WO2014079524A1 - Wärmekraftmaschine - Google Patents

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WO2014079524A1
WO2014079524A1 PCT/EP2013/002960 EP2013002960W WO2014079524A1 WO 2014079524 A1 WO2014079524 A1 WO 2014079524A1 EP 2013002960 W EP2013002960 W EP 2013002960W WO 2014079524 A1 WO2014079524 A1 WO 2014079524A1
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WO
WIPO (PCT)
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working
pressure
working space
working fluid
heat exchange
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2013/002960
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gunter Kaiser
Jürgen Klier
Moritz Kuhn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF CV Systems Hannover GmbH
Original Assignee
Wabco GmbH
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Filing date
Publication date
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Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/0435—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines the engine being of the free piston type

Definitions

  • the invention relates to a heat engine, i. a machine for converting thermal energy into mechanical energy, and a method for operating such a heat engine.
  • Thermodynamic cycles enable the conversion of thermal energy into mechanical energy.
  • Various implementations of such cycle processes by means of corresponding heat engines are known, e.g. using Stirling machines or Rankine machines.
  • Stirling engines when operated by means of a low temperature heat source (e.g., between 100 ° C and 500 ° C), have low volumetric power densities and must be operated at high mid pressures.
  • Rankine machines in turn, can achieve high power densities even with low temperature heat sources, but require complex and high maintenance devices, e.g. require controlled ancillary equipment (e.g., condensate pumps, main spool and auxiliary spool).
  • the invention provides a heat engine which can be realized with an uncomplicated and compact design and also allows high efficiency when operated by means of a low-temperature heat source.
  • the invention provides a corresponding method for operating a heat engine.
  • a heat engine for converting thermal energy into mechanical energy by means of a working fluid.
  • the heat engine has a working space (also referred to as a working chamber or working cylinder) with a working piston arranged therein, the working piston being movably received in the working space such that the volume of the working space varies according to the position (or movement) of the working piston (eg by a boundary surface of the working space is formed by one of the two end faces of the working piston).
  • the heat engine also has a drive section (hereinafter also referred to as "thermal head”) with a displacement device and a heat exchange device, wherein the drive section is designed to Coupling thermal energy is provided.
  • the displacer is connected in parallel with and in fluid communication with the heat exchange device (ie, the working fluid may be displaced from the displacer device to the heat exchange device, and vice versa).
  • the heat exchange devices has a hot side for heating the working fluid and a cold side for cooling the working fluid.
  • the driving portion is serially connected to (i.e., in serial fluid communication with) the working space, with the driving portion being connected to the working space at a position between the hot side of the heat exchanging device and the displacing device.
  • the heat engine is designed as a 2-phase positive displacement heat engine, i.
  • the working fluid alternately passes through phase transitions between the liquid and the gaseous or supercritical phase, the heat engine being arranged as a displacement machine (in particular according to the so-called gamma principle, according to which working piston and displacer pistons are arranged in different cylinders or spaces ) is realized.
  • the working fluid e.g. Toluene, ethanol, tetrafluoroethane (R134a) or any other refrigerant.
  • the drive section is formed (by means of a corresponding design of the displacement device and the heat exchange device) such that liquid working fluid is displaced via the cold side to the hot side of the heat exchange device in a pressure build-up step or pressure build-up stroke by means of the displacer device and thereby evaporated (eg on the hot side), whereby the Pressure in the working space increases from a predetermined low pressure to a (higher) predetermined high pressure.
  • the drive section or the displacer device may for example be designed such that in the pressure build-up the liquid working fluid is (fast) moved to the hot side of the heat exchange device and evaporated there, that during the pressure build-up an increase in pressure in the working space until reaching the predetermined high pressure takes place at a constant or substantially constant volume of the working space, ie an isochoric state change takes place.
  • an increase in pressure in the working space until reaching the predetermined high pressure takes place at a constant or substantially constant volume of the working space, ie an isochoric state change takes place.
  • Working space expanding gaseous working fluid is moved in a first direction.
  • the drive section is (by means of appropriate design of the displacer device and the heat exchange device) also designed such that displaced in a pressure reduction step or pressure reduction cycle by means of the displacer gaseous working fluid on the hot side to the cold side of the heat exchange device and thereby liquefied (eg on the cold side) the pressure in the working space from the high pressure to the low pressure decreases.
  • the drive section or displacer may be e.g.
  • energy can be coupled into the heat engine at the drive section by coupling thermal energy to the heat exchange device for vaporization and overheating of the liquid working fluid and coupling mechanical energy to the displacement device to displace the working fluid.
  • the coupled energy of the working piston is periodically reciprocated due to the alternating pressure build-up and pressure reduction within the working space, wherein mechanical energy or work can be coupled to the working piston.
  • the heat engine only requires the above-mentioned (few) components and also has only movable parts in the working piston and the Verdrängervor-, the heat engine can be realized with a straightforward and compact design.
  • the heat engine can eg consist (exclusively) of the drive section with the work space connected thereto, including the working piston.
  • the heat engine with a high pressure ratio ie ratio of the predetermined high pressure to the predetermined low pressure
  • a high pressure ratio ie ratio of the predetermined high pressure to the predetermined low pressure
  • the heat engine may e.g. be formed such that the pressure ratio, i. the ratio of the predetermined high pressure to the predetermined low pressure, is up to 20: 1. Further, depending on the working fluid, the heat engine may be configured such that the temperature on the hot side of the heat exchange device (e.g., the superheater) has a value (e.g., constant or localized rise) of between 50 ° C and 500 ° C.
  • the drive section or the displacer device is designed such that after the pressure build-up cycle (between the pressure build-up cycle and the subsequent depressurization cycle), i.
  • the drive section or the displacement device can be designed such that, after the pressure reduction cycle (between the pressure reduction cycle and the subsequent pressure buildup cycle), ie after the pressure in the working space reaches the predetermined low pressure or low pressure value, in a contraction step or contraction stroke
  • the displacer device further gaseous working fluid is displaced over the hot side to the cold side of the heat exchange device and thereby liquefied, that the working fluid is liquefied while maintaining the low pressure in the working space on the cold side of the heat exchange device while the working piston while reducing the volume of the working space in the second Direction is moved, ie an isobaric or substantially isobaric contraction or compression takes place.
  • the displacement device has a displacement chamber (also referred to as displacement chamber or displacement cylinder) and a displacer movably arranged therein by means of a drive, the displacement piston being e.g. may be arranged such that it is at its first end face with the hot side of the heat exchange device (and the working space) and with its second end face with the cold side of the heat exchange device in fluid communication.
