WO2006128423A2 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung mechanischer energie - Google Patents

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WO2006128423A2
WO2006128423A2 PCT/DE2006/000884 DE2006000884W WO2006128423A2 WO 2006128423 A2 WO2006128423 A2 WO 2006128423A2 DE 2006000884 W DE2006000884 W DE 2006000884W WO 2006128423 A2 WO2006128423 A2 WO 2006128423A2
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K25/04—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for the fluid being in different phases, e.g. foamed

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for generating mechanical energy by means of a rotary heat engine according to the preamble of claim 1 or 5.
  • a gas In closed gas turbine plants, a gas is compressed in a compressor, heated in a heat exchanger or gas heater to a high temperature, then relaxed in a turbine while performing work and in the
  • steam power plants are operated with a working medium, usually water, which is vaporized and recondensed during the process.
  • the working process is carried out in its simplest form in such a way that in a boiler the working medium (water) isobarically heated up to the boiling point at high pressure, evaporated and subsequently overheated in a so-called superheater.
  • the steam is then adiabatically expanded in a turbine while performing work and liquefied in a condenser with heat release.
  • the liquid is then brought to boiler pressure by a water pump and returned to the boiler. Again, significant amounts of energy are required to maintain said cycle.
  • DE 196 51 645 A1 discloses a method for the use of solar energy in a gas and steam power plant known. In essence, it is proposed here to supply thermal energy to the heat carrier or working medium in the gas turbine cycle by means of solar radiation.
  • the object of the invention is to provide a method for generating mechanical energy by means of a rotating heat engine, which requires in view of the prior art lower amounts of thermal energy to ensure a thermodynamic cycle for performing useful mechanical work. Furthermore, it is an object of the invention to provide a suitable device for carrying out the method.
  • the object is first by a method for generating mechanical energy by means of a rotating heat engine, with a housing part having at least one inlet and an outlet channel and at least a rotating in the housing part, wherein thermal energy is converted into mechanical work and used working media undergo a cycle, solved such that in a closed, initially equipped with a certain negative pressure system following steps are performed sequentially: a) a first liquid working medium is thermal Energy supplied b) said, enriched with thermal energy first working fluid is supplied in the liquid state at least one formed by the housing part and the housing part rotating part working chamber, c) immediately before and / or within the at least one working chamber is the first liquid working medium supplied at least one further liquid working fluid having a lower boiling temperature to the first liquid working fluid, wherein the at least one further working fluid due to the union with the first, with thermal energy enriched working medium in a gaseous state passes or expands and generates an overpressure and work done so that on the rotating part of a torque is applied, d) after a defined revolution of the rotating part which
  • thermo energy for said first working medium of one or more, thermal energy-providing facilities in the form of
  • Heating elements per se heat pumps, incinerators, heat exchangers, internal combustion engines and / or the like. Is provided more.
  • the first and / or the at least one further working medium are fed via an injection valve to the working chamber, whereby for ensuring a continuous cycle, for example, temperature and / or pressure fluctuations in the system, but also in the environment of the device Can be considered.
  • the volume of the working media supplied to the at least one working chamber as a function of the sensed current outlet temperature and / or the sensed current outlet pressure in the working chamber and / or the current outlet temperature of the first and / or at least one further working medium ,
  • the device for generating mechanical energy by means of a rotating heat engine with a housing part having at least one inlet and an outlet channel and at least one rotating part in the housing part, wherein thermal energy is converted into mechanical work and used working media undergo a cycle, characterized essentially by in that the device forms a closed system initially equipped with a certain negative pressure, a first and at least one further working medium have a liquid state of aggregation at least at the beginning of the cycle or directly before entry into the heat engine and are guided in different circuits, the circuits and accordingly, the working media immediately before and / or within at least one are formed by the housing part and the rotary member formed therein working chamber of the heat engine temporarily merged directly and at least one other working fluid has a lower boiling temperature than the first working fluid.
  • the heat engine can be charged with working medium from radially outside and / or radially inward.
  • the first liquid working medium is provided for receiving thermal energy and the at least one further liquid working medium for performing work, wherein the at least one further liquid working medium is formed by a low-boiling working medium, which is suitable in contact with the first liquid and with thermal Energy-enriched working fluid to go into a gaseous state.
  • the rotating part of the heat engine is rotatably mounted on a non-rotatable shaft in the form of a hollow shaft, said hollow shaft having at least two axially extending media supply lines, one of the at least two media supply lines for the first working medium and the other for the at least one further working medium is provided, each media supply line is connected to at least one inlet channel in the lateral surface of the hollow shaft and the inlet channels are fluidly connectable by rotation of the rotating member having at least one opening of each formed by the housing part and the rotary member working chamber of the heat engine.
  • the at least two media supply lines are formed by an axial division of the hollow shaft cavity.
  • the inlet channels of the media supply lines and the corresponding openings of the working chambers are arranged to each other such that when circulating the rotating Part of the relevant working chamber can be acted upon in chronological succession or simultaneously with the working media.
  • the media supply lines can be subjected to an overpressure.
  • the heat engine thereof may be provided in the housing part of the heat engine, at least one opening for additional loading of the working chambers with the first working fluid from the outside radially.
  • At least one vent valve in the housing part, from which excess first working medium can escape during the charging of the relevant working chamber with the first and / or further working medium.
  • At least one opening for additional charging of the respective already filled with two working media working chamber with the at least one other working fluid may be provided in the housing part, whereby also one or a further increase in the efficiency of the device respectively the heat engine thereof can be effected.
  • the heat engine of the device in question are two or more coaxially arranged and rotatably connected to each other and largely identically formed rotating parts rotatably mounted on a common non-rotatable hollow shaft with media supply lines.
  • the rotating parts may be so arranged angularly offset relative to each other about the central axis, that an imbalance in the formed rotating system is avoided due to expansion of the working medium mixture.
  • the circulation of the first working medium one or more, thermal energy providing facilities in the form of Solar collectors, electric energy generating photovoltaic cells in conjunction with electrically operated heating elements, heat accumulators, electrical heating elements per se, heat pumps, incinerators, heat exchangers, internal combustion engines and / or the like. More assigned.
  • pumping pumps integrated into the circuits of the working media have proven to be advantageous, which certainly easily support a continuous circular process.
  • a means for the spatial separation of the working media and assignment of the same is arranged on the respective circuit in the flow direction of the working media or the working medium mixture seen immediately behind the heat engine.
  • the means for the spatial separation of the working media is formed by a condensation part, wherein at the bottom thereof the first liquid working fluid can be discharged and in the upper part of the condensation part, the at least one further, located in the gaseous state working fluid sucked and condensation by cooling can be supplied.
  • the condensation part has an integrated and externally driven piston-cylinder arrangement.
  • a heat pump whose evaporator is connected to the cooling of the extracted in the upper part of the condensation part and in the gaseous state working medium with said condensation part for the spatial separation of the working media.
  • the heat engine can at least one sensor for determining the current output temperature and / or the current output pressure in the be associated with at least one working chamber and / or for determining the output temperature of the first and / or at least one further working medium.
  • the at least one sensor is electrically or contactlessly with a computer unit, which in turn generates control signals, at least one arranged in the circulation of the first working medium and the inlet channel thereof associated injection valve, preferably with one in the circulation of the first and at least one further working medium and the same the inlet channel associated injection valve connected.
  • the device can be used as a drive for a vehicle, in particular also as a drive in a hybrid vehicle and / or by means of at least one generator connected to the rotating part of the heat engine for generating electrical energy.
  • FIG. 2 is a very schematic radial section through the heat engine of the apparatus of FIG. 1 according to a first possible embodiment variant
  • FIG. 3 is a piston-cylinder arrangement of a condensation part of the device according to FIG. 1
  • FIG. 4 is the heat engine of the device according to FIG. 1 in a longitudinal section
  • FIG. 5 shows the heat engine according to FIG. 4 in a radial section
  • FIG. 6 shows the perspective view of the rotating part of the heat engine according to FIG. 4 in a partial longitudinal section
  • FIG. 7 is a perspective view of the fully assembled heat engine of FIG. 4 in a partial longitudinal section, and 8 shows the perspective view of the completely assembled heat engine according to FIG. 4.
  • FIG. 1 and 2 show a rotary heat engine 1, with a housing part 2 and a rotating part in the same part 3, which in the present case by a plurality on a shaft 4 fixedly arranged rotor blades 5 is formed.
  • the heat engine 1 shown corresponds, so to speak, in its basic structure of a known turbine with a turbine housing and a turbine wheel revolving therein.
  • the heat engine 1 is operated with a first and at least one further working medium 6, 7.
  • the working media 6, 7 are guided in different circuits 8, 9 and have at the beginning of each cycle respectively immediately before entering the heat engine 1 to a liquid state of matter.
  • the entire device consisting in particular of the heat engine 1, the connected circuits 8, 9 and ancillaries, thereby forms a largely closed system, which is ensured by known per se comprehensive sealing measures.
  • liquid working media 6, 7 are provided with different boiling temperatures in the initial state, wherein the at least one further working fluid 7 has a lower boiling temperature than the first working medium 6 and in turn is suitable, in contact with the first to pass with a correspondingly high thermal energy enriched working fluid 6 in a gaseous or vaporous state.
  • the first liquid working medium 6 for receiving thermal energy and the at least one further liquid working medium 7 for performing work are thus provided.
  • the thermal energy can in this case the first working medium 6 by means of one or more suitable devices 14, for example in the form of solar collectors, electric energy generating photovoltaic cells in conjunction with electrically operated heating elements, heat storage, electrical heating elements per se, which are for example mains operated, heat pumps, incinerators, Heat exchangers, internal combustion engines, in which the residual heat from the fuel combustion can be used, and / or the like. More, are provided via an integrated into the circuit 8 of the first working medium 6 heat exchanger 14 a.
  • a known feed pump 15 is arranged in each of these. This can be operated electrically, but also mechanically, for example via a per se known belt or gear transmission with the shaft 4 of the heat engine 1 operatively connected (not shown in detail).
  • the entire system is first equipped with a certain negative pressure in order, as described in more detail below, to accomplish a start of the same can.
  • the first liquid working medium 6 is supplied with thermal energy to the abovementioned devices 14.
  • the thermal energy-enriched working medium 6 is formed by a viscous, non-inflammable or flame-retardant, corrosion-inhibiting and high thermal energy or heat-absorbing substance.
  • a viscous, non-inflammable or flame-retardant, corrosion-inhibiting and high thermal energy or heat-absorbing substance such as a 1, 2 or 1, 3-propanediol-water mixture, commercially known as "solar fluid L” or “Tyfocor ® LS" on.
  • the invention is not limited to the aforementioned substance, but covers all known and suitable substances, the above features largely take into account and have a melting point below -30 0 C and a boiling point above 180 ° C and not in the heat chemically connect another working medium 7.
  • the first working medium 6 enriched with thermal energy is now, as shown in FIG. 2, due to the line pressure established by the feed pump 15 of the relevant circuit 8 at a time "ti" from radially outside by means of an injection valve 17 via a first inlet channel 10 of the housing part 2 of the heat engine 1 injected into a formed by the rotating part 3 (turbine wheel) and the rotor blades 5 and the housing part 2 working chamber 16i.
