
  • both cylinder halves are filled with the same fluid at the same pressure (advantageously: 1 bar).
  • the displacement drives 12a. 12b move the displacement pistons 11a, 11b with the phase shifted by 90 °.
  • the fluid In the hot cylinder I, the fluid is brought to high pressure by heating by means of 14a. After this pressure has been reached, the valve (35) is opened and the drain fluid from cylinder I compresses the fluid in cylinder II with the development of heat. After the pressure has been equalized, the displacement piston (Ha) moves upwards in the "hot” cylinder, while in the “cold” cylinder the displacement piston moves down.
  • regenerators 15a and 15b are transferred and buffered for the following cycle section.
  • (11a) and (11b) move up synchronously. As soon as both have reached their top dead center, the valve (35) closes and the cycle begins again as described.
  • cylinder I acts as a regenerative pressure pulsator
  • cylinder II as a refrigeration machine heat pump runs through the cycle of the THK pulsator which is driven through clockwise in cylinder I to the left.
  • Heat is extracted from a desired room by (14b) at low temperature (refrigeration machine) and released again by (16c) at a medium temperature level (heat pump).
  • (16c) When operating as a heat pump or as a combined unit (simultaneous generation of cold and heat), it makes sense to connect the heat flows in series using (16c) and (16a).
  • the "Vuilleumier THK” refrigerator heat pump described here can also be operated without the valve (35).
  • the valve (35) is replaced in this case by a permanent, small passage opening in the wall (34).
  • the displacers (11a, 11b) are not moved discontinuously by 90 ° out of phase, but continuously out of phase by 90 °.
  • this simplification of the cycle according to the invention has a lower power density because of the less usable pressure fluctuation. This can in principle be compensated for by an increased operating frequency However, due to the disproportionately increasing hydraulic pressure losses, the efficiency is poor.
  • the water used by Malone has many advantages, but also the fundamental disadvantage that, in order to remain fluid over the entire working cycle, it must be subjected to a pre-pressure of> 100 bar. Although this can basically be achieved with the described THK machines, it requires expansion tanks and air boilers that are filled with this form.
  • thermodynamics of the THK preference is therefore given in particular to synthetic oils in which, as described, it is possible to work against atmospheric pressure, and which can be tailored in terms of viscosity, temperature stability, compressibility and other important parameters of the thermodynamics of the THK. Since the THK machines work well in the medium temperature range from approx. 100 ° C to approx. 400 ° C, and the heat input (and cooling) of the fluid is technically particularly easy to implement, the following energy sources for operating the THK are Of particular interest: solar energy including night operation through thermal storage, all biogenic fuels, waste heat in the temperature range mentioned. THK machines and combined THK refrigeration machine heat pumps are particularly suitable for cogeneration in buildings, for decentralized energy supply with sun and / or biomass and for the re-generation of (industrial) waste heat.

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Abstract

Thermo-Hydrodynamische-Kraftverstärkungsmaschine, die unter Nutzung einer äusseren Wärmequelle und einer äusseren Kältesenke ein flüssiges Arbeitsmedium in einem Dreitaktarbeitszyklus (isochore Erhitzung, isotherme Entspannung, Kontraktion durch regenerative Kühlung) nützliche Arbeit verrichten lässt. Dabei ist die am Verdränger (11) durch den Hilfsantrieb (12) geleistete Arbeit erheblich geringer als die vom Umwandlungssystem (18, 19) erzeugte (Kraftverstärkung). Eine invers arbeitende, fremd angetriebene Maschine wirkt als Wärmepumpe/Kältemaschine.

Description

Thermo - Hydrodynamischer Kraftverstärker
Flüssigkeiten sind im Vergleich zu Gasen praktisch inkompressibel, haben eine geringere, wärmebe- dingte Volumenzunahme, wesentlich höhere spezifische Wärmekapazitäten und bieten die Möglichkeit, Wärme besser zu tauschen. Der Versuch alternativ zum Arbeitsgas Flüssigkeiten in Wärmekraftmaschinen einzusetzen, wurde Mitte der 20-ziger Jahre des vorigen Jahrhunderts von J. F. Malone aus News- castle-on-Tyne (England) unternommen.
Er entwickelte eine der Heißgas-Stirling Maschine ähnliche regenerative Maschine, die aber statt mit Luft mit Druckwasser als Arbeitsmedium gefüllt ist. (U.S. Patent 1,487,664 vom 18. März 1924 und U.S. Patent 1,7717,161 vom 11. Juni 1929).
Er konnte nachweisen, dass er bei einer Temperaturdifferenz von 305K einen Wirkungsgrad von 27% erreichte, was einem beachtlichen Realisierungsgrad von 54% des idealen Carnot Zykluses gleichkommt und im Vergleich zu den damals üblichen Dampfmaschinen etwa doppelt so hoch war.
Der Grund für diesen guten Wirkungsgrad lag in der Tatsache begründet, dass die Maschine wie die Stirlingmaschine einen Wärmeregenerator besaß und zudem die gegenüber Gasen wesentlich besseren Wärmeübertragungseigenschaften der Flüssigkeiten nutzte. In Fig. 1 ist die Malone Maschine schematisch dargestellt. Dabei ist (1) der Arbeitszylinder, (2) der Verdrängerzylinder, (3) der Erhitzer der durch die äußere (Flammen)wärme (3a) ständig erhitzt wird, (4) der Kühler, (5) der Verdrängerkolben, der den Regenerator (2a) um 90° gegenüber dem Arbeitskolben (6) phasenverschoben von heiß nach kalt schiebt. Der mit dem Schwungrad (7) über die Pleuelstange (7a) verbundene Arbeitskolben (6) überträgt über den Hilfspleuel (8a) und den Exzenter (8) die phasenverschobene oszillierende Bewegung auf die Regeneratorstrecke (2a).