  • a high pressure ratio i.e., ratio of high pressure to low pressure
  • the heat exchanger device sequentially has a subcooler, an evaporator-condenser combination device (hereafter abbreviated as "evaporator condenser”) in the direction from its cold side to its hot side, and a superheater,
  • the evaporator condenser is for evaporation
  • the evaporator-condenser may be formed, for example, as a regenerator (ie, as a heat exchanger) through the liquid (s) flowing therethrough from the cold side to the hot side of the heat exchange device, and liquefying the working fluid passing therethrough from the hot side to the cold side of the heat exchange device.
  • Buffer for temporarily storing the thermal energy of the working fluid flowing therethrough, wherein the regenerator in the liquefaction of the from the hot side to the Cold side flowing (gaseous) working fluid stored thereby latent heat is stored and is subsequently delivered to the flowing from the cold side to the hot side (liquid) working fluid for evaporation of the same.
  • the subcooler is configured to cool the liquid working fluid passing therethrough from the hot side to the cold side of the heat exchange device
  • the superheater is configured to heat the gaseous working fluid passing therethrough in the direction from the cold side to the hot side of the heat exchange device.
  • the thermal energy required to operate the heat engine is supplied to the superheater.
  • the heat engine has two work spaces, wherein the working piston is arranged such that it adjoins the one (first) working space with its first end face and adjoins the other (second) work space with its other end face (so-called double work space). acting heat engine).
  • the heat engine has a first drive section and a second drive section, wherein each of the two drive sections or thermal heads may be configured as described above with respect to the drive section.
  • the first drive section may be connected in series with the first working space and the second drive section as described above with respect to the drive section may be connected in series with the second working space.
  • the first drive section and the second drive section are operated anticyclically (or 180 ° out of phase) to each other.
  • a method of operating a two-phase positive displacement heat engine is provided.
  • a heat engine can be operated in accordance with the embodiments described above, so that in the following, only a few of the corresponding method steps will be discussed and, moreover, in this regard, reference is made to the explanations regarding the device in the form of the heat engine, which is analogous to the Procedure apply.
  • the method comprises a pressure build-up step during which liquid working fluid is displaced via a cold side to a hot side of a heat exchange device and vaporized by means of the heat exchange device to form gaseous working fluid, the gaseous working fluid being fed into the hot side of the heat exchanger Heat exchange device coupled working space occurs, whereby the pressure in the working space of a predetermined low pressure increases to a (higher) predetermined high pressure.
  • the liquid working fluid is (fast) moved to the hot side of the heat exchange device and evaporated, that during the pressure build-up an increase in pressure in the working space until reaching the predetermined high pressure at (substantially) constant volume of the working space he follows.
  • the method further includes a depressurization step during which gaseous working fluid is displaced via the hot side to the cold side of the heat exchange device by means of the displacer device and thereby liquefied by the heat exchange device to form liquid working fluid, whereby the pressure in the working space from the high pressure to the low pressure decreases.
  • a depressurization step during which gaseous working fluid is displaced via the hot side to the cold side of the heat exchange device by means of the displacer device and thereby liquefied by the heat exchange device to form liquid working fluid, whereby the pressure in the working space from the high pressure to the low pressure decreases.
  • the method includes a pressure build-up clock (and before the subsequent pressure reduction clock), i. After reaching the predetermined high pressure or high-pressure value in the working space, expansion step or expansion stroke, during which the displacer further liquid working fluid is so moved over the cold side to the hot side of the heat exchange device and thereby vaporized that the gaseous working fluid while maintaining the high pressure in the working space expands and thereby moves a arranged in the working space working piston increases the volume of the working space in the first direction.
  • the method may also include one after the decompression cycle (and before the subsequent pressurization cycle), i. After reaching the predetermined low pressure or low pressure value in the working space, contraction or contraction contract take place, during which of the displacer further gaseous working fluid is so moved over the hot side to the cold side of the heat exchange device and thereby liquefied that while maintaining the Low pressure is moved in the working space of the working piston with reduction of the volume of the working space in the second direction.
  • FIG. 1 shows a two-dimensional representation of a heat engine according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 illustrates a two-phase displacement heat engine 1 according to an embodiment, wherein the heat engine 1 is operated by means of a working fluid 3.
  • the heat engine 1 is a double-acting heat engine formed and has a first working chamber 5 and a second working chamber 7.
  • the heat engine 1 has a working piston 9, which is movably arranged in the working chambers 5, 7 such that it with its first end face 1 1, a boundary surface of the first working chamber 5 and with its second
  • End face 13 forms a boundary surface of the second working chamber 7.
  • the working piston 9 is in the positive and the negative x-direction of the in FIG.
  • the heat engine 1 also has a first drive section 17 and a second drive section 19.
  • Each of the drive sections 17, 19 has a displacer device 21 and a heat exchange device 23.
  • Each of the displacer devices 21 has a displacement chamber 25 with a displacer piston 27 arranged movably therein, wherein the displacer piston 27 can be moved by means of a drive 29 in the positive and the negative y direction of the xy coordinate system shown in FIG.
  • Each of the heat exchange devices 23 consists of a series circuit of a subcooler 31, an evaporator-condenser combination device 33 and a superheater 35.
  • the displacing device 21 is connected in parallel to the heat exchanger device 23.
  • the first drive section 17 is connected in series with the first working space 5 and the second drive section 19 is connected in series with the second working space 7.
  • the cyclic process which can be carried out by means of the heat engine 1 consists of four work cycles and is explained below on the basis of a complete cycle of the first drive section 17, wherein the second drive section 19 is operated in an anticyclical manner analogously thereto.
  • the working piston 9 moves after the pressure has been built up in such a way that the pressure increases.
  • a movement of the displacer piston 27 in the positive y direction forms part of the gaseous working fluid 3 - which in the form of superheated gas or vapor in direct fluid communication with the Superheater 35 standing portion 39 of the displacement chamber 25 is present (this section is hereinafter also referred to as "warm space 39" of the displacement chamber 25) - moved over the 25 superheater 35 in the evaporator condenser 33 and the subcooler 31.
  • the working fluid 3 is liquefied or condensed in the evaporator condenser 33 to form liquid working fluid 3 and further cooled in the subcooler 31. Due to the decrease in volume of the working fluid 3 in the transition from the gaseous to the liquid state, the pressure in the first working chamber 30 5 decreases from the high pressure to the low pressure.
  • the working piston 9 moves after the pressure reduction due to the decrease in pressure in such a way that the volume of the first working chamber 5 is reduced (ie the working volume). Piston moves in the negative x-direction, also referred to as "second direction”.) Here, the working piston 9 performs work on the gaseous working fluid 3.