  • the first inlet channel 10 of the housing part 2 may also be arranged such that gravity acting on the working medium 6 injected into the working chamber 16i already causes a certain desired rotational movement of the rotating part 3. If said working chamber 16 1 has reached the second inlet channel 11 at a time "t 2 ", the working chamber 161 (160 and accordingly the first working medium 6 enriched with thermal energy is likewise at least one further from the outside radially via an injection valve 18 under high pressure, initially supplied liquid working medium 7, which in turn has a lower boiling temperature than the first working medium. 6
  • liquid alkanes such as hexane, with a boiling point of about 68.7 0 C, or heptane, with a boiling point of 98.4 0 C offer.
  • 1-valent alcohols such as. B. 2-propanol, with a boiling point of 82.3 0 C, propanol, having a boiling point of 97 0 C, or ethanol, find a boiling point of 78.3 0 C use.
  • alicyclic compounds of the cycloalkanes such as. B. cyclopentane, hexane, heptane, having a boiling point of about 70 0 C to about 100 0 C.
  • other known inert, low-boiling liquids such as azeotropic mixtures, alkenes or, Metylalkane conceivable.
  • the low-boiling working medium 7 passes under the performance of work in a gaseous or vaporous state. It expands and thus generates an overpressure "P 1 ", which in turn applies a torque to the rotating part 3 of the heat engine 1, which moves the working chamber I 6 1 (160 in the direction of the outlet channel 12 of the heat engine 1. It goes without saying that for the realization of a uniform rotational movement of the rotating part 3 of the heat engine and the subsequent working chambers 16 2-n as described above with working media 6, 7 are charged.
  • a suitable means for cooling the working medium mixture 13 and for the spatial separation of the working media 6, 7 is presently formed by a condensation part 19, in which the at least one low-boiling working medium 7 is converted by condensation of the same back into the liquid initial state.
  • Fig. 1 shows very schematically such a condensation part 19, wherein at the bottom 19a thereof the first liquid working medium 6 dischargeable and in an upper bell-shaped portion 19b of the condensation part 19, the at least one further, located in the gaseous state working medium 7 sucked and said condensation by cooling can be fed.
  • cooling coils 20 of an evaporator of a per se known heat pump are provided, which in turn is integrated in the circuit 8 of the first working medium 6.
  • Other known cooling measures such as air cooling.
  • the dissipated heat energy can be used for renewed heating of the first working medium 6 and / or serve for heating a third working medium and / or a domestic water heating.
  • a externally driven and cooled piston-cylinder arrangement 32 may be provided (Fig. 3).
  • the piston-cylinder arrangement 32 essentially comprises an upper and a lower piston 33, 34, which in turn are fixedly connected to one another by means of a rigid, elongate rod part 35 and axially guided in each case in a cylinder 36, 37.
  • the two cylinders 36, 37 are interconnected via a bore, in which the rod member 35 is sealingly guided.
  • the upper piston 33 defines an upper working chamber 38 towards the lower piston 34, whereas the lower piston 34 delimits a lower working chamber 39 towards the upper piston 33.
  • the composite of pistons 33, 34 and rod member 35 is axially movable within the cylinder 36, 37 by means of a known per se and not shown in detail foreign drive 40, which may be operated electrically, mechanically or electro-mechanically.
  • Gaseous working medium 7 and any leakage of air into the same through leakage of the system is passed through a valve 41, which may be a one-way opening ball valve, into the lower working space 39 Vacuum sucked in the same.
  • a valve 41 which may be a one-way opening ball valve
  • the lower piston 34 is moved by means of the external drive 40 to a top dead center, wherein a compression of the gaseous working medium 7 together with any air, accompanied by a certain warming, is recorded.
  • the valve 41 is closed.
  • a media exchange can be recorded via a working channel 42 incorporated into the outer contour of the rod part 35, since the upper piston 33 has been displaced upwards to produce a negative pressure.
  • valve 45 which is sensory or mechanical and can also be a one-sided opening ball valve, opened in the lower third of the downward piston movement and the condensed working fluid 7 passed to the associated media circuit 9. Any air is discharged or removed from the system via a valve 46 during the next upward movement of the piston unit, ie, when the upper piston 33 reaches the top dead center.
  • the working media 6, 7 are also to be selected depending on the respective site of use, so that the state of aggregation required in the system according to the method is maintained or attained for all the expected temperature ranges at said site of use.
  • At least one suitable, per se known pressure and / or temperature sensor 21 is provided, which in turn is electrically or contactlessly connected to a computer unit 22 (FIG. 1).
  • This computer unit 22 in turn generates in dependence on the signals 21 a provided by the at least one sensor 21 and using Pre-determined comparison values control signals 22a for at least one of the two injectors 17, 18 of the circuits 8, 9, preferably for both injectors 17, 18 of the circuits 8, 9, whereby the injection volume of the working media 6, 7 or the optimal amount of evaporating liquid (working medium 7) can be advantageously controlled to ensure a continuous cycle and a high efficiency of the heat engine 1.
  • thermal energy is provided than required by means of the device 14, for example a solar collector, providing at least one thermal energy, then it can be used and / or stored for heating purposes.
  • a suitable storage medium such as a salt solution or a paraffin influenced in the melting point, are available as storage.
  • a known generator 23 for generating electrical energy is expediently connected to the rotating part 3 of the heat engine 1 or to the shaft 4 thereof.
  • the above embodiment essentially relies on a heat engine 1 in the manner of a known turbine with a turbine housing and a rotating turbine wheel, wherein the working media 6, 7 exclusively from radially outside through inlet channels 10, 11 in the housing part 2 of the heat engine 1 through the working chambers 16i - n be supplied.
  • a heat engine 1 in the manner of an engine with motor housing and based on a rotary engine with a rotating piston, wherein instead of the conventional fuel combustion, the thermal reaction of a liquid working medium 7 in the sense only a change in the state of matter, namely from the liquid to the gaseous out, and a resulting expansion of the same, along with the performance of work, is used.
  • This heat engine 1 is likewise operated with a first and at least one further working medium 6, 7 of the type described above in different circuits 8, 9.
  • the working media 6, 7 are fed into the circuits 8, 9 integrated media supply lines 25, 26 of the housing part 2 fixed shaft 4.2, which is presently designed as a hollow shaft.
  • the shaft 4.2 in the form of a hollow shaft, according to a preferred embodiment, an axial division, which in turn is realized by a partition wall 27.
  • the partition wall 27 preferably has a thermal insulation, not shown here, in order to avoid a heat exchange between the two working media 6, 7 within the shaft 4.2 as far as possible.
  • Each rotating part 3.1 to 3.6 are each assigned an inlet channel 10 for the first working medium 6 and one inlet channel 11 for the at least one further working medium 7 in the lateral surface of the non-rotatable shaft 4.2 / hollow shaft.
  • Said inlet ducts 10, 11 are in turn fluidically connectable by presently to be performed in the clockwise rotation of the respective associated rotating part 3.1 to 3.6 successively each with an opening 28 formed by the housing part 2 and the corresponding rotating part 3.1 arranged therein working chamber 16 1-n (see in particular Fig. 5).
  • the openings 28 of all rotating parts 3.1 to 3.6 are presently introduced into the shell of the common hollow shaft 4.1 of the rotating parts 3.1 to 3.6 and preferably fluidically designed as a nozzle, not shown in detail, whereby the flow rate of the working media 6, 7 can be increased advantageously.
  • the working media 6, 7 are now supplied primarily from radially inward, ie, via the centrally arranged, stationary shaft 4.2 to the working chamber 16i- n . Furthermore, the rotating parts 3.1 to 3.6 of the heat engine 1 each associated with an outlet channel 12 in the wall of the housing part 2 for guiding the working medium mixture 13 from the heat engine 1 out.
  • the working media 6, 7 and their circuits 8, 9 are, as already demonstrated above, within the heat engine 1 directly merge.
  • liquid working media 6, 7 are provided with different boiling temperatures here in the initial state, wherein the at least one further working fluid 7 has a lower boiling temperature than the first working medium 6 and in turn is suitable upon contact with the first, enriched with correspondingly high thermal energy working medium 6 in a gaseous or vaporous state.
  • the first liquid working medium 6 is then also provided for receiving thermal energy and the at least one further liquid working medium 7 for performing work.
  • the first working medium 6 enriched with thermal energy is formed at a point of time V with overpressure via the inlet duct 10 into a rotating part 3.1 to 3.6 or its rotor blades 5 and the housing part 2 Working chamber 16i injected via the opening 28.
  • the flow energy of the injected first working medium 6 can be used in the working chamber 16i.
  • the inlet channel 10 may be arranged such that the acting gravity of the working medium 6 causes a certain rotational movement of the rotating parts 3.1 to 3.6.
  • the desired rotational movement for starting the system be accomplished by an external drive, not shown, for example, an electric drive.
  • the working chamber 16i If said working chamber 16i has reached the downstream second inlet channel 11 at a point in time “t 2 ", the working chamber 16i (160 and thus the first working medium 6 enriched with thermal energy likewise receives the at least one further initially liquid working medium 7 through the opening 28 with overpressure fed, which in turn has a lower boiling temperature than the first working medium.
  • the low-boiling working medium 7 passes under the performance of work in a gaseous or vaporous state. It expands and thus generates an overpressure "p ⁇ which in turn applies a torque to the rotating parts 3.1 to 3.6 of the heat engine 1, which moves the working chamber 16i (16O) in the direction of the outlet channel 12 of the heat engine 1. It goes without saying that for the realization a uniform rotational movement of the rotating part 3.1 to 3.6 of the heat engine 1, the respective subsequent working chambers 16 2 - ⁇ as described above with working media 6, 7 are charged.
  • the housing part 2 a each rotating part of 3.1 to 3.6 associated opening 29 for additional feed to the working chambers 16I n with first working medium 6 radially from the outside with simultaneous feed with first working medium 6 from radially inside to , whereby the efficiency of the heat engine 1 can be further increased.
  • At least one opening 31 is provided in the housing part 2 for additional charging of the respective already filled with both working media 6, 7 working chamber 16i -n with the at least one other working medium 7.
  • the charge requires an overpressure that is above the internal pressure in the respective working chamber 16i- n at this time as a result of expansion of the low-boiling working medium 7.
  • a per se known and accordingly not shown injection nozzle is considered here.
  • the rotating parts 3.1 to 3.6 are arranged angularly offset relative to each other about the central axis, that during operation of the heat engine 1 an imbalance in the rotating system formed thereof is avoided due to expansion of the working medium mixture 13 (not shown in detail ).
  • This embodiment provides for a plurality, i. h., On two or more coaxial with each other and with each other rotatably connected and largely identically formed rotating parts 3.1 to 3.6, which are rotatably mounted on a common rotationally fixed shaft 4.2 in the form of a hollow shaft with media supply lines 25, 26 from.
  • this may be formed in the manner of a turbine known per se with turbine housing and a turbine wheel rotating therein, wherein the generation of electrical energy is proposed as a special application.
  • the heat engine 1 can also be used as a drive in a hybrid vehicle, wherein the required thermal energy can be provided, for example, from the residual heat of an internal combustion engine or other suitable internal or external heat sources, such as solar energy.

