DE10352520B4

DE10352520B4 - Verfahren zum Betreiben einer stationären oder mobilen Kraftmaschine mittels Druckgas und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10352520B4
Application number: DE10352520A
Authority: DE
Inventors: Klaus Herrmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2023-11-05
Also published as: PL1529928T3; ES2320762T3; ATE421633T1; EP1529928B1; PT1529928E; DE502004008900D1; EP1529928A1; DK1529928T3; DE10352520A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer stationären und mobilen Kraftmaschine mittels Druckgas, bei dem in einem Kreislaufprozeß das Arbeitsmedium vor der Zuführung in eine Kraftmaschine im flüssigen Zustand in einem Tank gespeichert, das flüssige Arbeitsmedium in einen gasförmigen Zustand überführt, verdichtet, in Rekuperatoren zur weiteren Erwärmung in eine Expandereinheit geleitet und von dort in die Kraftmaschine expandiert, wobei überschüssiges Arbeitsmedium über eine Abgas- und Schalldämpferanlage in die Umwelt ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß gasförmiges Arbeitsmedium mit verringerter Strömungsgeschwindigkeit und erhöhtem Druck in die Expandereinheit zu leiten ist und mit konstant und getrennt regelbarem Arbeitsdruck und Volumen sowie mit einem regelbaren Zeitimpuls, nach abrufbarem Leistungsbedarf, aus der Expandereinheit der Kraftmaschine zuführbar ist,
daß im Kreislaufprozeß überschüssiges und autonom erzeugtes Arbeitsmedium in einen Druckgasspeicherkessel zu leiten und aus diesem über eine Mischkühlung einer Expansionseinheit dem Kreislaufprozeß zuführbar ist,
daß nur der Teil des Arbeitsmediums, der die Kraftmaschine mit einem Druck...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betreiben einer stationären und einer mobilen Kraftmaschine mittels Druckgas, bei dem in einem Kreislaufprozeß das Arbeitsmedium vor der Zuführung in eine Kraftmaschine im flüssigen Zustand in einem Tank gespeichert, das flüssige Arbeitsmedium in einen gasförmigen Zustand überführt, verdichtet, in Rekuperatoren zur weiteren Erwärmung in eine Expandereinheit geleitet wird und von dort in die Kraftmaschine expandiert, wobei überschüssiges Arbeitsmedium über eine Abgas- und Schalldämpferanlage in die Umwelt ausgestoßen wird, zum Betrieb von Druckluftwerkzeugen und -geräten sowie von Kraftmaschinen, die mit Druckluft- und Druckgasmotoren arbeiten.

Es ist bekannt, verdichtete Luft als Arbeitsmedium zum Betrieb von Druckluftwerkzeugen und -geräten sowie für Kraftmaschinen zu benutzen. So gibt es Druckluft- und Druckgasmotoren, die unter der Bezeichnung Rotationskolbenmotoren, Zahnradmotoren, Schraubenmotoren, Flügelzellenmotoren und Druckluftturbinen bekannt sind. Die Drucklufttechnik gilt als sehr robust, zuverlässig und kompakt. Auch zeichnen sich die Druckluft- und -gasantriebe, bedingt durch die geringe Dichte von Luft und Gasen, durch ein sehr gutes Schnellstartverhalten aus. Die kontinuierliche und unbegrenzte Verfügbarkeit der Arbeitsmedien Luft und Gas aus der Atmosphäre und deren Speicherbarkeit machen die Druckluftspeichertechnik interessant für Anwendungen zur Speicherung regenerativer Energien. So sind zum Beispiel in der Stromversorgung bei Spitzenstrombedarf, Druckluftspeicher bekannt, die ein Druckluftfluid einer Turbine zuführen, die über einen Generator Strom erzeugt. Die Erzeugung von Druckluft mit konventionellen Anlagen ist sehr teuer, weil bei diesen Verfahren hochwertige Elektroenergie in einem Verdichter in Druckluft umgewandelt wird. Es ist auch bekannt, mit gespeicherter Druckluft, von etwa 200 bar Spannung als Antriebsenergie, Fahrzeuge anzutreiben. Dabei handelt es sich um Speziallokomotiven im, von Schlagwettern gefährdeten, Bergbau unter Tage. Diese Lokomotiven werden aus einem besonderen Leitungsnetz mit Druckluft versorgt. Sie sind teuer und haben aufgrund der begrenzten Aufnahmekapazität der Speicherbehälter für die Druckluft einen geringen Aktionsradius, der einer Anwendung über Tage entgegensteht.