  • the contraction cycle of the displacer 27 by means of the drive 29 so on in the positive y-direction moves and thus continues to move gaseous working fluid 3 through the heat exchange device 23 and thereby condenses that the low pressure in the working space 5 is maintained during the contraction cycle (ie, the pressure in the working space remains constant at the low pressure value)
  • the heat engine 1 is operated by injecting mechanical energy on the displacer drive 29 and thermal energy to the superheater 35, wherein the coupled energy is converted into mechanical energy and this can be coupled to the working piston 9 and converted by the generator 36 into electrical energy ,
  • the evaporator-condenser 33 is designed as a regenerator, the latent heat accumulating thereby being stored by the regenerator during the liquefaction of the gaseous working fluid flowing from the superheater 35 to the subcooler 31 and subsequently to that of the subcooler 31 is discharged to the superheater 35 flowing liquid working fluid for evaporation thereof ben.
  • the subcooler 31 thus forms the cold side of the heat exchange device 23, the superheater 35 whose warm side.
  • the first driving portion 17 is located at a position between the hot side and the superheater 35 and the displacer device 23 (ie, at a position lying on the direct connection between the hot side of the heat exchanging device 23 and the warm space 39 of the displacer device 23 and FIG direct fluid communication with the hot side of the heat exchange device 23 and the warm space 39 of the displacement chamber 25 is) serially coupled to the first working space 5.
  • the working fluid 3 can be displaced unhindered at any time between the working space 5 and the drive section 17 in any direction.
  • the heat engine 1 is for a pressure ratio of the high pressure to the low pressure between 5: 1 and 20: 1 and designed for a voltage applied to the superheater 35 temperature between 100 ° C and 500 ° C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine und eine Wärmekraftmaschine, aufweisend: einen Arbeitsraum mit einem Arbeitskolben und einen Antriebsabschnitt mit einer Verdrängervorrichtung und einer Wärmetauschvorrichtung, wobei die Wärmekraftmaschine derart ausgebildet ist, dass mittels der Verdrängervorrichtung in einem Druckaufbautakt flüssiges Arbeitsfluid über eine Kaltseite zu einer Warmseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei verdampft wird, wobei der Druck im Arbeitsraum von einem Niederdruck auf einen Hochdruck steigt, und in einem Druckabbautakt gasförmiges Arbeitsfluid über die Warmseite zu der Kaltseite der Wärmetauscheinrichtung verschoben und dabei verflüssigt wird, wobei der Druck im Arbeitsraum von dem Hochdruck auf den Niederdruck sinkt.

Description

Wärmekraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, d.h. eine Maschine zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie, und ein Verfahren zum Betreiben ei- ner solchen Wärmekraftmaschine.
Thermodynamische Kreisprozesse ermöglichen die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie. Es sind vielfältige Realisierungen solcher Kreisprozesse mittels entsprechender Wärmekraftmaschinen bekannt, z.B. mittels Stirling-Maschinen oder Rankine-Maschinen. Stirling-Maschinen weisen, wenn sie mittels einer Wärmequelle mit einer geringen Temperatur (z.B. zwischen 100 °C und 500 °C) betrieben werden, nur geringe volumetrische Leistungsdichten auf und müssen mit hohen Mitteldrücken betrieben werden. Rankine-Maschinen wiederum können auch mittels Niedertemperatur-Wärmequellen hohe Leistungsdichten erreichen, benötigen jedoch zur Realisierung des zugehörigen Kreisprozesses komplexe und wartungsintensive Vorrichtungen, die z.B. gesteuerte Nebenaggregate (z.B. Kondensatpumpen, Hauptschieber und Hilfsschieber) erfordern.
Durch die Erfindung wird eine Wärmekraftmaschine geschaffen, die mit einem unkom- plizierten und kompakten Aufbau realisierbar ist und auch bei Betrieb mittels einer Niedertemperatur-Wärmequelle einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht. Zudem wird durch die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine bereitgestellt. Gemäß der Erfindung wird eine Wärmekraftmaschine zum Umwandeln von thermischer in mechanische Energie mittels eines Arbeitsfluids bereitgestellt. Die Wärmekraftmaschine weist einen Arbeitsraum (auch als Arbeitskammer oder Arbeitszylinder bezeichnet) mit einem darin angeordneten Arbeitskolben auf, wobei der Arbeitskolben derart bewegbar in dem Arbeitsraum aufgenommen ist, dass das Volumen des Arbeitsraumes entsprechend der Position (bzw. der Bewegung) des Arbeitskolbens variiert (z.B. indem eine Begrenzungsfläche des Arbeitsraumes von einer der beiden Stirnflächen des Arbeitskolbens gebildet ist). Die Wärmekraftmaschine weist zudem einen Antriebsabschnitt (nachfolgend auch als„thermischer Kopf bezeichnet) mit einer Verdrängervorrichtung und einer Wärmetauschvorrichtung auf, wobei der Antriebsabschnitt zum Ein- koppeln thermischer Energie vorgesehen ist. Innerhalb des Antriebsabschnitts ist die Verdränger-vorrichtung parallel zu der Wärmetauschvorrichtung geschaltet und steht in Fluidverbindung mit derselben (d.h. das Arbeitsfluid kann von der Verdrängervorrichtung zu der Wärmetauschvorrichtung verschoben werden und umgekehrt).
Die Wärmetauschvorrichtungen weist eine Warmseite zum Erhitzen des Arbeitsfluids und eine Kaltseite zum Kühlen des Arbeitsfluids auf. Der Antriebsabschnitt ist seriell zu dem Arbeitsraum geschaltet (d.h. steht in serieller Fluidverbindung mit demselben), wobei der Antriebsabschnitt an einer Position zwischen der Warmseite der Wärmetausch- Vorrichtung und der Verdrängervorrichtung an den Arbeitsraum angebunden ist.
Die Wärmekraftmaschine ist als 2-Phasen-Verdränger-Wärmekraftmaschine ausgebildet, d.h. während des Betriebs der Wärmekraftmaschine durchläuft das Arbeitsfluid abwechselnd Phasenübergänge zwischen der flüssigen und der gasförmigen bzw. über- kritischen Phase, wobei die Wärmekraftmaschine als Verdrängermaschine (insbesondere nach dem sog. Gamma-Prinzip, wonach Arbeitskolben und Verdrängerkolben in unterschiedlichen Zylindern bzw. Räumen angeordnet sind) realisiert ist. Als Arbeitsfluid kann z.B. Toluol, Ethanol, Tetrafluorethan (R134a) oder ein sonstiges Kältemittel verwendet werden.