In Fig. 2 ist im PV-Diagramm sowohl ein idealer Stirling Zyklus (10), als auch der von der Malone Maschine realisierte Zyklus (9) dargestellt.
Da Wasser nur unter sehr hohen Drücken von >100 bar im verlangten Arbeitstemperaturbereich flüssig bleibt, musste Malone sehr druckfeste Zylinder einsetzen. Da er außerdem auf Kurbelwellen und Arbeitskolben zur Umwandlung der thermisch in der Flüssigkeit erzeugten Druckschwankungen in rotierende Wellenenergie zurückgriff, unterwarf er die Flüssigkeit, wie bei klassischen Arbeitsmaschinen üblich, einem Arbeitszyklus, bei dem prinzipiell während der (heißen) Expansionsphase über den Ar- beitskolben und das Kurbelwellen-Schwungrad System nützliche Arbeit abgegeben wird, während bei der (kalten) Rückkompressionsphase Arbeit in das System gebracht werden muss, die aus einem Teil der Expansionsarbeit, die im Schwungrad gespeichert wurde, stammt.
Da Flüssigkeiten im Vergleich zu Gasen oder Flüssig-Dampfgemischen nahezu inkompressibel sind, ist es unvermeidlich, dass durch die starre Zwangskoppelung die Arbeitskolben, Verdränger, Kurbelwelle und Schwungrad dem Fluid aufprägen, insbesondere während der Rückkompressionsphase extrem hohe Drücke erzeugt werden. Dies führt zu sehr hohen Druckwechselbelastungen und erfordert sehr schwere Schwungmassen, die ihrerseits starke dynamische Lasten auf die Lager und die Gesamtstruktur übertragen.
Damit wurden die grundsätzlichen Vorteile der Malone Maschine (gegenüber Gasen wesentlich bessere Wärmeübertragungseigenschaften, hohe Wärmekapazität und damit Leistungsdichte) durch die aus dieser Bauweise resultierenden Lebensdauer limitierenden Druckschwankungen konterkariert. Dies ist auch der Grund dafür, wa m diese Maschine trotz überlegener Thermodynamik keinen Eingang in den täglichen Gebrauch fand.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bereits von Malone erkannten grundsätzlichen Vorteile von Flüssigkeiten als thermodynamische Arbeitsmedien in einer technisch neuartigen Bauweise so zu nutzen, dass die beschriebenen negativen Aspekte nicht mehr auftauchen,
Die im folgendem beschriebene erfindungsgemäße Maschine wirkt als Thermo-Hydrodynamischer Kraftverstärker (THK).
Der THK durchläuft im PV-Diagramm (Fig. 3) einen grundsätzlich anderen Zyklus als klassische Wärmekraftmaschinen. Dabei wird die Flüssigkeit von a nach b isochor erwärmt. Der Anfangsdruck Po entspricht dabei dem Umgebungsdruck (oder einem geringfügig höheren Druck). Sobald in der Flüssigkeit der gewünschte Druck Pl erreicht ist, öffnet ein Absperrelement (17) und die Flüssigkeit expandiert, in dem sie Arbeit an einem nachgeschalteten System (Hydraulikmotor, Kompressorkolben usw.) leistet. Diese Entspannung geschieht bis bei nun größerem Volumen und höherer Temperatur gegenüber dem Anfangszustand a bei c wiederum der Anfangsdruck Po erreicht wird. Im Gegensatz zu klassischen Maschinen, bei denen das Fluid in den Anfangszustand a durch mechanische Rückkompression zurückgebracht wird, wird beim THK die Kontraktion der Flüssigkeit durch Wärmeentzug herbeigeführt. Dies hat erfindungsgemäß den großen Vorteil, dass, da sämtliche Nutzenergie während der Expansionsphase von b nach c entzogen wird, keine mechanische Energie in irgendeiner Weise (Schwungrad, Windkessel usw.) zwischengespeichert werden muss. Ferner liegt in diesem Prinzip, wie im weiteren ausgeführt wird, die erfϊndungsgemäße Möglichkeit auf einen Kurbelwellenmechanismus, mit dem von diesem ausgeübten Zwangskräften auf das Fluid, vollständig zu verzichten.
Wird zudem während der Arbeitsphasen a → b und c — * a ein Regenerator oder Rekuperator in den Wärmetauschprozeß einbezogen und die Expansion des Fluids isotherm geführt, ist der durch die Eck- punkte a, b, c festgelegte Arbeitsprozeß mit Ausnahme von irreversiblen Verlusten im Fluid und Wärmeverlusten thermodynamisch ideal.
In Fig. 4 ist die Grundfiguration eines THK in Kombination mit einem Hydraulikmotors schematisch dargestellt.