Es ist auch ein Fahrzeugantrieb bekannt, der sein Arbeitsmedium aus einem Speicher für Druckluft bezieht und Personenkraftfahrzeuge antreibt. Dessen Aktionsradius soll etwa 200 km betragen, wobei dafür 300 l Druckluft bei 300 bar benötigt werden sollen. Zur Verbesserung des Aktionsradiuses ist vorgesehen, das Kraftfahrzeug zusätzlich mit einem Benzintank auszurüsten, um außerhalb der Städte durch den Fahrer ein Umschalten von Druckluftantrieb auf konventionellen Antrieb zu ermöglichen, um in dichtbesiedelten Bereichen den Schadstoffausstoß von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren erheblich zu senken. Nachteil dieses Fahrzeugantriebs ist der hohe Strombedarf zur Erzeugung von Druckluftspeichermasse von bis zu 65kw für 200 km Fahrstrecke. Außerdem ist teuere Werkstofftechnik für den Motor erforderlich, um die Explosion (Verbrennungshitze) und Expansion (Kälte) der Druckluft zu bewältigen und um ausreichende Standzeiten für den Motor zu gewährleisten.

Bekannt ist auch ein Wasserdampfmotor, in dem das Arbeitsmedium Wasserdampf in einem geschlossenen Arbeitskreislauf eingesetzt ist. Ein Verdampfer erhält dabei Arbeitsmedium durch eine Verbrennungseinheit modernster Brennstoff- und Brennwerttechnik. Bei einer schadstoffarmen Verbrennung verdampft das Wasser, wird in heißes Gas umgewandelt und treibt einen Hubkolbenmotor mit einem Kurbelwellengetriebe an. Über einen Kondensator wird der Wasserdampf wieder verflüssigt und in den Kreislauf zurückgeführt. Als Arbeitsmedium kann Erdgas, Benzin, Diesel, oder Biodiesel eingesetzt werden. Nachteilig ist jedoch der hohe Exergieverlust bei der Verdampfung von Arbeitsmedium und Brennstoffmedium sowie der Energieaufwand für die Kurbelwelle des Motors mit zwei Totpunkten pro Arbeitsgang.

Aus dem Stand der Technik ist auch ein Heizgasmotor nach dem Stirling- Prinzip bekannt. Dieser Motor benutzt als Arbeitsmedium Helium. Dieses System wird zum Beispiel als dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung und als Wärmekraftkopplung erprobt. Es ist umweltfreundlicher als der Verbrennungsmotor mit seiner Energie vernichtenden Technik und seinem Schadstoffausstoß. Nachteilig ist jedoch der große Volumenbedarf der Anlage und die fehlende Dynamik für den Fahrzeugantrieb.

Dem Stand der Technik ist auch die Brennstoffzellentechnik zuzuordnen. Diese Technik, benötigt als Arbeitsmedium Wasserstoff. Dieser wird einerseits aus fossilen Brennstoffen und andererseits aus Methanol erzeugt. Das Abgasprodukt ist Wassergas. Nachteile dieses Verbrennungsverfahrens ist, daß Wasserstoff explosionsgefährlich ist und viel Primärenergie verbraucht. Bei der Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen entstehen Umweltbelastungen und bei der Herstellung aus Methanol wird viel Biomasse verbraucht. Das Abgasprodukt Wassergas ist ein Treibhausgas und beeinflußt das Umweltklima nachhaltig neagativ. Alle regenerativen Energiewandler haben den großen Nachteil, daß die Energiewandlung großen Schwankungen unterliegen, die sich aus den natürlichen Gegebenheiten ergeben. So müssen beispielsweise Windkraftwerke und fossile Kraftwerke zu einem weit überwiegenden Anteil die erzeugte Energie als Regelungsenergie nutzen. Ist dies nicht möglich, so wird die eigentlich aufgenommene bzw. umgewandelte Energie ungenutzt wieder in die Umwelt entlassen.