Der Antriebsabschnitt ist (mittels entsprechender Ausbildung der Verdrängervorrichtung und der Wärmetauschvorrichtung) derart ausgebildet, dass in einem Druckaufbauschritt bzw. Druckaufbautakt mittels der Verdrängervorrichtung flüssiges Arbeitsfluid über die Kaltseite zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei (z.B. an der Warmseite) verdampft wird, wodurch der Druck im Arbeitsraum von einem vorgegebenen Niederdruck auf einen (demgegenüber höheren) vorgegebenen Hochdruck steigt. Der Antriebsabschnitt bzw. die Verdrängervorrichtung kann z.B. derart ausgebildet sein, dass in dem Druckaufbautakt das flüssige Arbeitsfluid derart (schnell) zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dort verdampft wird, dass während des Druckaufbautaktes eine Zunahme des Druckes im Arbeitsraum bis zum Erreichen des vorgegebenen Hochdruckes bei gleichbleibendem oder im Wesentlichen gleichbleibenden Volumen des Arbeitsraumes erfolgt, d.h. eine isochore Zustandsände- rung stattfindet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass bereits während des Druckaufbautaktes bis zum Erreichen des vorgegebenen Hochdrucks eine Zunahme des Arbeitsraumvolumens stattfindet, wobei der Arbeitskolben durch das in den
Arbeitsraum expandierende gasförmige Arbeitsfluid in eine erste Richtung bewegt wird.
Der Antriebsabschnitt ist (mittels entsprechender Ausbildung der Verdrängervorrichtung und der Wärmetauschvorrichtung) zudem derart ausgebildet, dass in einem Druckabbauschritt bzw. Druckabbautakt mittels der Verdrängervorrichtung gasförmiges Arbeitsfluid über die Warmseite zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei (z.B. an der Kaltseite) verflüssigt wird, wodurch der Druck im Arbeitsraum von dem Hochdruck auf den Niederdruck sinkt. Der Antriebsabschnitt bzw. die Verdränger- Vorrichtung kann z.B. derart ausgebildet sein, dass in dem Druckabbautakt das gasförmige Arbeitsfluid derart (schnell) zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dort verflüssigt wird, dass während des Druckabbautaktes eine Abnahme des Druckes im Arbeitsraum bis zum Erreichen des vorgegebenen Niederdruckes bei gleichbleibendem oder im Wesentlichen gleichbleibendem Volumen des Arbeitsraumes erfolgt, d.h. eine isochore Zustandsänderung stattfindet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass bereits während des Druckabbautaktes bis zum Erreichen des vorgegebenen Niederdruckes eine Abnahme des Arbeitsraumvolumens stattfindet, wobei der Arbeitskolben aufgrund des Druckabbaus in eine zweite Richtung - die der ersten Richtung entgegen gerichtet ist - bewegt wird.
Somit kann an dem Antriebsabschnitt Energie in die Wärmekraftmaschine eingekoppelt werden, indem an der Wärmetauschvorrichtung thermische Energie zum Verdampfen und Überhitzen des flüssigen Arbeitsfluides eingekoppelt wird und an der Verdrängervorrichtung mechanische Energie zum Verschieben des Arbeitsfluides eingekoppelt wird. Mittels der eingekoppelten Energie wird der Arbeitskolben aufgrund des abwechselnden Druckaufbaus und Druckabbaus innerhalb des Arbeitsraumes periodisch hin- und her bewegt, wobei an dem Arbeitskolben mechanische Energie bzw. Arbeit ausgekoppelt werden kann. Indem die Wärmekraftmaschine lediglich die o.g. (wenigen) Bestandteile erfordert und zudem lediglich in dem Arbeitskolben und der Verdrängervor- richtung bewegbare Teile aufweist, kann die Wärmekraftmaschine mit einem unkomplizierten und kompakten Aufbau realisiert werden. Die Wärmekraftmaschine kann z.B. (ausschließlich) aus dem Antriebsabschnitt mit dem daran angebundenen Arbeitsraum samt Arbeitskolben bestehen. Indem die Verdrängervorrichtung parallel zu der Wärmetauschvorrichtung geschaltet ist und an ihrer einen Seite mit der Warmseite der Wärme- tauschvorrichtung sowie dem Arbeitsraum und an ihrer anderen Seite mit der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung in Fluidverbindung steht, kann die Wärmekraftmaschine mit einem hohen Druckverhältnis (d.h. Verhältnis des vorgegebenen Hochdrucks zu dem vorgegebenen Niederdruck) betrieben werden, wodurch - auch wenn an der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung lediglich geringfügig höhere Temperaturen gegenüber der Antriebsseite vorliegen - eine hohe Leistungsdichte ermöglicht ist.
Die Wärmekraftmaschine kann z.B. derart ausgebildet sein, dass das Druckverhältnis, d.h. das Verhältnis des vorgegebenen Hochdrucks zu dem vorgegebenen Niederdruck, bei bis zu 20:1 liegt. Des Weiteren kann die Wärmekraftmaschine je nach Arbeitsfluid derart ausgebildet sein, dass die Temperatur an der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung (z.B. an dem Überhitzer) einen (z.B. konstanten oder örtlich verteiltem Anstieg) Wert zwischen 50 °C und 500 °C aufweist. Gemäß einer Ausführungsform ist der Antriebsabschnitt bzw. die Verdrängervorrichtung derart ausgebildet, dass nach dem Druckaufbautakt (zwischen dem Druckaufbautakt und dem nachfolgenden Druckabbautakt), d.h. nachdem der Druck im Arbeitsraum den vorgegebenen Hochdruck bzw. Hochdruck-Wert erreicht, in einem Expansionsschritt bzw. Expansionstakt mittels der Verdrängervorrichtung weiterhin flüssiges Arbeitsfluid derart über die Kaltseite zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei verdampft wird, dass das gasförmige Arbeitsfluid unter Aufrechterhaltung des Hochdruckes in dem Arbeitsraum in denselben expandiert und dabei den Arbeitskolben unter Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes in die erste Richtung bewegt, d.h. eine isobare oder im Wesentlichen isobare Expansion stattfindet.
Zudem kann der Antriebsabschnitt bzw. die Verdrängervorrichtung derart ausgebildet sein, dass nach dem Druckabbautakt (zwischen dem Druckabbautakt und dem nachfolgenden Druckaufbautakt), d.h. nachdem der Druck im Arbeitsraum den vorgegebenen Niederdruck bzw. Niederdruck-Wert erreicht, in einem Kontraktionsschritt bzw. Kontrak- tionstakt mittels der Verdrängervorrichtung weiterhin gasförmiges Arbeitsfluid derart über die Warmseite zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei verflüssigt wird, dass das Arbeitsfluid unter Aufrechterhaltung des Niederdruckes in dem Arbeitsraum an der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung verflüssigt wird und dabei der Arbeitskolben unter Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraums in die zweite Richtung bewegt wird, d.h. eine isobare oder im Wesentlichen isobare Kontraktion bzw. Kompression stattfindet.