Dabei ist (11) der Verdrängerkolben der von einem Linearantrieb (12) im Inneren der Druckzylinders (13) auf und ab bewegt wird. Er verdrängt das Arbeitsfluid periodisch über eine Erhitzer (14), Regenerator (15) und Kühler (16) - Strecke - hin und zurück. Als schaltbares Absperrelement (17) dient ein hydraulisches Ventil. Dieses ist zu Beginn des Zykluses (Fig. 3, Strecke a → b) gesclüossen, wenn sich der Verdrängerkolben nach unten bewegt und somit die Flüssigkeit auf die heiße Seite des Systems befördert. Bein Erreichen des gewünschten Druckes Pi im Punkte b des PV-Diagrammes öffnet das Ventil und die Flüssigkeit expandiert bei hohem Druck unter Arbeitsabgabe durch den Hydraulikmotor (18) mit angekoppeltem Schwungrad (19). Das entspannte Fluid sammelt sich anschließend in dem Sammelgefäß (20), Eine Zirkulationsleitung mit dem Rückschlagventil (21) sorgt für einen ständigen Umlauf des Fluids vom Sammelgefäß durch den Hydraulikmotor, solange sich dieser dreht. Wenn die arbeitslie- fernde Entspannung des Fluids (Punkt c im PV-Diagramm, Fig. 3) beendet ist, wird das Ventil (17) geschlossen, der Verdränger (11) bewegt sich nach oben und verdrängt das Fluid auf die kalte Seite des Systems (Strecke c → a in Fig. 3). Das sich abkühlende Fluid kontrahiert zum Anfangspunkt a des Zyklusses (Fig. 3) und saugt dabei über die Leitung (22) und das Rückschlagsventil (23) Fluid aus dem Sammelgefäß (20) nach.
Da der Regenerator (15) in abwechselnder Richtung vom heißen und kaltem Fluid durchströmt wird, speichert er temporär fast ohne Entropieverlust (weil Wärme und Kälte längs eines linear ansteigenden Temperaturprofiles rückgewonnen werden) Wärme und gibt diese zum richtigen Zeitpunkt wieder an das Fluid ab.
Bei geeigneter Wahl der Oszillationsfrequenz des Verdrängers (11) und der richtigen Dimensionierung der Strömungsquerschnitte durch die Erhitzer, Regenerator. Kühlerstrecke wird erreicht, dass der Betrag der von der expandierenden Flüssigkeit abgegebenen Arbeit um ein vielfaches höher ist, als die von
Verdrängerkolben geleistete Arbeit. Aus diesem Grunde und wegen ihrer Wirkungsweise nennen wir die erfindungsgemäße Maschine Thermo-Hydrodynamischer Kraftverstärker (THK).
Zum besseren Verständnis in den Figuren 4a, 4b, 4c nochmals die drei Arbeitstakte schematisch dargestellt und dem jeweiligen Abschnitt im PV-Diagramm zugerechnet. Dabei stellt —» den Fluidfluß unter Druck dar, * Druckfluid ohne Bewegung, -→ Fluidbewegung mit geringem Druck dar.
In Fig. 4a wird das Fluid isochor komprimiert. Der Verdrängerkolben (11) angetrieben vom Linearantrieb (12) befindet sich auf seinem Weg nach unten. Das Hydraulikventil (17) ist geschlossen. Im PV- Diagramm wird die Strecke a — >• b durchfahren. Das Fluidniveau im Ausdehnungsgefäß (20) befindet sich auf seinem niedrigsten Stand.
In Fig. 4a wird das Fluid isochor komprimiert. Der Verdrängerkolben (11) angetrieben vom Linearan- trieb (12) befindet sich auf seinem Weg nach unten. Das Hydraulikventil (17) ist geschlossen. Im PV- Diagramm wird die Strecke a → b durclifahren. Das Fluidniveau im Ausdehnungsgefäß (20 befindet sich auf seinem niedrigsten Stand.
In Fig. 4b hat der Verdrängerkolben (11) den unteren Totpunkt erreicht. Der Linearantrieb (12) steht. Das Hydraulikventil (17) hat geöffnet. Im PV-Diagramm wird die Strecke b → c durchfahren. Der Hyd- raulikmotor (18) wird von der sich entspannenden Flüssigkeit angetrieben. Das Fluidniveau im Ausdehnungsgefäß (20) steigt.
In Fig. 4c bewegt sich der Verdrängerkolben (11) durch den Linearantrieb (12) nach oben. Das Hydraulikventil (17) ist geschlossen. Das drucklose heiße Fluid wird über den Regenerator (15) und Kühler (16) auf die Anfangstemperatur rückgekühlt und erfährt dadurch eine Kontraktion. Der dadurch entstehende Unterdruck saugt Fluid über die Leitung (22) aus dem Ausdehnungsgefäß (20). Dessen Niveau sinkt bis zum tiefsten Wert. Im PV-Diagramm wird die Strecke c → a durchfahren. Damit ist wieder der Anfangszustand a des Zykluses erreicht.
Das bisher geschilderte Grundftmktionsprinzip einer Dreitakt-THK Maschine kann auf verschiedene Weise variiert werden. Eine erfϊndungsgemäße Möglichkeit besteht darin, statt des Hydraulikventils (17) den Druckaufbau durch den Hydraulikmotor (18) selbst zu nutzen. Dieser Kommt dadurch zustande, dass das Schluckvolumen des Hydraulikmotors (18) so gewählt wird, dass es deutlich kleiner ist als der Volumenstrom des Fluids der durch die Erwärmung des Fluids auf der Strecke a —* b im PV-Diagramm entsteht. In Fig. 5 ist ein aus einem solchen THK-Prozess resultierendes PV-Diagramm dargestellt. Dabei wird erfindungsgemäß der Prozeß wiederum begonnen, wenn sich das Fluid im Druckzustand P0 befindet. Das durch Verschieben des Fluids von kalt nach heiß sich ausdehnende Medium durchströmt den Hydraulikmotor (17) unter ansteigendem Druck bis bei P'i bei b der Verdrängerkolben (11) seinen unteren Totpunkt erreicht hat. Anschließend entspannt sich das Fluid bei festgehaltenem Verdrängerkolben zum Punkt c bei P0, und wird dann anschließend durch regenerative Kühlung von c -→ a kontrahiert. Das Hydraulikventil (17) ist während des Zyklusteils a → b → c geschlossen und von c → b ge- öffnet.