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Abstract

Die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine (1) anzugeben bzw. Zu schaffen, welche im Hinblick auf den Stand der Technik geringere Mengen an thermischer Energie zur Gewährleistung eines thermodynamischen Kreisprozesses zur Verrichtung von verwertbarer mechanischer Arbeit benötigen, wird im Wesentlichen durch die Verwendung eines ersten flüssigen Arbeitsmediums (6) und zumindest eines weiteren flüssigen Arbeitsmediums (7) gelöst, wobei das zumindest eine weitere flüssige Arbeitsmedium (7) eine niedrigere Siedetemperatur aufweist als das erste und infolge der Vereinigung mit dem ersten, mit thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium (6) in einen gasförmigen Zustand übergeht respektive expandiert sowie einen Überdruck erzeugt und Arbeit derart verrichtet, dass auf das drehende Teil (3; 3.1 -3.6) der Wärmekraftmaschine (1) ein Drehmoment aufgebracht wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 5.
Wärmekraftmaschinen bzw. Wärmekraftanlagen, die ihrerseits thermodynamische Kreisprozesse zur Verrichtung von mechanischer Arbeit und nachfolgenden Erzeugung elektrischen Stroms realisieren, sind seit langem bekannt. Insoweit wird auf Dubbel "Taschenbuch für den Maschinenbau", 20. Auflage, Springer- Verlag, S. D18-D21 verwiesen. Danach kommen überwiegend Gasturbinen- und Dampfkraftanlagen zur Anwendung.
Bei geschlossenen Gasturbinenanlagen wird ein Gas in einem Verdichter komprimiert, in einem Wärmeübertrager oder Gaserhitzer auf eine hohe Temperatur erwärmt, dann in einer Turbine unter Verrichtung von Arbeit entspannt und im
Wärmeübertrager und dem sich anschließenden Kühler wieder auf die
Anfangstemperatur gekühlt, worauf das Gas erneut vom Verdichter angesaugt wird.
Als Arbeitsmedien können Luft, aber auch Helium und Stickstoff zur Anwendung kommen. Als nachteilig werden u. a. die relativ hohen Energiekosten zur
Gewährleistung des Prozesses herausgestellt.
Dampfkraftanlagen werden dagegen mit einem Arbeitsmedium, üblicherweise Wasser, betrieben, das während des Prozesses verdampft und wieder kondensiert wird. Der Arbeitsprozess wird in seiner einfachsten Form derart durchgeführt, dass in einem Kessel das Arbeitsmedium (Wasser) bei hohem Druck isobar bis zum Siedepunkt erwärmt, verdampft und anschließend in einem sogenannten Überhitzer noch überhitzt wird. Der Dampf wird dann in einer Turbine unter Verrichtung von Arbeit adiabat entspannt und in einem Kondensator unter Wärmeabgabe verflüssigt. Anschließend wird die Flüssigkeit von einer Wasserpumpe auf Kesseldruck gebracht und wieder in den Kessel zurückgeführt. Auch hier sind erhebliche Energiemengen erforderlich, um besagten Kreisprozess aufrecht zu erhalten. Weiter ist aus der DE 196 51 645 A1 ein Verfahren zur Nutzung von Solarenergie in einem Gas- und Dampf-Kraftwerk bekannt. Im Wesentlichen wird hier vorgeschlagen, dem Wärmeträger respektive Arbeitsmedium im Gasturbinenkreis mittels Sonnenstrahlung thermische Energie zuzuführen.
Schließlich ist aus der US 3 972 195 ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie mittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine, mit einem Gehäuseteil mit einem Einlass- und einem Auslasskanal und einem im Gehäuseteil angeordneten Rotorteil bekannt, wobei thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, indem zwei anfangs flüssige Arbeitsmedien derart einen Arbeitsprozess durchlaufen, dass ein erstes Arbeitsmedien mit thermischer Energie angereichert wird und das zweite Arbeitsmedium eine niedrigere Siedetemperatur aufweist als das erste, so dass das zweite verdampfungsfähige Arbeitsmedium bei Kontakt mit dem ersten, mit thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium in einen gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Die beiden Arbeitsmedien werden innerhalb einer Düse zusammengeführt, so dass im Ergebnis ein „Zwei-Phasen-Jet", d. h., eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit, bestehend aus einem flüssigen und einem gasförmigen Arbeitsmedium, erzeugt wird, welcher auf Rotorblätter des Rotors trifft und denselben infolge der erhöhten Strömungsenergie antreibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine anzugeben, welches im Hinblick auf den Stand der Technik geringere Mengen an thermischer Energie zur Gewährleistung eines thermodynamischen Kreisprozesses zur Verrichtung von verwertbarer mechanischer Arbeit benötigt. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 5, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen entnehmbar sind.
Danach wird die Aufgabe zunächst durch ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine, mit einem Gehäuseteil mit zumindest einem Einlass- und einem Auslasskanal und zumindest einem im Gehäuseteil drehenden Teil, wobei thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird und verwendete Arbeitsmedien einen Kreisprozess durchlaufen, derart gelöst, dass in einem geschlossenen, anfangs mit einem bestimmten Unterdruck ausgestatteten System folgende Verfahrensschritte nacheinander durchgeführt werden: a) einem ersten flüssigen Arbeitsmedium wird thermische Energie zugeführt, b) besagtes, mit thermischer Energie angereichertes erstes Arbeitsmedium wird im flüssigen Zustand zumindest einer durch das Gehäuseteil und dem im Gehäuseteil angeordneten drehenden Teil gebildeten Arbeitskammer zugeführt, c) unmittelbar vor und/oder innerhalb der zumindest einen Arbeitskammer wird dem ersten flüssigen Arbeitsmedium zumindest ein weiteres flüssiges Arbeitsmedium mit einer zum ersten flüssigen Arbeitsmedium niedrigeren Siedetemperatur zugeführt, wobei das zumindest eine weitere Arbeitsmedium infolge der Vereinigung mit dem ersten, mit thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium in einen gasförmigen Zustand übergeht respektive expandiert sowie einen Überdruck erzeugt und Arbeit derart verrichtet, dass auf das drehende Teil ein Drehmoment aufgebracht wird, d) nach einer definierten Umdrehung des drehenden Teils wird das aus dem ersten und dem zumindest einen weiteren Arbeitsmedium bestehende
Arbeitsmedien-Gemisch infolge eines am Auslasskanal anliegenden Unterdruckes der zumindest einen Arbeitskammer durch besagten Auslasskanal im Gehäuseteil hindurch entnommen und nachfolgend abkühlt, wodurch ein ständiges Druckgefälle im System zur Entnahme eines nachfolgenden Arbeitsmedien-Gemisches und zur Gewährleistung eines kontinuierlichen Kreisprozesses aufrecht erhalten wird, e) die Arbeitsmedien werden voneinander räumlich getrennt und in den Kreisprozess respektive in getrennte Kreisläufe zurückgeführt.
Die erfindungsgemäße Nutzung von zumindest zwei, unterschiedliche Siedetemperaturen aufweisenden Arbeitsmedien gestattet in besonders vorteilhafter Weise eine punktuelle Erzeugung von gasförmigem Arbeitsmedium im unmittelbaren Bereich der Wärmekraftmaschine, wobei im Vergleich mit herkömmlichen Wärmekraftmaschinen die erforderlicher thermischer Energie zur Gewährleistung des kontinuierlichen Kreisprozesses wesentlich minimiert ist.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die thermischer Energie für besagtes erstes Arbeitsmedium von einer oder mehreren, thermische Energie bereitstellenden Einrichtungen in Form von
Solarkollektoren, elektrische Energie erzeugenden Photovoltaikzellen in Verbindung mit elektrisch betriebenen Heizelementen, Wärmespeichern, elektrischen
Heizelementen an sich, Wärmepumpen, Verbrennungsanlagen, Wärmetauschern, Verbrennungskraftmaschinen und/oder dgl. mehr bereitgestellt wird.
Wie die Erfindung weiter vorsieht, werden das erste und/oder das zumindest eine weitere Arbeitsmedium über je ein Einspritzventil geregelt der Arbeitskammer zugeführt, wodurch zur Gewährleistung eines kontinuierlichen Kreisprozesses beispielsweise auch Temperatur- und/oder Druckschwankungen im System, aber auch in der Umgebung der Vorrichtung Berücksichtigung finden können.
Demgemäß kann es angezeigt sein, das Volumen der der zumindest einen Arbeitskammer zugeführten Arbeitsmedien in Abhängigkeit von der sensierten aktuellen Ausgangstemperatur und/oder dem sensierten aktuellen Ausgangsdruck in der Arbeitskammer und/oder der aktuellen Ausgangstemperatur des ersten und/oder zumindest einen weiteren Arbeitsmediums rechnergesteuert zu ermitteln.
Die Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine, mit einem Gehäuseteil mit zumindest einem Einlass- und einem Auslasskanal und zumindest einem im Gehäuseteil drehenden Teil, wobei thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird und verwendete Arbeitsmedien einen Kreisprozess durchlaufen, zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass die Vorrichtung ein geschlossenes, anfangs mit einem bestimmten Unterdruck ausgestattetes System bildet, ein erstes und zumindest ein weiteres Arbeitsmedium wenigstens zu Beginn des Kreisprozesses respektive unmittelbar vor Eintritt in die Wärmekraftmaschine einen flüssigen Aggregatzustand aufweisen und in verschiedenen Kreisläufen geführt sind, die Kreisläufe und demgemäß die Arbeitsmedien unmittelbar vor und/oder innerhalb zumindest einer durch das Gehäuseteil und das darin angeordnete drehende Teil gebildeten Arbeitskammer der Wärmekraftmaschine vorübergehend direkt zusammengeführt sind und das zumindest eine weitere Arbeitsmedium eine niedrigere Siedetemperatur aufweist als das erste Arbeitsmedium.
Die Wärmekraftmaschine kann hierbei von radial außen und/oder radial innen mit Arbeitsmedium beschickbar sein.
Das erste flüssige Arbeitsmedium ist zur Aufnahme von thermischer Energie und das zumindest eine weitere flüssige Arbeitsmedium zur Verrichtung von Arbeit vorgesehen, wobei das zumindest eine weitere flüssige Arbeitsmedium durch ein niedrigsiedendes Arbeitsmedium gebildet ist, welches geeignet ist, bei Kontakt mit dem ersten flüssigen und mit thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium in einen gasförmigen Zustand überzugehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das drehende Teil der Wärmekraftmaschine auf einer drehfesten Welle in Form einer Hohlwelle drehgelagert, wobei besagte Hohlwelle zumindest zwei sich in axialer Richtung erstreckende Medienzuführungsleitungen aufweist, die eine der zumindest zwei Medienzuführungsleitungen für das erste Arbeitsmedium und die andere für das zumindest eine weitere Arbeitsmedium vorgesehen ist, jede Medienzuführungsleitung mit zumindest einem Einlasskanal in der Mantelfläche der Hohlwelle verbunden ist und die Einlasskanäle durch Drehung des drehenden Teils mit zumindest einer Öffnung einer jeden durch das Gehäuseteil und das darin angeordnete drehende Teil gebildeten Arbeitskammer der Wärmekraftmaschine strömungstechnisch verbindbar sind.
Vorzugsweise sind die zumindest zwei Medienzuführungsleitungen durch eine axiale Teilung des Hohlraums der Hohlwelle gebildet.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Einlasskanäle der Medienzuführungsleitungen und die zu diesen korrespondierenden Öffnungen der Arbeitskammern derart zueinander angeordnet sind, dass bei Umlauf des drehenden Teils die betreffende Arbeitskammer zeitlich nacheinander oder gleichzeitig mit den Arbeitsmedien beaufschlagbar ist.