Bei der Expansion des gasförmigen Arbeitsfluides in das Arbeitsraumvolumen und der damit einhergehenden Bewegung des Arbeitskolbens derart, dass das Volumen des Arbeitsraumes vergrößert wird, leistet das gasförmige Arbeitsfluid Arbeit an dem Arbeitskolben. Bei der Verflüssigung bzw. Kondensation des Arbeitsfluids unter Volumenverkleinerung und der damit einhergehenden Bewegung des Arbeitskolbens derart, dass das Volumen des Arbeitsraumes verkleinert wird, leistet der Arbeitskolben Arbeit am Dampf des Arbeitsfluides. Die von der Wärmekraftmaschine geleistete Nettoarbeit ist durch die Differenz zwischen der Arbeitsleistung bei der Volumenvergrößerung und der Volumenverkleinerung des Arbeitsraumvolumens gegeben. >
Gemäß einer Ausführungsform weist die Verdrängervorrichtung einen Verdrängerraum (auch als Verdrängerkammer oder Verdrängerzylinder bezeichnet) und einen darin mittels eines Antriebs bewegbar angeordneten Verdrängerkolben auf, wobei der Verdrängerkolben z.B. derart angeordnet sein kann, dass er an seiner ersten Stirnfläche mit der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung (und dem Arbeitsraum) und mit seiner zweiten Stirnfläche mit der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung in Fluidverbindung steht. Demgemäß kann eine stabile Ausführung der Wärmekraftmaschine und somit ein hohes Druckverhältnis (d.h. Verhältnis des Hochdrucks zu dem Niederdruck) ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Wärmetauschvorrichtung in Richtung von ihrer Kaltseite zu ihrer Warmseite hin nacheinander einen Unterkühler, eine Verdampfer-Kondensator-Kombinationsvorrichtung (im Folgenden kurz als„Verdampfer- Kondensator" bezeichnet) und einen Überhitzer auf. Der Verdampfer-Kondensator ist zum Verdampfen des durch ihn von der Kaltseite zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung hindurchströmenden (flüssigen) Arbeitsfluides und zum Verflüssigen des durch ihn von der Warmseite zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung hindurchströmenden (gasförmigen) Arbeitsfluides ausgebildet. Der Verdampfer-Kondensator kann z.B. als Regenerator (d.h. als Wärme-Zwischenspeicher) zum Zwischenspeichern der thermischen Energie des durch ihn hindurchströmenden Arbeitsfluides ausgebildet sein, wobei von dem Regenerator bei der Verflüssigung des von der Warmseite zu der Kaltseite strömenden (gasförmigen) Arbeitsfluides die dabei anfallende latente Wärme gespeichert wird und im Folgenden an das von der Kaltseite zu der Warmseite strömende (flüssige) Arbeitsfluid zur Verdampfung desselben abgegeben wird. Der Unterkühler ist zum Kühlen des durch ihn in Richtung von der Warmseite zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung hindurchströmenden flüssigen Arbeitsfluides ausgebildet, der Überhitzer ist zum Erwärmen des durch ihn in Richtung von der Kaltseite zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung hindurchströmenden gasförmigen Arbeitsfluides ausgebildet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die zum Be- treiben der Wärmekraftmaschine erforderliche thermische Energie an dem Überhitzer zugeführt bzw. eingekoppelt.
Gemäß einer Ausführungsform besteht zwischen dem Arbeitsraum und dem Antriebsabschnitt eine freie (d.h. unmittelbare und ungehinderte) Fluidverbindung; wobei im Strömungsweg des Arbeitsfluides zwischen dem Arbeitsraum und dem Antriebsabschnitt z.B. kein Ventil oder sonstiges zur Strömungsregulierung vorgesehenes Bauteil angeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass an der Verdrängervorrichtung stets derselbe Druck anliegt wie im Arbeitsraum. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Wärmekraftmaschine zwei Arbeitsräume auf, wobei der Arbeitskolben derart angeordnet ist, dass er mit seiner ersten Stirnfläche an den einen (ersten) Arbeitsraum angrenzt und mit seiner anderen Stirnfläche an den anderen (zweiten) Arbeitsraum angrenzt (sog. doppelt-wirkende Wärmekraftmaschine). Gemäß dieser Ausführung weist die Wärmekraftmaschine einen ersten Antriebsabschnitt und einen zweiten Antriebsabschnitt auf, wobei jeder der beiden Antriebsabschnitte bzw. thermischen Köpfe wie oben mit Bezug auf den Antriebsabschnitt erläutert ausgebildet sein kann. Der erste Antriebsabschnitt kann wie oben mit Bezug auf den Antriebsabschnitt erläutert seriell mit dem ersten Arbeitsraum und der zweite Antriebsabschnitt wie oben mit Bezug auf den Antriebsabschnitt erläutert seriell mit dem zweiten Arbeitsraum verschaltet sein. Gemäß dieser Ausführung werden der erste Antriebsabschnitt und der zweite Antriebsabschnitt antizyklisch (bzw. um 180° phasenverschoben) zueinander betrieben. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer 2- Phasen-Verdränger-Wärmekraftmaschine bereitgestellt. Mittels des Verfahrens kann z.B. eine Wärmekraftmaschine gemäß den vorstehend erläuterten Ausgestaltungen betrieben werden, sodass im Folgenden lediglich knapp auf einige der entsprechenden Verfahrensschritte eingegangen wird und im Übrigen diesbezüglich hiermit auf die Erläuterungen hinsichtlich der Vorrichtung in Form der Wärmekraftmaschine verwiesen wird, die analog auch für das Verfahren gelten.
Das Verfahren weist einen Druckaufbauschritt bzw. -takt auf, während dessen mittels einer Verdrängervorrichtung flüssiges Arbeitsfluid über eine Kaltseite zu einer Warmseite einer Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei mittels der Wärmetauschvorrichtung unter Bildung von gasförmigem Arbeitsfluid verdampft wird, wobei das gasförmige Arbeitsfluid in einen an die Warmseite der Wärmetauschvorrichtung angekoppelten Arbeitsraum eintritt, wodurch der Druck in dem Arbeitsraum von einem vorgegebe- nen Niederdruck auf einen (demgegenüber höheren) vorgegebenen Hochdruck steigt. Es kann - wie bereits oben mit Bezug auf die Vorrichtung erläutert - z.B. vorgesehen sein, dass während des Druckaufbautaktes das flüssige Arbeitsfluid derart (schnell) zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dort verdampft wird, dass während des Druckaufbautaktes eine Zunahme des Druckes im Arbeitsraum bis zum Erreichen des vorgegebenen Hochdruckes bei (im Wesentlichen) gleichbleibendem Volumen des Arbeitsraumes erfolgt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass bereits während des Druckaufbautaktes bis zum Erreichen des vorgegebenen Hochdruckes unter entsprechender Bewegung des Arbeitskolbens eine Zunahme des Arbeitsraumvolumens stattfindet.