Eine solche Variante des THK-Zyklusses erreicht zwar pro Zyklus kleinere Leistungen ist aber durch einen besonders geschmeidigen, kontinuierlichen Lauf gekennzeichnet, und benötigt wegen des geringeren Maximaldruckes eine geringere Druckfestigkeit.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit besteht in der Kombination der Absperreigenschaf- ten des Hydraulikventils (17) und des Hydraulikmotors. In Fig. 6 ist das Indikatordiagramm einer solchen THK Variante dargestellt. Ausgehend vom Anfangsdruck P0 wird das Fluid isochor (Ventil 17 ist geschlossen) auf den Zwischendruck Pi komprimiert. Von b nach b' entspannt das Fluid über den Hydraulikmotor (18) isobar (Ventil 18 ist geöffnet). Nachdem der Verdrängerkolben (11) seinen unteren Totpunkt erreicht hat, entspannt das Fluid von b' nach c (Ventil 18 ist geöffnet). Dann wird das Fluid bei geschlossenem Ventil 18 wiederum durch reversiblen Wärmeentzug von c auf den Anfangszustand a kontrahiert. Eine solche Variante des TJHK erreicht gute Zyklenleistungen und schont die Druckzylinder wegen des - im Verhältnis zur Grundvariante - geringeren Maximaldruckes.
Eine weitere, erfϊndungsgemäß vorteilhafte Ausgestaltung des THK besteht in der Möglichkeit, den Erhitzer (14) und den Kühler (16) immer nur während der Arbeitszyklusabschnitte in den Fluidkreislauf einzubinden, während dem ihre jeweilige Funktion benötigt wird. Dies minimiert einerseits die negativen Auswirkungen von Fluid-Totvolumen und ermöglicht anderseits, die Druckströmungsquerschnitte durch den Erhitzer und den Kühler ohne negative Auswirkungen auf den Zyklus im Hinblick auf einen geringen dynamischen Durchströmungswiderstand und optimale Wärmeübertragungseigenschaften zu gestalten. In Fig. 7 sind die entsprechenden, notwendigen By-passleitungen mit Absperrventilen und deren zeitlicher Einsatz an Hand des PV-Diagrammes schematisch dargestellt.
Während das Fluid von a → b durch den Verdrängerkolben verschoben wird, das Fluid also erwärmt wird, ist es unerwünscht, über den Kühler (16) Wärme zu entziehen. Durch Schließen der Ventile 24a, 24b wird das Fluid in einem By-pass (24c) um den Kühler herumgelenkt und durchströmt anschließend den Regenerator (15) und Erhitzer (14). Bei der anschließenden Entspannung des Fluids von b → c ist wiederum die Kühlung unerwünscht (24a, 24b weiterhin geschlossen, Fluid strömt durch 24c).
Die Nachheizung durch den Erhitzer (14) ist wegen der angestrebten isothermen Entspannung von b → c erwünscht. Die Tatsache, dass von a → b → c das Fluid durch den By-pass 24c fließt, ist im PV- Diagramm gekennzeichnet. Wenn das Fluid anschließend von c -→ a reversibel abgekühlt wird und dadurch kontrahiert, ist nur die Wirkung des Kühlers (16), nicht jedoch die des Erhitzers (14) erwünscht. Deswegen wird nun der Erhitzer über die zwei Ventile 25a, 25b abgesperrt und das Fluid über den By-pass 25c direkt durch den Regenerator (15) und Kühler (16) geleitet (Ventile 24a, 24b wieder geöffnet). Damit das Fluid bei geöffneten Absperrventilen 24a, 24b bzw. 25a, 25b jeweils durch (16) und (14) strömt, sind die By-passleitungen 24c und 25c mit den Rückschlagventilen 24d und 25d versehen.
Bisher wurden THK Maschinen mit Rotationsauskoppelung durch den Hydraulikmotor geschildert. Da die Zyklusenergie im Verlaufe der Entspannung des Arbeitsfluids stetig abnimmt, ist es nötig, dieses unstete Leistungsangebot zu „konformieren", Bei rotierenden Maschinen geschieht dies am besten durch ein entsprechendes Schwungrad (19).
Die Tatsache, dass einerseits Energie nach Außen nur während der Expansionsphase abgegeben wird und anderseits aus Wirkungsgradgründen die Arbeitsfrequenz der THK-Maschine möglichst niedrig sein sollte, führt dazu, dass das Schwungrad neben der beschriebenen Konformierung des unsteten E- nergieangebotes während der Expansion auch noch relativ lange Zeiträume, während der die Maschine keine Energie abgibt, überbrücken muss. Dies führt naturgemäß zu großen Schwungrädern.