Ferner können die Medienzuführungsleitungen mit einem Überdruck beaufschlagt sein.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Vorrichtung respektive der Wärmekraftmaschine derselben kann im Gehäuseteil der Wärmekraftmaschine zumindest eine Öffnung zur zusätzlichen Beschickung der Arbeitskammern mit erstem Arbeitsmedium von radial außen vorgesehen sein.
Des Weiteren kann es sich als zweckmäßig erweisen, im Gehäuseteil zumindest ein Entlüftungsventil anzuordnen, aus welchem überschüssiges erstes Arbeitsmedium während der Beschickung der betreffenden Arbeitskammer mit erstem und/oder weiterem Arbeitsmedium entweichen kann.
Ebenso kann im Gehäuseteil zumindest eine Öffnung zur zusätzlichen Beschickung der jeweiligen bereits mit beiden Arbeitsmedien gefüllten Arbeitskammer mit dem zumindest einem weiteren Arbeitsmedium vorgesehen sein, wodurch ebenfalls eine bzw. eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades der Vorrichtung respektive der Wärmekraftmaschine derselben bewirkt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Wärmekraftmaschine der in Rede stehenden Vorrichtung sind zwei oder mehr koaxial zueinander angeordnete und miteinander drehfest verbundene sowie weitestgehend gleichartig ausgebildete drehende Teile auf einer gemeinsamen drehfesten Hohlwelle mit Medienzuführungsleitungen drehgelagert.
Die drehenden Teile können derart relativ zueinander um die Mittelachse winkelversetzt angeordnet sein, dass eine Unwucht im gebildeten drehenden System infolge Expansion des Arbeitsmedien-Gemisches vermieden ist.
Wie die Erfindung noch vorsieht, sind dem Kreislauf des ersten Arbeitsmediums eine oder mehrere, thermische Energie bereitstellende Einrichtungen in Form von Solarkollektoren, elektrische Energie erzeugenden Photovoltaikzellen in Verbindung mit elektrisch betriebenen Heizelementen, Wärmespeichern, elektrischen Heizelementen an sich, Wärmepumpen, Verbrennungsanlagen, Wärmetauschern, Verbrennungskraftmaschinen und/oder dgl. mehr zugeordnet.
Als zweckmäßig haben sich des Weiteren in die Kreisläufe der Arbeitsmedien integrierte Förderpumpen erwiesen, welche sicherlich leicht nachvollziehbar einen kontinuierlichen Kreisprozess vorteilhaft unterstützen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Maßnahme ist in Strömungsrichtung der Arbeitsmedien respektive des Arbeitsmedien-Gemisches gesehen unmittelbar hinter der Wärmekraftmaschine ein Mittel zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien und Zuordnung derselben auf den jeweiligen Kreislauf angeordnet.
Das Mittel zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien ist durch ein Kondensationsteil gebildet, wobei am Boden desselben das erste flüssige Arbeitsmedium abführbar und im oberen Bereich des Kondensationsteils das zumindest eine weitere, sich im gasförmigen Zustand befindliche Arbeitsmedium absaugbar und einer Kondensation durch Kühlung zuführbar ist.
Um insbesondere die Trennung der Arbeitsmedien sowie die Erzeugung eines definierten Unterdruckes im System vorteilhaft zu unterstützen, weist das Kondensationsteil eine integrierte und fremdangetriebene Kolben-Zylinder- Anordnung auf.
In Weiterbildung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, in den Kreislauf des ersten Arbeitsmediums eine Wärmepumpe einzubinden, deren Verdampfer zur Kühlung des im oberen Bereich des Kondensationsteils abgesaugten und sich im gasförmigen Zustand befindlichen Arbeitsmediums mit besagtem Kondensationsteil zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien verbunden ist.
Fernerhin kann der Wärmekraftmaschine zumindest ein Sensor zur Ermittlung der aktuellen Ausgangstemperatur und/oder des aktuellen Ausgangsdruckes in der zumindest einen Arbeitskammer und/oder zur Ermittlung der Ausgangstemperatur des ersten und/oder zumindest einen weiteren Arbeitsmediums zugeordnet sein.
Der zumindest eine Sensor ist elektrisch oder berührungslos mit einer Rechnereinheit, die ihrerseits Steuersignale generierend, wenigstens mit einem im Kreislauf des ersten Arbeitsmediums angeordneten und dem Einlasskanal desselben zugeordneten Einspritzventil, vorzugsweise mit einem im Kreislauf des ersten und zumindest einen weiteren Arbeitsmediums angeordneten und dem Einlasskanal desselben zugeordneten Einspritzventil verbunden.
Wie die Erfindung schließlich noch vorsieht, kann die Vorrichtung als Antrieb für ein Fahrzeug, insbesondere auch als Antrieb in einem Hybridfahrzeug und/oder vermittels zumindest eines am drehenden Teil der Wärmekraftmaschine angeschlossenen Generators zur Erzeugung elektrische Energie Verwendung finden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 äußerst schematisch die Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine,
Fig. 2 äußerst schematisch einen Radialschnitt durch die Wärmekraftmaschine der Vorrichtung nach Fig. 1 gemäß einer ersten möglichen Ausgestaltungsvariante, Fig. 3 eine Kolben-Zylinder-Anordnung eines Kondensationsteils der Vorrichtung nach Fig. 1 , Fig. 4 die Wärmekraftmaschine der Vorrichtung nach Fig. 1 gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltungsvariante in einem Längsschnitt, Fig. 5 die Wärmekraftmaschine nach Fig. 4 in einem Radialschnitt, Fig. 6 die perspektivische Ansicht des drehenden Teils der Wärmekraftmaschine nach Fig. 4 in einem Teillängsschnitt,
Fig. 7 die perspektivische Ansicht der komplett montierten Wärmekraftmaschine nach Fig. 4 in einem Teillängsschnitt, und Fig. 8 die perspektivische Ansicht der komplett montierten Wärmekraftmaschine nach Rg. 4.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine rotierende Wärmekraftmaschine 1, mit einem Gehäuseteil 2 und einem in demselben drehenden Teil 3, welches vorliegend durch eine Mehrzahl auf einer Welle 4 fest angeordnete Rotorblätter 5 gebildet ist. Die gezeigte Wärmekraftmaschine 1 entspricht sozusagen in ihrer Grundstruktur einer an sich bekannten Turbine mit Turbinengehäuse und einem darin umlaufenden Turbinenrad.
Erfindungsgemäß wird die Wärmekraftmaschine 1 mit einem ersten und zumindest einem weiteren Arbeitsmedium 6, 7 betrieben. Die Arbeitsmedien 6, 7 sind in verschiedenen Kreisläufen 8, 9 geführt und weisen zu Beginn des jeweiligen Kreisprozesses respektive unmittelbar vor Eintritt in die Wärmekraftmaschine 1 einen flüssigen Aggregatzustand auf.
Die gesamte Vorrichtung, bestehend insbesondere aus der Wärmekraftmaschine 1 , den angeschlossenen Kreisläufen 8, 9 und Nebenaggregaten, bildet dabei ein weitestgehend geschlossenes System aus, welches durch an sich bekannte umfassende Abdichtungsmaßnahmen gewährleistet ist.
Vorliegend sind der Wärmekraftmaschine 1 für den Eintritt der Arbeitsmedien 6, 7 in dieselbe zwei Einlasskanäle 10, 11 und ein Auslasskanal 12 zur Führung des Arbeitsmedien-Gemisches 13 aus der Wärmekraftmaschine 1 heraus zugeordnet.
Durch diese Maßnahme sind die beiden Arbeitsmedien 6, 7 bzw. deren Kreisläufe 8, 9 somit zumindest innerhalb der Wärmekraftmaschine 1 , sozusagen vorübergehend direkt zusammengeführt.
Selbstverständlich kann es auch angezeigt sein und wird durch die Erfindung mit erfasst, lediglich einen Einlasskanal vorzusehen, wobei dann die Arbeitsmedien 6, 7 unmittelbar vor der Wärmekraftmaschine 1 und/oder innerhalb derselben zusammengeführt werden können (nicht näher gezeigt). Um nunmehr einen kontinuierlichen Kreisprozess der Wärmekraftmaschine 1 zu realisieren, sind im Ausgangszustand flüssige Arbeitsmedien 6, 7 mit unterschiedlichen Siedetemperaturen vorgesehen, wobei das zumindest eine weitere Arbeitsmedium 7 eine niedrigere Siedetemperatur aufweist als das erste Arbeitsmedium 6 und seinerseits geeignet ist, bei Kontakt mit dem ersten, mit entsprechend hoher thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium 6 in einen gasförmigen bzw. dampfförmigen Zustand überzugehen.
Im Wesentlichen sind somit das erste flüssige Arbeitsmedium 6 zur Aufnahme von thermischer Energie und das zumindest eine weitere flüssige Arbeitsmedium 7 zur Verrichtung von Arbeit vorgesehen.
Die thermische Energie kann dabei dem ersten Arbeitsmedium 6 vermittels einer oder mehrerer geeigneter Einrichtungen 14, beispielsweise in Form von Solarkollektoren, elektrische Energie erzeugenden Photovoltaikzellen in Verbindung mit elektrisch betriebenen Heizelementen, Wärmespeichern, elektrischen Heizelementen an sich, die beispielsweise netzbetrieben sind, Wärmepumpen, Verbrennungsanlagen, Wärmetauschern, Verbrennungskraftmaschinen, bei denen die Restwärme aus der Kraftstoffverbrennung nutzbar ist, und/oder dgl. mehr, über einen in den Kreislauf 8 des ersten Arbeitsmediums 6 eingebundenen Wärmetauscher 14a bereitgestellt werden.
Zur Unterstützung besagter Kreisläufe 8, 9 ist in denselben jeweils eine an sich bekannte Förderpumpe 15 angeordnet. Diese kann elektrisch, aber auch mechanisch betrieben, beispielsweise über ein an sich bekanntes Riemen- oder Zahnradgetriebe mit der Welle 4 der Wärmekraftmaschine 1 wirkverbunden sein (nicht näher dargestellt).
Nachfolgend wird die Erfindung weiter anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Wie bereits oben ausgeführt, wird das gesamte System zunächst mit einem bestimmten Unterdruck ausgestattet, um, wie unten näher beschrieben, ein Anfahren desselben bewerkstelligen zu können. Im Anschluss daran wird dem ersten flüssigen Arbeitsmedium 6 vermitteis der oben genannten Einrichtungen 14 thermische Energie zugeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das mit thermischer Energie angereicherte Arbeitsmedium 6 durch eine viskose, nicht- oder schwerentflammbare, korrosionshemmende sowie hohe thermische Energie respektive Wärmemengen aufnehmende Substanz gebildet. Insofern bietet sich hierfür beispielsweise ein 1 ,2- oder 1 ,3 Propandiol-Wasser-Gemisch, im Handel als "Solarfluid L" oder "Tyfocor® LS" bekannt, an.
Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf vorgenannte Substanz, sondern erfasst sämtliche an sich bekannten und geeigneten Substanzen, die vorstehenden Merkmalen weitestgehend Rechnung tragen sowie einen Schmelzpunkt unter -30 0C und einen Siedepunkt über 180 °C aufweisen und sich in der Wärme nicht mit dem weiteren Arbeitsmedium 7 chemisch verbinden.
Als zweckmäßig wird es ferner erachtet, wenn besagtes Arbeitsmedium 6 auf eine Arbeitstemperatur von etwa 140 0C bis kurz unter Siedepunkt erwärmt wird.
Das mit thermischer Energie angereicherte erste Arbeitsmedium 6 wird, wie in Fig. 2 gezeigt, nunmehr aufgrund des durch die Förderpumpe 15 des betreffenden Kreislaufes 8 aufgebauten Leitungsdruckes zu einem Zeitpunkt "ti" von radial außen vermittels eines Einspritzventils 17 über einen ersten Einlasskanal 10 des Gehäuseteils 2 der Wärmekraftmaschine 1 in eine durch das drehende Teil 3 (Turbinenrad) bzw. deren Rotorblätter 5 und das Gehäuseteil 2 ausgebildete Arbeitskammer 16i eingespritzt.
Beim Anfahren des Systems wird dabei die Drehbewegung des drehenden Teils 3 zunächst mittels eines nicht näher dargestellten externen Antriebs, beispielsweise eines nicht näher gezeigten elektrischen Antriebs, bewerkstelligt. Ebenso kann der erste Einlasskanal 10 des Gehäuseteils 2 auch derart angeordnet sein, dass bereits die auf das in die Arbeitskammer 16i eingespritzt Arbeitsmedium 6 einwirkende Schwerkraft eine bestimmte gewünschte Drehbewegung des drehenden Teils 3 bewirkt. Hat besagte Arbeitskammer 161 zu einem Zeitpunkt "t2" den zweiten Einlasskanal 11 erreicht, wird der Arbeitskammer I61 (160 und demgemäß dem mit thermischer Energie angereicherten ersten Arbeitsmedium 6 ebenfalls von radial außen über ein Einspritzventil 18 vorzugsweise unter hohem Druck zumindest ein weiteres, zunächst flüssiges Arbeitsmedium 7 zugeführt, welches seinerseits über eine niedrigere Siedetemperatur verfügt als das erste Arbeitsmedium 6.
Hier bieten sich flüssige Alkane, wie beispielsweise Hexan, mit einem Siedepunkt von etwa 68,7 0C, oder Heptan, mit einem Siedepunkt von 98,4 0C an. Gleichfalls können 1 -wertige Alkohole, wie z. B. 2-Propanol, mit einem Siedepunkt von 82,3 0C, Propanol, mit einem Siedepunkt von 97 0C, oder Ethanol, mit einem Siedepunkt von 78,3 0C Verwendung finden. Denkbar sind ferner alizyklische Verbindungen der Zykloalkane, wie z. B. Zyklopentan, -hexan, -heptan, mit einem Siedepunkt von etwa 70 0C bis etwa 100 0C. Schließlich sind auch andere an sich bekannte reaktionsträge, leicht siedende Flüssigkeiten, wie azeotrope Gemische, Alkene oder, Metylalkane denkbar.
Für den Fachmann sicherlich leicht nachvollziehbar, sind vorstehende bevorzugte Substanzen nur beispielgebend aufgeführt. Sicherlich sind statt dessen noch eine Vielzahl anderer an sich bekannter und geeigneter Substanzen denkbar, wie z.B. auch Wasser, die jedoch den Rahmen dieser Erfindung sprengen würden.
Hinsichtlich der denkbaren Kombinationen von geeigneten Arbeitsmedien 6, 7 ist in jedem Fall darauf zu achten, dass die Arbeitsmedien 6, 7 keine chemische Verbindung eingehen und das weitere Arbeitsmedium 7 eine niedrige Verdampfungswärme benötigt.
Infolge der Vereinigung der beiden Arbeitsmedien 6, 7 geht das niedrigsiedende Arbeitsmedium 7 unter Verrichtung von Arbeit in einen gasförmigen bzw. dampfförmigen Zustand über. Es expandiert und erzeugt somit einen Überdruck "P1", der seinerseits auf das drehende Teil 3 der Wärmekraftmaschine 1 ein Drehmoment aufbringt, welches die Arbeitskammer I 61 (160 in Richtung des Auslasskanals 12 der Wärmekraftmaschine 1 bewegt. Es versteht sich von selbst, dass zur Realisierung einer gleichförmigen Drehbewegung des drehenden Teils 3 der Wärmekraftmaschine auch die nachfolgenden Arbeitskammern 162-n wie vorbeschrieben mit Arbeitsmedien 6, 7 beschickt werden.
Hat die Arbeitskammer 16i (16i") zu einem Zeitpunkt "t3" den Auslasskanal 12 erreicht, wird das erzeugte Arbeitsmedien-Gemisch 13, bestehend aus noch flüssigem ersten Arbeitsmedium 6 und gasförmigem Arbeitsmedium 7, aufgrund des anfangs auf das System aufgebrachten und demgemäß am Auslasskanal 12 anliegenden Unterdruckes "p2" der Arbeitskammer ^6^ (ϊQ-\ ") der Wärmekraftmaschine 1 entnommen, sozusagen aus derselben herausgesaugt, und schließlich abgekühlt.
Ein geeignetes Mittel zur Abkühlung des Arbeitsmedien-Gemisches 13 und zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien 6, 7 ist vorliegend durch ein Kondensationsteil 19 gebildet, in welchem das zumindest eine niedrigsiedende Arbeitsmedium 7 durch Kondensation desselben wieder in den flüssigen Ausgangszustand überführt wird.
Durch die Abkühlung des Arbeitsmedien-Gemisches 13, insbesondere des niedrigsiedenden Arbeitsmediums 7 und dessen Kondensation wird der anfangs eingestellte Unterdruck "p2" bzw. das Druckgefälle "pi > P2" im System zur Entnahme nachfolgender Arbeitsmedien-Gemische 13 und Gewährleistung des kontinuierlichen Kreisprozesses aufrecht erhalten.
Fig. 1 zeigt äußerst schematisch ein solches Kondensationsteil 19, wobei am Boden 19a desselben das erste flüssige Arbeitsmedium 6 abführbar und in einem oberen glockenartigen Bereich 19b des Kondensationsteils 19 das zumindest eine weitere, sich im gasförmigen Zustand befindliche Arbeitsmedium 7 absaugbar und besagter Kondensation durch Kühlung zuführbar ist.
Zur Kühlung sind vorliegend Kühlschlangen 20 eines Verdampfers einer an sich bekannten, hier nicht näher gezeigten Wärmepumpe vorgesehen, die ihrerseits in den Kreislauf 8 des ersten Arbeitsmediums 6 eingebunden ist. Sicherlich sind auch andere an sich bekannte Kühlmaßnahmen denkbar, wie beispielsweise Luftkühlung. Die abgeführte Wärmeenergie kann dabei zur neuerlichen Erwärmung des ersten Arbeitsmediums 6 verwendet werden und/oder zur Erwärmung eines dritten Arbeitsmediums und/oder einer Brauchwassererwärmung dienen.
Um etwaige Luftzufuhr von außen durch Undichtigkeit im System zu beherrschen und die Trennung der Arbeitsmedien 6, 7 sowie die Erzeugung eines definierten Unterdruckes im System vorteilhaft zu unterstützen, kann im oberen Bereich des Kondensationsteils 19 zur Kondensation und Kühlung des weiteren und sich im gasförmigen Zustand befindlichen Arbeitsmediums 7 eine fremdangetriebene sowie gekühlte Kolben-Zylinder-Anordnung 32 vorgesehen sein (Fig. 3).
Die Kolben-Zylinder-Anordnung 32 umfasst im Wesentlichen einen oberen und einen unteren Kolben 33, 34, die ihrerseits vermittels eines starren langgestreckten Stangenteils 35 fest miteinander verbunden und jeweils in einem Zylinder 36, 37 axial geführt sind.
Die beiden Zylinder 36, 37 sind über eine Bohrung untereinander verbunden, in welcher das Stangenteil 35 dichtend geführt ist.
Der obere Kolben 33 begrenzt zum unteren Kolben 34 hin einen oberen Arbeitsraum 38, wogegen der untere Kolben 34 zum oberen Kolben 33 hin einen unteren Arbeitsraum 39 begrenzt.
Der Verbund aus Kolben 33, 34 und Stangenteil 35 ist mittels eines an sich bekannten und demgemäß nicht näher gezeigten Fremdantriebes 40, welcher elektrisch, mechanisch oder elektro-mechanisch betrieben sein kann, axial innerhalb der Zylinder 36, 37 verfahrbar.
Die Funktionsweise der Kolben-Zylinder-Anordnung 32 ist hierbei wie folgt:
Gasförmiges Arbeitsmedium 7 und etwaige durch Undichtigkeit des Systems in dasselbe eingedrungene Außenluft wird durch ein Ventil 41 hindurch, welches ein einseitig öffnendes Kugelventil sein kann, in den unteren Arbeitsraum 39 infolge Unterdruckes in demselben hinein gesaugt. In diesem Fall, ist der Druck „p2" (Unterdruck) im Kondensationsteil (19) > dem Druck „p3" (Unterdruck) des Arbeitsraumes 39.
Im Anschluss daran wird der untere Kolben 34 mittels des Fremdantriebes 40 zu einem oberen Totpunkt bewegt, wobei eine Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmediums 7 samt etwaiger Luft, einhergehend mit einer gewissen Erwärmung, zu verzeichnen ist. Das Ventil 41 ist geschlossen.
Ist eine bestimmte Wegstrecke zurückgelegt, ist über einen in die Außenkontur des Stangenteils 35 eingearbeiteten Arbeitskanals 42 ein Medienaustausch zu verzeichnen, da der obere Kolben 33 unter Erzeugung eines Unterdruckes nach oben verschoben wurde. Das Arbeitsmedium 7 sowie etwaige Luft strömen unter Entspannung und Abkühlung in den oberen Arbeitsraum 38, das Arbeitsmedium 7 kondensiert, ggf. unterstützt durch eine zusätzlich Abkühlung von außen.
Wird der Verbund aus Kolben 33, 34 und Stangenteil 35 wieder nach unten verfahren, wird zum einen der Arbeitskanal 42 des Stangenteils 35 nach unten aus seiner Arbeitsstellung verschoben und demgemäß die Bohrung von dem Stangenteil 35 wieder dichtend verschlossen. Etwaige Luft kann über einen Strömungskanal 43 mit Ventil 44 infolge Druckaufbaus im unteren Bereich des oberen Zylinders 36 in einen oberen Bereich besagten Zylinders 36 gelangen, wobei durch die Bewegung des oberen Kolbens 33 und besagtes Ventil 44 der Strömungskanal 43 geschlossen und geöffnet wird.
Zum anderen wird ein am oberen Arbeitsraum 38 angeordnetes Ventil 45, welches sensorisch oder mechanisch ansteuerbar ist und ebenfalls ein einseitig öffnendes Kugelventil sein kann, im unteren Drittel der nach unten gerichteten Kolbenbewegung geöffnet und das kondensierte Arbeitsmedium 7 an den zugehörigen Medien-Kreislauf 9 übergeben. Etwaige Luft wird bei der nächsten nach oben gerichteten Bewegung der Kolbeneinheit, d. h., wenn der obere Kolben 33 den oberen Totpunkt erreicht, über ein Ventil 46 abgegeben bzw. aus dem System entfernt, Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass die Bewegung des Verbundes aus Kolben 33, 34 und Stangenteil 35 in direkter Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der Wärmekraftmaschine 1 und demgemäß der Bereitstellung von Arbeitsmedien-Gemisch 13, bei Bedarf rechnergesteuert kontinuierlich erfolgt.