Das Verfahren weist zudem einen Druckabbauschritt bzw. -takt auf, während dessen mittels der Verdrängervorrichtung gasförmiges Arbeitsfluid über die Warmseite zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei mittels der Wärmetauschvorrichtung unter Bildung von flüssigem Arbeitsfluid verflüssigt wird bzw. kondensiert, wodurch der Druck in dem Arbeitsraum von dem Hochdruck auf den Niederdruck sinkt. Es kann - wie bereits oben mit Bezug auf die Vorrichtung erläutert - z.B. vorgesehen sein, dass während des Druckabbautaktes das gasförmige Arbeitsfluid derart (schnell) zu der Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dort verflüssigt wird, dass während des Druckabbautaktes eine Abnahme des Druckes im Arbeitsraum bis zum Erreichen des vorgegebenen Niederdruckes bei (im Wesentlichen) gleichbleibendem Volumen des Arbeitsraumes erfolgt. Es kann jedoch auch
vorgesehen sein, dass bereits während des Druckabbautaktes bis zum Erreichen des vorgegebenen Niederdruckes unter entsprechender Bewegung des Arbeitskolbens eine Abnahme des Arbeitsraumvolumens stattfindet.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren einen nach dem Druckaufbautakt (und vor dem nachfolgenden Druckabbautakt), d.h. nach dem Erreichen des vorgegebenen Hochdruckes bzw. Hochdruck-Wertes im Arbeitsraum, erfolgenden Expansions- schritt bzw. Expansionstakt auf, während dessen von der Verdrängervorrichtung weiterhin flüssiges Arbeitsfluid derart über die Kaltseite zu der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung verschoben und dabei verdampft wird, dass das gasförmige Arbeitsfluid unter Aufrechterhaltung des Hochdruckes in den Arbeitsraum expandiert und dabei einen in dem Arbeitsraum angeordneten Arbeitskolben unter Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes in die erste Richtung bewegt.
Das Verfahren kann zudem einen nach dem Druckabbautakt (und vor dem nachfolgenden Druckaufbautakt), d.h. nach dem Erreichen des vorgegebenen Niederdruckes bzw. Niederdruck-Wertes im Arbeitsraum, erfolgenden Kontraktionsschritt bzw. Kontraktions- takt aufweisen, während dessen von der Verdrängervorrichtung weiterhin gasförmiges Arbeitsfluid derart über die Warmseite zu der Kaltseite der Wärmetauscheinrichtung verschoben und dabei verflüssigt wird, dass unter Aufrechterhaltung des Niederdruckes in dem Arbeitsraum der Arbeitskolben unter Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes in die zweite Richtung bewegt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert; hierbei zeigt schematisch:
Figur 1 eine zweidimensionale Darstellung einer Wärmekraftmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 veranschaulicht eine 2-Phasen-Verdränger-Wärmekraftmaschine 1 gemäß einer Ausführungsform, wobei die Wärmekraftmaschine 1 mittels eines Arbeitsfluids 3 betrieben wird. Die Wärmekraftmaschine 1 ist als doppeltwirkende Wärmekraftmaschine ausgebildet und weist eine erste Arbeitskammer 5 und eine zweite Arbeitskammer 7 auf. Zudem weist die Wärmekraftmaschine 1 einen Arbeitskolben 9 auf, der bewegbar derart in den Arbeitskammern 5, 7 angeordnet ist, dass er mit seiner ersten Stirnfläche 1 1 eine Begrenzungsfläche der ersten Arbeitskammer 5 und mit seiner zweiten
Stirnfläche 13 eine Begrenzungsfläche der zweiten Arbeitskammer 7 bildet. Der Arbeitskolben 9 ist in die positive und die negative x-Richtung des in Figur 1
dargestellten Koordinatensystems bewegbar.
Die Wärmekraftmaschine 1 weist zudem einen ersten Antriebsabschnitt 17 und einen zweiten Antriebsabschnitt 19 auf. Jeder der Antriebsabschnitte 17, 19 weist eine Verdrängervorrichtung 21 und eine Wärmetauschvorrichtung 23 auf. Jede der Verdrängervorrichtungen 21 weist eine Verdrängerkammer 25 mit einem darin bewegbar angeordneten Verdrängerkolben 27 auf, wobei der Verdrängerkolben 27 mittels eines Antriebs 29 in die positive und die negative y-Richtung des in Figur 1 dargestellten xy- Koordinatensystems bewegbar ist.
Jede der Wärmetauschvorrichtungen 23 besteht aus einer Serienschaltung aus einem Unterkühler 31 , einer Verdampfer-Kondensator-Kombinationsvorrichtung 33 und einem Überhitzer 35. Innerhalb eines jeden Antriebsabschnittes 17, 19 ist die Verdrängervor- richtung 21 parallel zu der Wärmetauschvorrichtung 23 geschaltet. Der erste Antriebsabschnitt 17 ist seriell mit dem ersten Arbeitsraum 5 verschaltet und der zweite Antriebsabschnitt 19 ist seriell mit dem zweiten Arbeitsraum 7 verschaltet.
Der mittels der Wärmekraftmaschine 1 durchführbare Kreisprozess besteht aus vier Ar- beitstakten und wird im Folgenden anhand eines vollständigen Zyklus des ersten Antriebsabschnittes 17 erläutert, wobei der zweite Antriebsabschnitt 19 analog dazu antizyklisch betrieben wird.
In einem Druckaufbautakt wird mittels der Verdrängervorrichtung 21 durch eine Bewe- gung des Verdrängerkolbens 27 in die negative y-Richtung ein Teil des flüssigen Ar- beitsfluids 3 - das in Form von unterkühltem Kondensat in dem in direkter Fluidverbind- ung mit dem Unterkühler stehenden Abschnitt 37 der Verdrängerkammer 25 vorliegt (wobei dieser Abschnitt im Folgenden auch als„kalter Raum 37" der Verdrängerkammer 25 bezeichnet wird) - über den Unterkühler 31 in den Verdampfer-Kondensator 33 und den Überhitzer 35 verschoben. Dabei wird das Arbeitsfluid 3 unter Bildung von gasförmigem Arbeitsfluid 3 in dem Verdampfer-Kondensator 33 verdampft und in dem Überhitzer 35 weiter erhitzt. Das gasförmige Arbeitsfluid 3 tritt in die erste
Arbeitskammer 5 ein, wodurch der Druck in der Arbeitskammer 5 von einem Nieder- 5 druck-Wert bzw. Niederdruck auf einen demgegenüber höheren Hochdruck-Wert bzw. Hochdruck ansteigt.