Deswegen besteht eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der THK-Maschine darin, diese als Mehrzylindermaschine auszuführen (Anzahl n der Zylinder > 2) und die zeitliche Ansteuerung der Linearantriebe (12) der verschiedenen Zylinder so vorzunehmen, dass die daraus resultierende Zyklen- Überlappung zu einem geglätteten Antriebsdrehmoment führt. Dies führt zu wesentlich kleineren Schwungrädern.
Erfindungsgemäß soll aber auch die rein translatorische Bewegung der sich ausdehnenden und wieder kontrahierenden Flüssigkeitssäule zum Antrieb von Subsystemen wie typischerweise: Luftkompressoren, Wärmepumpen-Kältemaschinen, -Kompressoren, Reverse-Osmosis Anlagen und ähnlichen genutzt werden.
In Fig. 8 ist eine solche erfindungsgemäße THK Maschine mit linerarer Kraftauskoppelung und Linear- konformator dargestellt. Da die Subsysteme in diesem Falle einen festen Arbeitskolben (statt dem bisher beschriebenen „flüssigen" Arbeitskolben) nötig machen, ist die vorteilhafte Ausgestaltung dieser Variante des erfindungsgemäßen Gegenstandes durch die Integration des Arbeitskolbens (26) in den Druckzy- linder (13) und dem sich darin auf- und abbewegendem Verdrängerkolben (11), gegeben. Das Luftpolster (27) unterhalb des Arbeitskolbens macht bei dieser Bauart das Ausdehnungsgefäß (Fig. 3, 26) unnö- tig. Der sich auch in diesem Falle periodisch während der Expansionsphase unter Kraftentfaltung nach unten bewegende Arbeitskolben wird so lange vom schaltbaren Absperrelement (29), das in diesem Falle vorteilhaft als um die Kolbenstange greifende Backenbremse ausgebildet ist, festgehalten, bis der gewünschte Höchstdruck (im PV-Indikationdiagramm Punkt b) erreicht ist. Die Kraft wird dann über den geometrisch als Parallelogramm ausgebildeten KraftkoiüOrmator (30) ausgekoppelt. Das Parallelogramm ist in seinen vier Ecken mit Drehgelenken versehen, die dazu führen, dass sich seine Form durch die aufgeprägte Bewegung ständig verändert (durch 30, 31 angedeutet). Koppelt man nun in einem Eckpunkt dessen Verlaufsachse senkrecht zur durch den Arbeitskolben vorgegebenen Achse steht, die Kolbenstange des erwünschten, mit linearer Kraft zu betreibenden Subsystemes ein, so wird die Kraft- Wirkung des Arbeitskolbens des THK, die wegen der isothermen Entspannung von b — > c assymptotisch verläuft, konformiert, d.h., über den ganzen Arbeitshub vergleichmäßigt. Da der THK nur während des Expansion mechanische Arbeit an die Außenwelt abgibt, ist der Arbeitskolben des Subsystemes über die Kolbenstange (33) nur während der Expansion kraftschlüssig verbunden, d.h., er wird vom Konformator nur „geschoben" und sitzt auf der Trennstelle (33a) lose auf ihm auf (Druck-lose Koppelung).
Erfindungsgemäß kann dieser Bautyp des THK auch mit den in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellten und im Text geschilderten Zyklusvarianten betrieben werden, sowie mit den in Fig. 7 dargestellten „By-pass" Anordnungen optimiert werden.
Da der THK eine reversible thermodynamische Maschine darstellt, besteht eine besonders vorteilhafte, erfindungsgemäße Variante in seiner Ausgestaltung als Kältemaschine- Wärmepumpe.
In den Figuren 9a, 9b, 9c ist eine solche THK-Maschine jeweils mit den korrespondierenden Arbeitsschritten während der drei Arbeitsphasen der antreibenden THK-Maschine und der angetriebenen THK- Kältemaschine-Wäπnepumpe, dargestellt.