Demgegenüber kann es jedoch auch angezeigt sein, anstelle der Kolben-Zylinder- Anordnung 32 eine an sich bekannte Unterdruckpumpe mit Kühlung zu verwenden, wobei der Pumpe ein Kühler vor- und/oder nachgeschaltet ist. In diesem Fall muss das Kondensat des Arbeitsmediums 7 unter Luftabschluss in das System zurückgeführt werden. Eine derartige Anordnung ist somit durch die Erfindung mit erfasst (nicht näher dargestellt).
Beide Arbeitsmedien 6, 7 werden schließlich im flüssigen Zustand vermittels der Förderpumpen 15 wieder in den Kreisprozess respektive in den jeweils zugeordneten separaten Kreislauf 8, 9 zurückgeführt.
Der Fachmann wird sicherlich leicht erkennen, dass die Arbeitsmedien 6, 7 auch in Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzort zu wählen sind, so dass für sämtliche zu erwartende Temperaturbereiche am besagten Einsatzort auch der verfahrensgemäß im System erforderliche Aggregatzustand beibehalten respektive erreicht wird.
Ferner ist es angezeigt, das Volumen der der zumindest einen Arbeitskammer 16i-n zugeführten Arbeitsmedien 6, 7 in Abhängigkeit von der sensierten aktuellen Ausgangstemperatur und/oder dem sensierten aktuellen Ausgangsdruck in der Arbeitskammer 16i-n und/oder der aktuellen Ausgangstemperatur des ersten Arbeitsmediums 6 und/oder des zumindest einen weiteren Arbeitsmediums 7 rechnergesteuert zu ermitteln.
Insofern ist zumindest ein geeigneter, an sich bekannter Druck- und/oder Temperatur-Sensor 21 vorgesehen, der seinerseits elektrisch oder berührungslos mit einer Rechnereinheit 22 verbunden ist (Fig. 1).
Diese Rechnereinheit 22 generiert ihrerseits in Abhängigkeit von den vom zumindest einen Sensor 21 bereitgestellten Signalen 21a und unter Verwendung von vorermittelten Vergleichswerten Steuersignale 22a für wenigstens eines der beiden Einspritzventile 17, 18 der Kreisläufe 8, 9, vorzugsweise für beide Einspritzventile 17, 18 der Kreisläufe 8, 9, wodurch das Einspritzvolumen der Arbeitsmedien 6, 7 bzw. die optimale Menge der verdampfenden Flüssigkeit (Arbeitsmedium 7) zur Gewährleistung eines kontinuierlichen Kreisprozesses und eines hohen Wirkungsgrades der Wärmekraftmaschine 1 vorteilhaft geregelt werden kann.
Wird vermittels der zumindest einen thermische Energie bereitstellenden Einrichtung 14, beispielsweise eines Sonnenkollektors, mehr thermische Energie bereitgestellt als benötigt, so kann diese zu Heizzwecken verwendet und/oder gespeichert werden. Als Speicher bieten sich beispielsweise sogenannte Langzeit-Latentwärmespeicher mit einem geeigneten Speichermedium, wie einer Salzlösung oder einem im Schmelzpunkt beeinflussten Parafin, an.
Wie der Fig. 1 weiter zu entnehmen ist, ist zweckmäßigerweise am drehenden Teil 3 der Wärmekraftmaschine 1 bzw. an der Welle 4 desselben ein an sich bekannter Generator 23 zur Erzeugung elektrischer Energie angeschlossen.
Vorstehendes Ausführungsbeispiel stellt im Wesentlichen auf eine Wärmekraftmaschine 1 nach Art einer an sich bekannten Turbine mit Turbinengehäuse und einem darin drehenden Turbinenrad ab, wobei die Arbeitsmedien 6, 7 ausschließlich von radial außen durch Einlasskanäle 10, 11 im Gehäuseteil 2 der Wärmekraftmaschine 1 hindurch den Arbeitskammern 16i-n zugeführt werden.
Denkbar ist es jedoch auch und wird durch die Erfindung mit erfasst, eine Wärmekraftmaschine 1 nach Art eines Motors mit Motorgehäuse und in Anlehnung an einen Kreiskolbenmotor mit einem darin drehenden Kolben zu verwenden, wobei statt der herkömmlichen Kraftstoffverbrennung die thermische Reaktion eines flüssigen Arbeitsmediums 7 im Sinne lediglich einer Veränderung des Aggregatzustandes, nämlich vom flüssigen zum gasförmigen hin, und einer daraus resultierenden Expansion desselben, einhergehend mit der Verrichtung von Arbeit, genutzt wird. Die in den Fig. 4 bis 8 gezeigte Ausgestaltungsvariante einer Wärmekraftmaschine 1 der Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie unterscheidet sich zu der vorbeschriebenen im Wesentlichen dadurch, dass ein gemeinsames fest stehendes Gehäuseteil 2 und mehrere, vorliegend sechs in demselben zueinander koaxial und drehfest angeordnete drehende Teile 3.1 bis 3.6 mit durch das Gehäuseteil 2 und die drehenden Teile 3.1 bis 3.6 gebildeten Arbeitskammern 16i-n, welche vorliegend jeweils durch eine Mehrzahl auf einer gemeinsamen Hohlwelle 4.1 fest angeordnete und gleichmäßig über den Umfang verteilte Rotorblätter 5 gebildet sind, vorgesehen sind.
Die nach Fig. 5 im Uhrzeigersinn drehenden Teile 3.1 bis 3.6 respektive deren gemeinsame Hohlwelle 4.1 ist über Wälzlager 24 zum einen an der Innenmantelfläche des Gehäuseteils 2 und zum anderen auf der Außenmantelfläche einer drehfest mit dem Gehäuseteil 2 verbundenen Welle 4.2 drehbar abgestützt, wobei die radiale Beabstandung zwischen den drehenden Teilen 3.1 bis 3.6 und dem feststehenden Gehäuseteil 2 sowie der feststehenden Welle 4.2 derart minimiert ist, dass zwar eine Relativbewegung gestattet, jedoch die durch das Gehäuseteil 2 und die drehenden Teile 3.1 bis 3.6 gebildeten Arbeitskammern 16i-n zumindest weitestgehend flüssigkeitsdicht, vorzugsweise jedoch gasdicht sind.
Diese Wärmekraftmaschine 1 wird ebenfalls mit einem ersten und zumindest einem weiteren, in verschiedenen Kreisläufen 8, 9 geführten Arbeitsmedium 6, 7 der oben näher beschriebenen Art betrieben.
Die Arbeitsmedien 6, 7 werden über in die Kreisläufe 8, 9 integrierte Medienzuführungsleitungen 25, 26 der im Gehäuseteil 2 fest angeordneten Welle 4.2 zugeführt, welche vorliegend als Hohlwelle ausgebildet ist.
Die Welle 4.2 in Form einer Hohlwelle weist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine axiale Teilung auf, die ihrerseits durch eine Trennwand 27 realisiert ist. Die Trennwand 27 besitzt vorzugsweise eine hier nicht näher abgebildete thermische Isolation, um einen Wärmeaustausch zwischen den beiden Arbeitsmedien 6, 7 innerhalb der Welle 4.2 weitestgehend zu vermeiden. Durch vorstehende Maßnahmen sind die Medienzuführungsleitungen 25, 26, wobei vorliegend die Medienzuführungsleitung 25 für das erste Arbeitsmedium 6 und die Medienzuführungsleitung 26 für das zumindest eine weitere Arbeitsmedium 7 vorgesehen ist, einfach und kostengünstig axial bis zu den drehenden Teilen 3.1 bis 3.6 geführt.
Selbstverständlich kann es auch angezeigt sein, und ist durch die Erfindung demgemäß mit erfasst, statt einer axialen Teilung der Welle 4.2 / Hohlwelle besagte Medienzuführungsleitungen 25, 26 aufzuteilen und Teilleitungen zu den axial hintereinander angeordneten drehenden Teilen 3.1 bis 3. 6 zu führen (nicht näher dargestellt).
Jedem drehenden Teil 3.1 bis 3.6 sind in der Mantelfläche der drehfesten Welle 4.2 / Hohlwelle je ein Einlasskanal 10 für das erste Arbeitsmedium 6 und je ein Einlasskanal 11 für das zumindest eine weitere Arbeitsmedium 7 zugeordnet.
Besagte Einlasskanäle 10, 11 sind ihrerseits durch vorliegend im Uhrzeigersinn durchzuführende Drehung des jeweils zugeordneten drehenden Teiles 3.1 bis 3.6 nacheinander jeweils mit einer Öffnung 28 einer durch das Gehäuseteil 2 und das darin angeordnete korrespondierende drehende Teil 3.1 bis 3.6 gebildeten Arbeitskammer 161-n strömungstechnisch verbindbar (vgl. insbes. Fig. 5).
Die Öffnungen 28 aller drehenden Teile 3.1 bis 3.6 sind vorliegend in den Mantel der gemeinsamen Hohlwelle 4.1 der drehenden Teile 3.1 bis 3.6 eingebracht und vorzugsweise strömungstechnisch als nicht näher gezeigte Düse ausgebildet, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit der Arbeitsmedien 6, 7 vorteilhaft erhöht werden kann.
Entgegen der erstbeschriebenen Ausgestaltungsvariante der Wärmekraftmaschine 1 werden nunmehr die Arbeitsmedien 6, 7 primär von radial innen, d. h., über die zentral angeordnete, feststehende Welle 4.2 den Arbeitskammer 16i-n zugeführt. Des Weiteren ist den drehenden Teilen 3.1 bis 3.6 der Wärmekraftmaschine 1 je ein Auslasskanal 12 in der Wandung des Gehäuseteils 2 zur Führung des Arbeitsmedien-Gemisches 13 aus der Wärmekraftmaschine 1 heraus zugeordnet.
Die Arbeitsmedien 6, 7 bzw. deren Kreisläufe 8, 9 sind, wie bereits oben dargetan, innerhalb der Wärmekraftmaschine 1 direkt zusammenführbar.
Um einen kontinuierlichen Kreisprozess der Wärmekraftmaschine 1 zu realisieren, sind im Sinne der Erfindung auch hier im Ausgangszustand flüssige Arbeitsmedien 6, 7 mit unterschiedlichen Siedetemperaturen vorgesehen, wobei das zumindest eine weitere Arbeitsmedium 7 eine niedrigere Siedetemperatur aufweist als das erste Arbeitsmedium 6 und seinerseits geeignet ist, bei Kontakt mit dem ersten, mit entsprechend hoher thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium 6 in einen gasförmigen bzw. dampfförmigen Zustand überzugehen.
Das erste flüssige Arbeitsmedium 6 ist danach ebenfalls zur Aufnahme von thermischer Energie und das zumindest eine weitere flüssige Arbeitsmedium 7 zur Verrichtung von Arbeit vorgesehen.