In einem auf den Druckaufbautakt folgenden Expansionstakt bewegt sich der Arbeitskolben 9 nach dem Druckaufbau aufgrund der Druckzunahme derart, dass sich das Vo-
10 lumen der Arbeitskammer 5 vergrößert (d.h. der Arbeitskolben bewegt sich in die positive x-Richtung, auch als„erste Richtung" bezeichnet). Hierbei leistet das gasförmige Arbeitsfluid 3 Arbeit an dem Arbeitskolben 9. Während des Expansionstaktes wird der Verdrängerkolben 27 mittels des Antriebes 29 derart weiter in die negative y-Richtung bewegt und somit weiterhin flüssiges Arbeitsfluid 3 durch die Wärmetauschvorrichtung
15 23 hindurch verschoben und dabei verdampft, dass der Hochdruck im Arbeitsraum 5 während des Expansionstaktes erhalten bleibt (d.h. der Druck im Arbeitsraum konstant auf dem Hochdruck-Wert verbleibt).
In einem auf den Expansionstakt folgenden Druckabbautakt wird mittels der Verdrän- 0 gervorrichtung 21 durch eine Bewegung des Verdrängerkolbens 27 in die positive y- Richtung ein Teil des gasförmigen Arbeitsfluids 3 - das in Form von überhitztem Gas bzw. Dampf in dem in direkter Fluidverbindung mit dem Überhitzer 35 stehenden Abschnitt 39 der Verdrängerkammer 25 vorliegt (wobei dieser Abschnitt im Folgenden auch als„warmer Raum 39" der Verdrängerkammer 25 bezeichnet wird) - über den 25 Überhitzer 35 in den Verdampfer-Kondensator 33 und den Unterkühler 31 verschoben.
Dabei wird das Arbeitsfluid 3 unter Bildung von flüssigem Arbeitsfluid 3 in dem Verdampfer-Kondensator 33 verflüssigt bzw. kondensiert und in dem Unterkühler 31 weiter abgekühlt. Aufgrund der Volumenabnahme des Arbeitsfluides 3 beim Übergang von dem gasförmigen in den flüssigen Zustand sinkt der Druck in der ersten Arbeitskammer 30 5 von dem Hochdruck auf den Niederdruck.
In einem auf den Druckabbautakt folgenden Kontraktionstakt bzw. Kompressionstakt bewegt sich der Arbeitskolben 9 nach dem Druckabbau aufgrund der Druckabnahme derart, dass sich das Volumen der ersten Arbeitskammer 5 verkleinert (d.h. der Arbeits- kolben bewegt sich in die negative x-Richtung, auch als„zweite Richtung" bezeichnet). Hierbei leistet der Arbeitskolben 9 Arbeit an dem gasförmigen Arbeitsfluid 3. Während des Kontraktionstaktes wird der Verdrängerkolben 27 mittels des Antriebes 29 derart weiter in die positive y-Richtung bewegt und somit weiterhin gasförmiges Arbeitsfluid 3 durch die Wärmetauschvorrichtung 23 hindurch verschoben und dabei kondensiert, dass der Niederdruck im Arbeitsraum 5 während des Kontraktionstaktes erhalten bleibt (d.h. der Druck im Arbeitsraum konstant auf dem Niederdruck-Wert verbleibt)
Die Wärmekraftmaschine 1 wird mittels Einkoppeins von mechanischer Energie an dem Verdränger-Antrieb 29 und thermischer Energie an dem Überhitzer 35 betrieben, wobei die eingekoppelte Energie in mechanische Energie umgesetzt wird und diese am Arbeitskolben 9 ausgekoppelt und mittels des Generators 36 in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Gemäß der Ausführung nach Figur 1 ist der Verdampfer-Kondensator 33 als Regenerator ausgebildet, wobei von dem Regenerator bei der Verflüssigung des von dem Überhitzer 35 zu dem Unterkühler 31 strömenden gasförmigen Arbeitsfluides die dabei anfallende latente Wärme gespeichert wird und im Folgenden an das von dem Unterkühler 31 zu dem Überhitzer 35 strömende flüssige Arbeitsfluid zur Verdampfung dessel- ben abgegeben wird. Der Unterkühler 31 bildet somit die Kaltseite der Wärmetauschvorrichtung 23, der Überhitzer 35 deren Warmseite.
Der erste Antriebsabschnitt 17 ist an einer Position zwischen der Warmseite bzw. dem Überhitzer 35 und der Verdrängervorrichtung 23 (d.h. an einer Position, die auf der di- rekten Verbindung zwischen der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung 23 und dem warmen Raum 39 der Verdrängervorrichtung 23 liegt und in unmittelbarer Fluidverbindung mit der Warmseite der Wärmetauschvorrichtung 23 und dem warmen Raum 39 der Verdrängerkammer 25 steht) seriell an den ersten Arbeitsraum 5 angekoppelt. Insbesondere besteht zwischen dem ersten Arbeitsraum 5 und dem ersten Antriebsab- schnitt 17 eine freie Fluidverbindung, d.h. das Arbeitsfluid 3 kann jederzeit ungehindert in beliebiger Richtung zwischen dem Arbeitsraum 5 und dem Antriebsabschnitt 17 verschoben werden. Dies gilt analog für die Ankopplung des zweiten Antriebsabschnittes 19 an den zweiten Arbeitsraum 7. Die Wärmekraftmaschine 1 ist für ein Druckverhältnis des Hochdruckes zu dem Niederdruck zwischen 5:1 und 20:1 und für eine an dem Überhitzer 35 anliegende Temperatur zwischen 100 °C und 500 °C ausgelegt.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
I Wärmekraftmaschine
3 Arbeitsfluid
5 5 erster Arbeitsraum / erste Arbeitskammer
7 zweiter Arbeitsraum / zweite Arbeitskammer
9 Arbeitskolben
I I erste Stirnfläche des Arbeitskolbens
13 zweite Arbeitsfläche des Arbeitskolbens
10 17 erster Antriebsabschnitt / erster thermischer Kopf
19 zweiter Antriebsabschnitt / zweiter thermischer Kopf
21 Verdrängervorrichtung
23 Wärmetauschvorrichtung
25 Verdrängerkammer
15 27 Verdrängerkolben
29 Verdränger-Antrieb
31 Unterkühler
33 Verdampfer-Kondensator-Kombinationsvorrichtung
35 Überhitzer
20 36 Generator
37 kalter Abschnitt des Verdrängerraums / kalter Raum
39 warmer Abschnitt des Verdrängerraums / warmer Raum

Claims

Patentansprüche
1. Wärmekraftmaschine (1) zum Umwandeln von thermischer in mechanische Energie mittels eines Arbeitsfluides (3), aufweisend:
- einen Arbeitsraum (5, 7) mit einem darin bewegbar angeordneten Arbeitskolben (9),
einen Antriebsabschnitt (17, 19) mit einer Verdrängervorrichtung (21 ) und einer Wärmetauschvorrichtung (23),
wobei die Verdrängervorrichtung (21) parallel zu der Wärmetauschvorrichtung (23) geschaltet ist, und wobei die Wärmetauschvorrichtung (23) eine Warmseite (35) zum Erhitzen des Arbeitsfluides (3) und eine Kaltseite (31) zum Kühlen des Arbeitsfluides (3) aufweist, und
wobei der Antriebsabschnitt (17, 19) an einer Position zwischen der Warmseite (35) der Wärmetauschvorrichtung (23) und der Verdrängervorrichtung (21) seriell mit dem Arbeitsraum (5, 7) verschaltet ist, und
wobei der Antriebsabschnitt (17, 19) derart ausgebildet ist, dass mittels der Verdrängervorrichtung (21 ) in einem Druckaufbautakt flüssiges Arbeitsfluid (3) über die Kaltseite (31) zu der Warmseite (35) der Wärmetauschvorrichtung (21) verschoben und dabei verdampft und überhitzt wird, wobei der Druck in dem Arbeitsraum (5, 7) von einem Niederdruck auf einen Hochdruck steigt, und in einem Druckabbautakt gasförmiges Arbeitsfluid (3) über die Warmseite (35) zu der Kaltseite (31 ) der Wärmetauschvorrichtung (21) verschoben und dabei verflüssigt wird, wobei der Druck in dem Arbeitsraum (5, 7) von dem Hochdruck auf den Niederdruck sinkt.