Dabei hat die antreibende THK-Maschine grundsätzlich denselben Aufbau wie er in Fig. 8 dargestellt und im vorhergehenden Text beschrieben wird. Durch den Konformatormechanismus (30) wird durch die ebenfalls beschriebene Druck-lose Koppelung (33a) periodisch und zur Antriebsmaschine phasenverschoben der Arbeitskolben (26a) der angetriebenen Kältemaschine, -Wärmepumpe in den Zylinder (13a) hineingeschoben. Die Kältemaschine besitzt erfindungsgemäß grundsätzlich dieselben Elemente wie die Arbeitsmasclüne, die daher mit derselben Nr. und dem Index a gekennzeichnet sind (14a=Erhitzer, 15a=Regeneratior, 16a=Kühler, lla= Verdränger, 12a=Verdrängerkolbenlinearantrieb, 29a=schaltbares Absperrelement). In Fig. 9a sind im rechten oberen PV-Diagramm die phasenverschobenen Arbeitszyklen der TΗK-Arbeitsmaschine ( Linie) und der IHK-Kältemaschine (- - - - Linie) dargestellt Links daneben von Fig 9a bis Fig 9c sind nur die jeweils korrespondierenden Arbeitstakte der Arbeits- und der Kältemaschine für die drei wesentlichen Arbeitstakte dargestellt Die sich darunter befindlichen Zeichnungen geben jeweils Auskunft über Lage, Bewegungsrichtung oder Stillstand von Arbeitskolben und Verdrangerkolben beider Maschinen (26, 26a, 11,11a) und des Zustandes der schaltbaren Absperrelemente (29,29a) Bei letzteren bedeutet ≡ 0 = geschlossen, ≡ 1 = geöffnet
Ferner kann an der Stellung des Konformators (30) und der Arbeitskolbenstangen Druck-lose Kopplung (33a) ersehen werden, ob die Arbeitsmaschine die Kältemaschine antreibt oder nicht Fluid und Kolbenbewegungsrichtungen sind durch Pfeile gekennzeichnet
Wahrend der drei Arbeitsphasen geschieht folgendes
Fig 9a. Arbeitsmaschine Das Fluid wird isochor von a nach b erhitzt Der Verdranger (11) bewegt sich auf den fixierten Arbeitskolben (26) zu
Kältemaschine Das Fluid wird isobar durch Verschieben des Verdrangers von a' nach c' gekühlt Der Arbeitskolben (26a) ist fixiert Die Druck-lose Kopplung (33 a) ist außer Eingriff
Fig 9b Arbeitsmaschine Das Fluid expandiert isotherm von b nach c Arbeitskolben (26) und Verdran- gerkolben (11) bewegen sich gemeinsam nach unten Die Druck-lose Kopplung (30) ist im Eingriff Das Absperrelement (29) ist geöffnet
Kältemaschine Der Arbeitskolben (26a) komprimiert das Fluid Der Verdrangerkolben ist im äußeren Totpunkt fixiert Das Absperrelement (29a) ist geöffnet
Fig 9c Arbeitsmaschme Das Fluid kontrahiert durch regenerative Abkühlung von c nach a Arbeits- und Verdrangerkolben (26, 11) bewegen sich parallel nach oben Das Absperrelement (29) ist geöffnet Die Druck-lose Kopplung (30) ist außer Eingriff
Kältemaschine Der Arbeitskolben (26a) ist durch das Absperrelement (29a) im unteren Totpunkt fixiert Der Verdrangerkolben schiebt das Fluid von b' nach a' (isochore Kühlung)
Die Kältemaschine-Wärmepumpe nimmt also über (16a) Umgebungswarme auf (Kuhler), komprimiert diese isotherm und gibt über (14a. Erlutzer) die Warme wieder ab Der dabei durclifahrene Dreitaktzyk- lus ist dem beschriebenen, erfindungsgemaßen Zyklus der Arbeitsmaschine prinzipiell analog, wird jedoch „umgekehrt" durchfahren und arbeitet auf tieferem Temperaturniveau Neben dem reversiblen, effizienten Zyklus ist es dabei besonders vorteilhaft, dass sämtliche Wärmetauschvorgänge von Flüssigkeit zu Flüssigkeit erfolgen können. Dies ermöglicht, im Gegensatz zu üblichen Zweiphasengemischen bei klassischen Kältemaschinen wesentlich ökonomischere und effizientere Kühler/Erhitzewärmetauscher. Erfindungsgemäß kann, analog zur By-pass Schaltung der Fig. 7 (24c, 25 c) eine solche Anordnung auch bei der Kältemaschine zum Einsatz kommen und somit das gekühlte Fluid ohne Totraumeffekte direkt durch die entsprechenden Kühlkörper strömen.
Da die Antriebs THK-Maschine und die angetriebene THK-Kältemaschine auf verschiedenen Temperaturniveaus arbeiten, müssen die Drücke einander angepaßt werden. Dies kann erfmdungsgemäß entweder durch entsprechende Volumenverhältnisse vom Arbeitsmaschinenzylinder (13) zum Kältemaschi- nenzylinder (13a) geschehen, oder durch eine entsprechende Druckreduzierung mittels eines Stufenarbeitskolbens zwischen Konformator (30) und Kältemaschine.
Eine weitere, erfindungsgemäße Ausgestaltung der THK-Kältemaschine-Wärmepumpe nutzt das Grundprinzip der bekannten, nach dem Stirling Prinzip arbeitenden Vuilleumier Kältemaschine- Wärmepumpe unter Anpassung an den speziellen Zyklus der THK-Maschine. In Fig. 10 ist diese Vari- ante schematisch dargestellt.
In einem gemeinsamen, durch die gut wärmeisolierte und druckfeste Wand (34) in zwei Arbeitsbereiche getrennten Zylinder (I = „heißer" Zylinder; II = „kalter" Zylinder) befinden sich jeweils ein linear angetriebener Verdrängerkolben mit angeschlossener Erhitzer-Regenerator-Kühler-Strecke. Dabei sind die dem „heißen" Zylinder zugeordneten Elemente mit dem Index a. die dem „kalten" Zylinder zugeordne- ten Elemente mit dem Index b gekennzeichnet. Durch das zeitlich steuerbare Ventil (35) werden zum gewünschten Zeitpunkt das Fluid aus Zylinder I und Zylinder II miteinander verbunden
Zu Beginn der Operation sind beide Zylinderhälften mit demselben Fluid bei gleichem Druck (vorteilhaft: 1 bar) gefüllt. Die Verdrängerantriebe 12a. 12b bewegen die Verdrängerkolben 11a, 11b mit um 90° verschobener Phase.
Im heißen Zylinder I wird das Fluid durch Erhitzung mittels 14a isochor auf hohen Druck gebracht. Nach Erreichen dieses Druckes wird das Ventil (35) geöffnet und das Drackfluid aus Zylinder I komprimiert unter Wärmeentwicklung das Fluid im Zylinder II. Nach erfolgtem Druckausgleich bewegt sich im „heißen" Zylinder der Verdrängerkolben (Ha) nach oben, während im „kalten" Zylinder der Verdrängerkolben sich nach unten bewegt.