Bezüglich der Maßnahmen zur Anreicherung des ersten Arbeitsmediums 6 mit thermischer Energie sowie der Gewährleistung des Kreisprozesses bzw. der Kreisläufe 8, 9 wurde bereits oben ausführlich dargetan.
Bezug nehmend auf Fig. 5 wird bei einer derartigen Wärmekraftmaschine 1 das mit thermischer Energie angereicherte erste Arbeitsmedium 6 zu einem Zeitpunkt 'V mit Überdruck über den Einlasskanal 10 in eine durch die drehenden Teile 3.1 bis 3.6 bzw. deren Rotorblätter 5 und das Gehäuseteil 2 ausgebildete Arbeitskammer 16i über die Öffnung 28 eingespritzt.
Zum Anfahren des Systems kann die Strömungsenergie des eingespritzten ersten Arbeitsmediums 6 in die Arbeitskammer 16i genutzt werden. Auch kann der Einlasskanal 10 derart angeordnet sein, dass die einwirkende Schwerkraft des Arbeitsmediums 6 eine bestimmte Drehbewegung der drehenden Teile 3.1 bis 3.6 bewirkt. Ebenso kann die gewünschte Drehbewegung zum Anfahren des Systems, durch einen nicht näher dargestellten externen Antrieb, beispielsweise einen elektrischen Antrieb bewerkstelligt sein.
Hat besagte Arbeitskammer 16i zu einem Zeitpunkt "t2" den nachgeordneten zweiten Einlasskanal 11 erreicht, wird der Arbeitskammer 16i (160 und demgemäß dem mit thermischer Energie angereicherten ersten Arbeitsmedium 6 ebenfalls mit Überdruck das zumindest eine weitere, zunächst flüssiges Arbeitsmedium 7 durch die Öffnung 28 hindurch zugeführt, welches seinerseits über eine niedrigere Siedetemperatur verfügt als das erste Arbeitsmedium 6.
Infolge der Vereinigung der beiden Arbeitsmedien 6, 7 geht das niedrigsiedende Arbeitsmedium 7 unter Verrichtung von Arbeit in einen gasförmigen bzw. dampfförmigen Zustand über. Es expandiert und erzeugt somit einen Überdruck "pΛ der seinerseits auf die drehenden Teile 3.1 bis 3.6 der Wärmekraftmaschine 1 ein Drehmoment aufbringt, welches die Arbeitskammer 16i (16O in Richtung des Auslasskanals 12 der Wärmekraftmaschine 1 bewegt. Es versteht sich von selbst, dass zur Realisierung einer gleichförmigen Drehbewegung des drehenden Teils 3.1 bis 3.6 der Wärmekraftmaschine 1 auch die jeweils nachfolgenden Arbeitskammern 162-π wie vorbeschrieben mit Arbeitsmedien 6, 7 beschickt werden.
In diesem Zusammenhang sei auch festgestellt, dass der Umstand, dass die Arbeitsmedien 6, 7 anfänglich mit Überdruck in das Arbeitssystem eingebracht werden, sich vorteilhaft bezüglich einer erhöhten Temperaturführung insbesondere des zweiten Arbeitsmediums 7 im Arbeitssystem auswirkt.
Hat die Arbeitskammer 16i (16/') zu einem Zeitpunkt "t3" den Auslasskanal 12 erreicht, wird das erzeugte Arbeitsmedien-Gemisch 13, bestehenden aus noch flüssigem ersten Arbeitsmedium 6 und gasförmigem Arbeitsmedium 7 aufgrund des anfangs auf das System aufgebrachten und demgemäß am Auslasskanal 12 anliegenden Unterdruckes "p2" der Arbeitskammer 16i (16/') der Wärmekraftmaschine 1 entnommen, sozusagen aus derselben herausgesaugt, und schließlich abgekühlt. Wie vorstehend beschrieben, sind die Einlasskanäle 10, 11 der Medienzuführungsleitungen 25, 26 und die zu diesen korrespondierenden Öffnungen 28 der Arbeitskammern 16i-n derart zueinander angeordnet, dass bei Umlauf des drehenden Teils 3.1 bis 3.6 die betreffende Arbeitskammer 16i.n zeitlich nacheinander mit den Arbeitsmedien 6, 7 beaufschlagt wird.
Demgegenüber kann es jedoch auch angezeigt sein, die betreffende Arbeitskammer 16-ι-n gleichzeitig mit den Arbeitsmedien 6, 7 zu beaufschlagen und ist somit durch die Erfindung ebenfalls mit erfasst (nicht näher dargestellt).
Wie insbesondere der Fig. 5 zu entnehmen ist, weist das Gehäuseteil 2 eine jedem drehenden Teil 3.1 bis 3.6 zugeordnete Öffnung 29 zur zusätzlichen Beschickung der Arbeitskammern 16i-n mit erstem Arbeitsmedium 6 von radial außen bei gleichzeitiger Beschickung mit erstem Arbeitsmedium 6 von radial innen auf, wodurch die Leistungsfähigkeit der Wärmekraftmaschine 1 weiter erhöht werden kann.
Um ein definiertes Volumen an erstem Arbeitsmedium 6 in der jeweiligen Arbeitskammer 16-j-n zu gewährleisten, kann während der Beschickung mit erstem und/oder weiterem Arbeitsmedium 6, 7 überschüssiges erstes Arbeitsmedium 6 über ein Entlüftungsventil 30 in der Wandung des Gehäuseteils 2 entweichen.
Um die Leistungsfähigkeit der Wärmekraftmaschine 1 noch weiter zu erhöhen, ist des Weiteren im Gehäuseteil 2 zumindest eine Öffnung 31 zur zusätzlichen Beschickung der jeweiligen bereits mit beiden Arbeitsmedien 6, 7 gefüllten Arbeitskammer 16i-n mit dem zumindest einem weiteren Arbeitsmedium 7 vorgesehen.
Die Beschickung erfordert jedoch einen Überdruck, der über dem in der jeweiligen Arbeitskammer 16i-n sich zu diesem Zeitpunkt infolge Expansion des niedrigsiedenden Arbeitsmediums 7 einstellenden Innendruckes liegt. Als zweckmäßig wird hier eine an sich bekannte und demgemäß nicht näher dargestellte Einspritzdüse angesehen. Als zweckmäßig wird fernerhin eingeschätzt, dass die drehenden Teile 3.1 bis 3.6 derart relativ zueinander um die Mittelachse winkelversetzt angeordnet sind, dass im laufenden Betrieb der Wärmekraftmaschine 1 eine Unwucht im gebildeten drehenden System derselben infolge Expansion des Arbeitsmedien-Gemisches 13 vermieden ist (nicht näher gezeigt).
Dieses Ausführungsbeispiel stellt auf eine Mehrzahl, d. h., auf zwei oder mehr koaxial zueinander angeordnete und miteinander drehfest verbundene sowie weitestgehend gleichartig ausgebildete drehende Teile 3.1 bis 3.6, die auf einer gemeinsamen drehfesten Welle 4.2 in Form einer Hohlwelle mit Medienzuführungsleitungen 25, 26 drehgelagert sind, ab.
Selbstverständlich gehört auch eine Wärmekraftmaschine 1 mit einem einzigen drehenden Teil 3.1 der vorbeschriebenen Art zum Erfindungsumfang und ist demgemäß durch die Erfindung mit erfasst (nicht näher dargestellt).
Wie insbesondere zur erstbeschriebenen Ausgestaltungsvariante der Wärmekraftmaschine 1 ausgeführt, kann diese nach Art einer an sich bekannten Turbine mit Turbinengehäuse und einem darin drehenden Turbinenrad ausgebildet sein, wobei als besonderer Anwendungsfall die Erzeugung von elektrischer Energie vorgeschlagen ist.
Hierneben bietet es sich insbesondere aufgrund der besonderen kompakten Ausbildung der Wärmekraftmaschine 1 auch an, dieselbe als Antrieb für ein Fahrzeug zu verwenden.
So kann die Wärmekraftmaschine 1 beispielsweise auch als Antrieb in einem Hybridfahrzeug Verwendung finden, wobei die erforderliche thermische Energie beispielsweise von der Restwärme einer Verbrennungskraftmaschine oder anderen geeigneten inneren oder auch äußeren Wärmequellen, wie beispielsweise Sonnenenergie, bereitstellbar ist.
Aufgrund der Tatsache, dass die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 1 im Hinblick auf den Stand der Technik und in Abhängigkeit von den gewählten Arbeitsmedien 6, 7 relativ geringe Arbeitstemperaturen aufweist, müssen keine hochfesten Werkstoffe Verwendung finden. So ist es denkbar, dass geeignete Leichtmetalle oder Kunststoffe zur Anwendung kommen können, welches im Ergebnis mit einem verringerten Gewicht und demgemäß mit einer weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades einhergeht. Es sind somit erhebliche Kosteneinsparungen zu herkömmlichen Wärmekraftmaschinen zu verzeichnen.