2. Wärmekraftmaschine Anspruch 1 , wobei der Antriebsabschnitt (17, 19) derart ausgebildet ist, dass von der Verdrängervorrichtung (21 )
nach dem Druckaufbautakt in einem Expansionstakt weiterhin flüssiges Arbeitsfluid (3) derart über die Kaltseite (31) zu der Warmseite (35) der Wärmetauschvorrichtung (21) verschoben und dabei verdampft wird, dass das gasförmige Arbeitsfluid unter Aufrechterhaltung des Hochdruckes in den Arbeitsraum (5, 7) expandiert und dabei den Arbeitskolben (9) unter Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes (5, 7) in eine erste Richtung bewegt, und
nach dem Druckabbautakt in einem Kontraktionstakt weiterhin gasförmiges Arbeitsfluid (3) derart über die Warmseite (35) zu der Kaltseite (31) der Wärmetausch- Vorrichtung (23) verschoben und dabei verflüssigt wird, dass unter Aufrechterhaltung des Niederdruckes in dem Arbeitsraum (5, 7) der Arbeitskolben (9) unter Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes in eine zweite Richtung bewegt wird.
3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verdrängervorrichtung (21 ) einen Verdrängerraum (25) und einen darin bewegbar angeordneten Verdrängerkolben (27) aufweist.
4. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wärme- tauschvorrichtung (23) in Richtung von ihrer Kaltseite zu ihrer Warmseite hin nacheinander einen Unterkühler (31 ), eine Verdampfer-Kondensator-Kombinationsvorrichtung (33) und einen Überhitzer (35) aufweist.
5. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen dem Arbeitsraum (5, 7) und dem Antriebsabschnitt (17, 19) eine freie Fluidverbindung besteht.
6. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Wärmekraftmaschine (1 ) zwei Arbeitsräume (5, 7) aufweist, und wobei der Arbeitskolben (9) derart angeordnet ist, dass er mit seiner ersten Stirnfläche (1 1 ) an den ersten Arbeitsraum (5) grenzt und mit seiner zweiten Stirnfläche (13) an den zweiten Arbeitsraum (7) grenzt, und
wobei die Wärmekraftmaschine (1 ) einen ersten Antriebsabschnitt (17) und einen zweiten Antriebsabschnitt (19) aufweist,
- wobei der erste Antriebsabschnitt (17) seriell mit dem ersten Arbeitsraum (5) und der zweite Antriebsabschnitt (19) seriell mit dem zweiten Arbeitsraum (7) verschaltet ist.
7. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wärmekraft- maschine (1 ) derart ausgebildet ist, dass das Verhältnis des Hochdrucks zu dem Niederdruck zwischen 5:1 und 20:1 beträgt.
8. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Wärmekraftmaschine (1 ) derart ausgebildet ist, dass die Temperatur an der Warmseite (35) der Wärmetauschvorrichtung (23) einen Wert zwischen 100 °C und 500 °C aufweist.
9. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine (1 ), wobei
in einem Druckaufbautakt mittels einer Verdrängervorrichtung (21 ) flüssiges Arbeitsfluid (3) über eine Kaltseite (31 ) zu einer Warmseite (35) einer Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei unter Bildung von gasförmigem Arbeitsfluid (3) verdampft wird, wobei das gasförmige Arbeitsfluid in einen an die Warmseite der Wärmetauschvorrichtung angekoppelten Arbeitsraum (5, 7) eintritt und der Druck in dem Arbeitsraum von einem Niederdruck auf einen Hochdruck steigt, und
in einem Druckabbautakt mittels der Verdrängervorrichtung (21 ) gasförmiges Arbeitsfluid (3) über die Warmseite (35) zu der Kaltseite (31 ) der Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei unter Bildung von flüssigem Arbeitsfluid verflüssigt wird, wobei der Druck in dem Arbeitsraum (5, 7) von dem Hochdruck auf den Niederdruck sinkt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei
nach dem Druckaufbautakt in einem Expansionstakt von der Verdrängervorrich- tung (21 ) weiterhin flüssiges Arbeitsfluid (3) derart über die Kaltseite (31 ) zu der Warmseite (35) der Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei verdampft wird, dass das gasförmige Arbeitsfluid (3) unter Aufrechterhaltung des Hochdruckes in den Arbeitsraum (5, 7) expandiert und dabei einen in dem Arbeitsraum angeordneten Arbeitskolben (9) unter Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes in eine erste Richtung bewegt, und
nach dem Druckabbautakt in einem Kontraktionstakt von der Verdrängervorrichtung (21 ) weiterhin gasförmiges Arbeitsfluid (3) derart über die Warmseite (35) zu der Kaltseite (31 ) der Wärmetauschvorrichtung (23) verschoben und dabei verflüssigt wird, dass unter Aufrechterhaltung des Niederdruckes in dem Arbeitsraum der Ar- beitskolben (9) unter Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes in eine zweite Richtung bewegt wird.
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