Dabei werden sowohl im Zylinder I als auch im Zylinder II die jeweiligen Wärmeinhalte regenerativ auf die Regeneratoren 15a und 15b übertragen und für den folgenden Zyklusabschnitt zwischengespeichert. Im dritten Arbeitstakt bewegen sich (11a) und (11b) synchron nach oben. Sobald beide ihren oberen Totpunkt erreicht haben, sclύießt das Ventil (35) und der Zyklus beginnt wie beschrieben von Neuem.
Grundsätzlich agiert bei dieser erfmdungsgemäßen Variante der Zylinder I als regenerativer Druckpul- sator, während Zylinder II als Kältemaschine- Wärmepumpe den in Zylinder I nacht rechts herum durch- fahrenen Zyklus des THK-Pulsators nach links herum durchläuft. Dabei wird einem gewünschten Raum durch (14b) bei niedriger Temperatur Wärme entzogen (Kältemaschine) und durch (16c) auf einem mittleren Temperaturnineau (Wärmepumpe) wieder abgegeben. Bei Betrieb als Wärmepumpe oder als Kombiaggregat (simultane Erzeugung von Kälte und Wärme) ist es sinnvoll, die Wärmeströme durch (16c) und (16a) in Serie hintereinander zu schalten.
Grundsätzlich kann die hiermit beschriebene „Vuilleumier THK" -Kältemaschine-Wärmepumpe auch ohne das Ventil (35) betrieben werden. Erfindungsgemäß wird in diesem Falle das Ventil (35) durch eine permanente, kleine Durchgangsöffnung in der Wand (34) ersetzt. In diesem Falle werden die Verdränger (11a, 11b) nicht diskontinuierlich um 90° phasenverschoben bewegt, sondern kontinuierlich um 90° phasenverschoben. Diese Vereinfachung des erfindungsgemäßen Zyklus hat jedoch, wegen der geringeren nutzbaren Druckschwankung, eine geringere Leistungsdichte. Dies kann grundsätzlich durch eine erhöhte Arbeitsfrequenz kompensiert werden, die jedoch, wegen der überproportional ansteigenden hydraulischen Druckverluste mit einem schlechteren Wirkungsgrad behaftet ist.
Bei der Wahl der Arbeitsfluide bietet sich eine breite Palette von Möglichkeiten an. Die wichtigsten Auswahlkriterien sind: Temperatur und Zyklenstabilität, starke thermische Volumenvergrößerang, geringe Kompressibilität, hohe Wärmekapazität, cp deutlich größer als cv, hohe Siedepunkte, niedrige Gefrierpunkte, Umweltkompatibilität und Kosten.
Das, wie eingangs geschildert, von Malone benutzte Wasser weist zwar viele Vorteile auf, jedoch auch den grundsätzlichen Nachteil, dass es, um über den gesamten Arbeitszyklus flüssig zu bleiben mit >100 bar Vordruck belastet werden muss. Dies ist zwar mit den geschilderten THK Maschinen grundsätzlich realisierbar, macht allerdings Ausdehnungsbehälter und Windkessel nötig, die mit diesem Vordruck gefüllt sind.
Bevorzugt werden daher beim heutigen Stand der Technik insbesondere synthetische Öle, bei denen wie geschildert, gegen Atmosphärendruck gearbeitet werden kann, und die in Viskosität, Temperaturfestig- keit, Kompressibilität und anderen wichtigen Parametern der Thermodynamik des THK maßgeschneidert angepasst werden können. Da die THK Maschinen auch schon im mittleren Temperaturbereich von ca. 100°C bis ca. 400°C mit guten Wirkungsgraden arbeiten, und die Wärmeeinbringung (und Kühlung) des Fluids technisch besonders einfach zu realisieren ist, sind folgende Energiequellen zum Betrieb der THK von besonderem Interesse: Sonnenenergie inklusive des Nachtbetriebes durch thermische Speicher, alle biogenen Brenn- Stoffe, Abwärmen im angesprochenen Temperaturbereich. Besonders geeignet sind THK Maschinen und kombinierte THK-Kältemaschinen- Wärmepumpen zur Kraft- Wärme Koppelung in Gebäuden, zur dezentralen Energieversorgung mit Sonne und/oder Biomasse und zur Rückverstromung von (Industrie)- Abwärme.
Der wegen des neuartigen Zyklusses einfache und kompakte Aufbau macht ökonomische Anlagen mög- lieh. Aufgrund der hohen Energiedichte der Fluide können bei vertretbaren Anlagegewichten (stationäre Anwendungen) Arbeitsfrequenzen von deutlich unter 1 Hz gefahren werden. Dies minimiert nicht nur die Antriebsleistung der Verdrängerkolben, sondern erhöht zudem die Lebensdauer der Systeme.

Claims

Patentansprüche:
1. Thermo-Hydrodynamischer Kraftverstärker („THK'') dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeit im Inneren eines starren Zylinders mittels eines Hilfskolbens periodisch durch eine Erhit- zer-Generator-Kühler oder Erhitzer-Rekuperator-Kühler Anordnung von heiß nach kalt und umgekehrt verschoben wird und dass die dadurch von der sich thermisch ebenfalls periodisch zusammenziehenden und ausdehnenden Flüssigkeitssäule ausgeübte Kraftwirkung größer als die Hilfskolbenantriebskraft ist.