Bezugszeichenliste
1 Wärmekraftmaschine
2 Gehäuseteil
3 drehendes Teil
3.1 -3.6 drehende Teile
4 Welle
4.1 Hohlwelle (drehende Teile 3.1 -3.6)
4.2 Welle
5 Rotorblätter
6 erstes Arbeitsmedium
7 weiteres Arbeitsmedium
8 Kreislauf (erstes Arbeitsmedium 6)
9 Kreislauf (weiteres Arbeitsmedium 7)
10 Einlasskanal (erstes Arbeitsmedium 6)
11 Einlasskanal (weiteres Arbeitsmedium 7)
12 Auslasskanal
13 Arbeitsmedien-Gemisch
14 thermische Energie bereitstellende Einrichtung
14a Wärmetauscher
15 Förderpumpen
16i-n Arbeitskammern
17 Einspritzventil
18 Einspritzventil
19 Kondensationsteil
19a Boden (Kondensationsteil 19)
19b oberer Bereich (Kondensationsteil 19)
20 Kühlschlangen
21 Sensor
21 a Signale
22 Rechnereinheit
22a Steuersignale
23 Generator
24 Wälzlager 25 Medienzuführungsleitung (erstes Arbeitsmedium 6)
26 Medienzuführungsleitung (weiteres Arbeitsmedium 7)
27 Trennwand
28 Öffnung (Hohlwelle 4.1) 29 Öffnung (Gehäuseteil 2)
30 Entlüftungsventil
31 Öffnung
32 Kolben-Zylinder-Anordnung
33 oberer Kolben 34 unterer Kolben
35 Stangenteil
36 oberer Zylinder
37 unterer Zylinder
38 oberer Arbeitsraum 39 unterer Arbeitsraum
40 Fremdantrieb
41 Ventil
42 Arbeitskanal
43 Strömungskanal 44 Ventil
45 Ventil
46 Ventil

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden
Wärmekraftmaschine (1), mit einem Gehäusetei! (2) mit zumindest einem Einlass- und einem Auslasskanal (10,11 ; 12) und zumindest einem im
Gehäuseteil (2) drehenden Teil (3; 3.1-3.6), wobei thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird und verwendete Arbeitsmedien (6, 7) einen Kreisprozess durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem geschlossenen, anfangs mit einem bestimmten Unterdruck ausgestatteten System folgende Verfahrensschritte nacheinander durchgeführt werden: a) einem ersten flüssigen Arbeitsmedium (6) wird thermische Energie zugeführt, b) besagtes, mit thermischer Energie angereichertes erstes
Arbeitsmedium (6) wird im flüssigen Zustand zumindest einer durch das Gehäuseteil (2) und dem im Gehäuseteil (2) angeordneten drehenden Teil (3; 3.1-3.6) gebildeten Arbeitskammer (16i-n) zugeführt, c) unmittelbar vor und/oder innerhalb der zumindest einen Arbeitskammer (16i-ri) wird dem ersten flüssigen Arbeitsmedium (6) zumindest ein weiteres flüssiges Arbeitsmedium (7) mit einer zum ersten flüssigen Arbeitsmedium (6) niedrigeren Siedetemperatur zugeführt, wobei das zumindest eine weitere Arbeitsmedium (7) infolge der Vereinigung mit dem ersten, mit thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium (6) in einen gasförmigen Zustand übergeht respektive expandiert sowie einen Überdruck erzeugt und Arbeit derart verrichtet, dass auf das drehende Teil (3; 3.1 -3.6) ein Drehmoment aufgebracht wird, d) nach einer definierten Umdrehung des drehenden Teils (3; 3.1-3.6) wird das aus dem ersten und dem zumindest einen weiteren Arbeitsmedium (6, 7) bestehende Arbeitsmedien-Gemisch (13) infolge eines am
Auslasskanal (12) anliegenden Unterdruckes der zumindest einen Arbeitskammer (16i-n) durch besagten Auslasskanal (12) im Gehäuseteil (2) hindurch entnommen und nachfolgend abkühlt, wodurch ein ständiges Druckgefälle (pi > p2) im System zur Entnahme eines nachfolgenden Arbeitsmedien-Gemisches (13) und zur Gewährleistung eines kontinuierlichen Kreisprozesses aufrecht erhalten wird, e) die Arbeitsmedien (6, 7) werden voneinander räumlich getrennt und in den Kreisprozess respektive in getrennte Kreisläufe (8, 9) zurückgeführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die thermischer Energie für besagtes erstes Arbeitsmedium (6) von einer oder mehreren, thermische Energie bereitstellenden Einrichtungen (14) in Form von Solarkollektoren, elektrische Energie erzeugenden Photovoltaikzellen in Verbindung mit elektrisch betriebenen Heizelementen, Wärmespeichern, elektrischen Heizelementen an sich, Wärmepumpen, Verbrennungsanlagen, Wärmetauschern, Verbrennungskraftmaschinen und/oder dgl. mehr bereitgestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zumindest eine weitere Arbeitsmedium (6, 7) über je ein Einspritzventil (17, 18) geregelt der zumindest einen Arbeitskammer (16i-n) zugeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der der zumindest einen Arbeitskammer (16i-n) zugeführten Arbeitsmedien (6, 7) in Abhängigkeit von der sensierten aktuellen Ausgangstemperatur und/oder dem sensierten aktuellen Ausgangsdruck in der Arbeitskammer (16i-n) und/oder der aktuellen Ausgangstemperatur des ersten und/oder zumindest einen weiteren Arbeitsmediums (6, 7) rechnergesteuert ermittelt wird.
5. Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie vermittels einer rotierenden Wärmekraftmaschine (1), mit einem Gehäuseteil (2) mit zumindest einem Einlass- und einem Auslasskanal (10, 11; 12) und zumindest einem im Gehäuseteil (2) drehenden Teil (3; 3.1-3.6), wobei thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird und verwendete Arbeitsmedien (6, 7) einen Kreisprozess durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein geschlossenes, anfangs mit einem bestimmten Unterdruck ausgestattetes System bildet, ein erstes und zumindest ein weiteres Arbeitsmedium (6, 7) wenigstens zu Beginn des Kreisprozesses respektive unmittelbar vor Eintritt in die Wärmekraftmaschine (1) einen flüssigen Aggregatzustand aufweisen und in verschiedenen Kreisläufen (8, 9) geführt sind, die Kreisläufe (8, 9) und demgemäß die Arbeitsmedien (6, 7) unmittelbar vor und/oder innerhalb zumindest einer durch das Gehäuseteil (2) und das darin angeordnete drehende Teil (3; 3.1-3.6) gebildeten Arbeitskammer (161-n) der Wärmekraftmaschine (1) vorübergehend direkt zusammengeführt sind und das zumindest eine weitere Arbeitsmedium (7) eine niedrigere Siedetemperatur aufweist als das erste Arbeitsmedium (6).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (1) von radial außen und/oder radial innen mit Arbeitsmedium (6, 7) beschickbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste flüssige Arbeitsmedium (6) zur Aufnahme von thermischer Energie und das zumindest eine weitere flüssige Arbeitsmedium (7) zur Verrichtung von Arbeit vorgesehen sind, wobei das zumindest eine weitere flüssige Arbeitsmedium (7) durch ein niedrigsiedendes Arbeitsmedium (7) gebildet ist, welches geeignet ist, bei Kontakt mit dem ersten flüssigen und mit thermischer Energie angereicherten Arbeitsmedium (6) in einen gasförmigen Zustand überzugehen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das drehende Teil (3; 3.1 -3.6) der Wärmekraftmaschine (1) auf einer drehfesten Welle (4.2) in Form einer Hohlwelle drehgelagert ist, besagte Hohlwelle zumindest zwei sich in axialer Richtung erstreckende
Medienzuführungsleitungen (25, 26) aufweist, wobei die eine der zumindest zwei Medienzuführungsleitungen (25, 26) für das erste Arbeitsmedium (6) und die andere für das zumindest eine weitere Arbeitsmedium (7) vorgesehen ist, jede Medienzuführungsleitung (25, 26) mit zumindest einem Einlasskanal (10, 11) in der Mantelfläche der Hohlwelle verbunden ist und die Einlasskanäle (10,
11 ) durch Drehung des drehenden Teils (3; 3.1-3.6) mit zumindest einer Öffnung (28) einer jeden durch das Gehäuseteil (2) und das darin angeordnete drehende Teil (3; 3.1-3.6) gebildeten Arbeitskammer (16i-n) der Wärmekraftmaschine (1) strömungstechnisch verbindbar sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Medienzuführungsleitungen (25, 26) durch eine axiale Teilung des Hohlraums der Hohlwelle gebildet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle (10, 11) der Medienzuführungsleitungen (25, 26) und die zu diesen korrespondierenden Öffnungen (28) der Arbeitskammern (16i-n) derart zueinander angeordnet sind, dass bei Umlauf des drehenden Teils (3;
3.1-3.6) die betreffende Arbeitskammer (16i-n) zeitlich nacheinander oder gleichzeitig mit den Arbeitsmedien (6, 7) beaufschlagbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienzuführungsleitungen (25, 26) mit einem Überdruck beaufschlagt sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseteil (2) zumindest eine Öffnung (29) zur zusätzlichen Beschickung der Arbeitskammern (16i.n) mit erstem Arbeitsmedium (6) von radial außen vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseteil (2) zumindest ein Entlüftungsventil (30) angeordnet ist, aus welchem überschüssiges erstes Arbeitsmedium (6) während der Beschickung der betreffenden Arbeitskammer (16-ι-n) mit erstem und/oder weiterem Arbeitsmedium (6, 7) entweichen kann.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseteil (2) zumindest eine Öffnung (31) zur zusätzlichen Beschickung der jeweiligen bereits mit beiden Arbeitsmedien (6, 7) gefüllten Arbeitskammer (16i-n) mit dem zumindest einem weiteren Arbeitsmedium (7) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr koaxial zueinander angeordnete und miteinander drehfest verbundene sowie weitestgehend gleichartig ausgebildete drehende Teile (3.1 -3.6) auf einer gemeinsamen drehfesten Hohlwelle mit Medienzuführungsleitungen (25, 26) drehgelagert sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die drehenden Teile (3.1 -3.6) derart relativ zueinander um die Mittelachse winkelversetzt angeordnet sind, dass eine Unwucht im gebildeten drehenden
System infolge Expansion des Arbeitsmedien-Gemisches (13) vermieden ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kreislauf (8) des ersten Arbeitsmediums (6) eine oder mehrere, thermische Energie bereitstellende Einrichtungen (14) in Form von Solarkollektoren, elektrische Energie erzeugenden Photovoltaikzellen in
Verbindung mit elektrisch betriebenen Heizelementen, Wärmespeichern, elektrischen Heizelementen an sich, Wärmepumpen, Verbrennungsanlagen, Wärmetauschern, Verbrennungskraftmaschinen und/oder dgi. zugeordnet sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreislauf (8, 9) eines jeden Arbeitsmediums (6, 7) zumindest eine Förderpumpe (15) angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der Arbeitsmedien (6, 7) respektive des Arbeitsmedien- Gemisches (13) gesehen unmittelbar hinter der Wärmekraftmaschine (1) ein Mittel zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien (6, 7) und Zuordnung derselben auf den jeweiligen Kreislauf (8, 9) angeordnet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien (6, 7) durch ein
Kondensationsteil (19) gebildet ist, wobei am Boden (19a) desselben das erste flüssige Arbeitsmedium (6) abführbar und im oberen Bereich (19b) des Kondensationsteils (19) das zumindest eine weitere, sich im gasförmigen Zustand befindliche Arbeitsmedium (7) absaugbar und einer Kondensation durch Kühlung zuführbar ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensationsteil (19) eine integrierte und fremdangetriebene Kolben- Zylinder-Anordnung (32) zumindest zur definierten Unterstützung der Trennung der Arbeitsmedien (6, 7) und definierten Erzeugung eines konstanten Unterdruckes im Kondensationsteil (19) aufweist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass in den Kreislauf (8) des ersten Arbeitsmediums (6) eine Wärmepumpe eingebunden ist, deren Verdampfer zur Kühlung des im oberen Bereich (19b) des Kondensationsteils (19) abgesaugten und sich im gasförmigen Zustand befindlichen Arbeitsmediums (7) mit besagtem Kondensationsteil (19) zur räumlichen Trennung der Arbeitsmedien (6, 7) verbunden ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmekraftmaschine (1) zumindest ein Sensor (21) zur Ermittlung der aktuellen Ausgangstemperatur und/oder des aktuellen Ausgangsdruckes in der zumindest einen Arbeitskammer (16i-n) und/oder zur Ermittlung der Ausgangstemperatur des ersten und/oder zumindest einen weiteren Arbeitsmediums (6, 7) zugeordnet ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor (21) elektrisch oder berührungslos mit einer Rechnereinheit (22) verbunden ist, die ihrerseits Steuersignale (22a) generierend, wenigstens mit einem im Kreislauf (8) des ersten
Arbeitsmediums (6) angeordneten und dem Einlasskanal (10) desselben zugeordneten Einspritzventil (17), vorzugsweise mit einem im Kreislauf (8, 9) des ersten und zumindest einen weiteren Arbeitsmediums (7) angeordneten und dem Einlasskanal (10, 11) desselben zugeordneten Einspritzventil (17, 18) verbunden ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe als Antrieb für ein Fahrzeug und/oder vermittels zumindest eines am drehenden Teil (3; 3.1-3.6) der Wärmekraftmaschine (1) angeschlossenen Generators (23) zur Erzeugung elektrische Energie verwendet wird respektive verwendbar ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe als Antrieb in einem Hybridfahrzeug verwendet wird respektive verwendbar ist.
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