2. THK nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der thermischen Ausdelmung der Flüssigkeit freiwerdende Energie über geeignete technische Einrichtungen in nützliche mechanische Arbeit umgewandelt wird.
3. THK nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sich thermisch ausdehnende Flüssigkeit periodisch durch einen Hydraulikmotor strömt und an dessen Welle Rotationsenergie erzeugt.
4. THK nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hydraulikmotor ein mit Atmosphärendrack oder leichtem Überdruck beaufschlagtes Ausdehnungsgefäß nachgeschaltet ist.
5, THK nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der von der expandierenden Flüssigkeitssäule erzeugte Druck zeitlich und im Betrag durch ein schaltbares Absperrelement gere- gelt werden kann.
6. THK nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gewünschte sich einstellende Flüssigkeitsdruck entweder durch das Verhältnis des Volumenstromes der expandierenden Flüssigkeit und dem Schluckvolumen des Hydraulikmotors definiert ist, oder durch eine Kombination dieses Effektes mit dem regelbaren Absperrelement aus Ansprach 5.
7. THK nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsabgabe des Fluids während der Expansion geschieht, dieses bis auf den Umgebungsdrack oder einen nur geringfügig darüberliegenden Druck entspannt wird, und die Rückführung des Fluids in den Anfangsbestand durch Zusammenziehen über einen reversiblen Kühlvorgang erfolgt.
8. THK nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die der Expansion- und Kontraktion unterliegende Flüssigkeit zur gleichen Zeit die Hydraulikflüssigkeit des Motors ist.
9. THK nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeits- und Hydraulikflüssigkeit verschiedene Medien eingesetzt werden, die durch ein elastisches Element voneinander ge- trennt sind.
10. THK nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Minimierung der beim Verschieben des Arbeitsflüssigkeit entstehenden hydrodynamischen Reibung die Durchtrittsquerschnitte im Erhitzer, Regenerator-Rekuperator, Kühler dem Temperatur- Viskositätsverhalten der Arbeitsflüssigkeit angepasst wird.
11. THK nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende lineare Kraftentfaltung der expandierenden Flüssigkeitssäule direkt, ohne die Umwandlung in rotatorische Energie unter Zwischenschaltung geeigneter Druckkonformatoren zur Kompression von Luft, zur Druckerzeugung in reverse osmosis Anlagen, zum Betrieb von Kältekompressoren und ähnlichen, mit linearen Bewegungen arbeitenden Energiewandlern, gekoppelt wird.
12. THK nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem Druckkonforma- tor und einer linearen Druck-lose Koppelung ausgestattete Maschine mittels Fremdenergie betrieben wird und als Kältemaschine- Wärmepumpe arbeitet.
13. THK nach Ansprach 12, dadurch gekennzeichnet, dass die antreibende Energie aus einer THK- Antriebsmaschine besteht.
14. THK nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine- Wärmepumpe durch eine 1 -Zylinder- Anordnung realisiert wird, bei der eine im heißen Teil des Zylinders arbeitende THK-Maschine als Drackpulsator dient, während eine im kalten Teil des Zylinders arbeitende, den Zyklus umgekehrt durchfahrende, phasenverschoben arbeitende zweite THK-Maschine als Kältemaschine- Wärmepumpe arbeitet.
15. THK nach Ansprächen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, zeitlich phasenverschobene angetriebene Zylinder zu einer Glättung der abgegebenen Leistung führen.
16. THK nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei Mehrzylinderanordnungen die Regeneratoren durch Gegenstromwärmetauscher zwischen den Zylinder ersetzt werden können.
17. THK dadurch gekennzeichnet, dass eine in einem Arbeitszylinder eingeschlossene Flüssigkeit mittels eines Verdrängerkolbens periodisch durch einen Wärmeregenerator zwischen einer heißen und kalten Quelle verschoben wird und der sich bei Erwärmung unter Druck aufbauende Expansionsvolumenstrom durch einen hydraulischen, nachgeschalteten Motor in mechanische Rota- tionsenergie umgesetzt wird, wobei die Flüssigkeit nach Arbeitsabgabe am Motor im Regenerator regenerativ rückgekühlt wird und sich dadurch im Volumen so verkleinert, dass sie wieder in den Arbeitszylinder passt.
18. THK dadurch gekennzeichnet, dass eine in einem Arbeitszylinder eingeschlossene Flüssigkeit von einem sich zwischen einer heißen und kalten Quelle hin und her bewegenden Regenerator durchdrangen wird und der sich bei Erwärmung unter Druck aufbauende Expansionsvolumenstrom durch einen hydraulischen, nachgeschalteten Motor in mechanische Rotationsenergie umgesetzt wird, wobei die Flüssigkeit nach Arbeitsabgabe am Motor im Regenerator regenerativ rückgekühlt wird und sich dadurch im Volumen so verkleinert, dass sie wieder in den Arbeitszylinder passt.
19. THK dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeit regenerativ periodisch erhitzt und dann wieder abgekühlt wird, sodass der sich bei der Erhitzung einstellende expandierende Druck- Volumenstrom in einer Arbeitsmasclüne mechanische Arbeit leistet und die bei der anschließenden Kühlung erfolgende Volumenkontraktion die Flüssigkeit an den Anfangspunkt eines thermo- dynamischen Kreisprozesses zurückführt.
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