Aus der DE 199 11 321 A1 ist auch eine druckluftbetriebene Kraftmaschine bekannt, die das Arbeitsmedium Luft in einem separaten durch Vakuum isolierten Tank im flüssigen Zustand speichert. Die flüssige Luft wird in einem Verdampfer durch die Umweltwärme verdampft und dann in einen Druckluftmotor expandiert. Zusätzlich werden die anfallenden mechanischen Energien eines fahrenden Kraftfahrzeugs in Druckgas umgewandelt und in den Kreislauf zurückgeführt. Nachteilig an dieser Lösung ist der hohe Bedarf an flüssiger Luft.

Schließlich wird in dem Gebrauchsmuster DE 201 15 657 U1 das gleiche System wie in der DE 199 11 321 A1 mit einer zusätzlichen elektrischen und mechanischen Wärmequelle als Energiewandler offenbart. Als Arbeitsmedium wird flüssige Luft oder Stickstoff angegeben. Nachteilig an dieser Lösung ist der hohe Verbrauch an flüssiger Luft oder Stickstoff. Eine Reduzierung des Verbrauchs durch eine zusätzliche Wärmequelle wird durch den Energieaufwand zur Erzeugung der Arbeitsmedien wieder aufgebraucht. Auch die DE 202 14 238 U1 offenbart eine Lösung, die das verwendete Arbeitsmedium zu 100% in den Motor befördert. Die Lösung in Form eines offenen Kreislaufs erfordert zwar weniger technischen Aufwand, aber dafür ein erhebliches Tankvolumen und viel Elektroenergie zur Herstellung der flüssigen Luft oder des Stickstoffs.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betreiben einer stationären und mobilen Kraftmaschine mittels Druckgas zu finden, durch die der bekannte Druckluftantrieb für stationäre und für mobile Kraftmaschinen so weiterentwickelt wird, daß erneuerbare und regenerative Energien zu nutzen und deren Energieeffizienz zu steigern ist, Verluste an überschüssigen Arbeitsmedium minimiert, keine Schadstoffe erzeugt und die bisherigen Arbeitsmedien völlig durch den Einsatz von Druckluft und Druckgas zu ersetzen. Dabei soll das aus erneuerbaren und regenerativen Energiequellen hergestellte Arbeitsmedium außerhalb eines Zylinderraums erzeugt werden, im flüssigen und gasförmigen Zustand zwischenzuspeichern und sofort wieder abrufbar sein sowie in einem geschlossenen und in einem teilgeschlossenen Kreislaufprozeß genutzt werden können.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betreiben einer stationären und mobilen Kraftmaschine mittels Druckgas entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 3 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren, nach Anspruch 1, zeichnet sich besonders dadurch aus, daß gasförmiges Arbeitsmedium mit verringerter Strömungsgeschwindigkeit und erhöhtem Druck in die Expandereinheit zu leiten ist und mit konstant und getrennt regelbarem Arbeitsdruck und regelbarem Volumen sowie mit einem regelbaren Zeitimpuls, nach abrufbarem Leistungsbedarf, aus der Expandereinheit der Kraftmaschine zuführbar ist. Außerdem ist im Kreislaufprozeß überschüssig anfallendes und autonom erzeugtes Arbeitsmedium, aus der Luft und der Sonne, aus regenerativen Kohlenwasserstoffen, Biomasse und aus Schubbetrieb oder Verzögerung des Motors anfallender kinetischer und potentieller Energie, in einen Druckgasspeicherkessel leitbar und aus diesem über eine Mischkühlung einer Expansionseinheit, dem Kreislaufprozeß wieder zuführbar.

Die erfindungsgemäß neuen Verfahrensschritte haben den Vorteil, daß der Kraftmaschine nur bedarfsweise entsprechend dem regelbaren Zeitimpuls Arbeitsmedium zuführbar ist, das bereits einen erhöhten Arbeitsdruck und eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit und somit ein verringertes Volumen aufweist, wodurch sich der effektive Wirkungsgrad der Kraftmaschine wesentlich erhöht. Vorteilhaft ist auch, daß überschüssig entstehendes und autonom erzeugtes Arbeitsmedium nicht verlorengeht oder in die Umwelt ausgestoßen wird, weil es im flüssigen sowie im gasförmigen Zustand gespeichert und dem Kreislaufprozeß immer wieder zugeführt werden kann. Das wiederum hat den großen Vorteil, daß sich die für den Antrieb notwendige Menge an Arbeitsmedium gegenüber dem, gemäß dem Stand der Technik, erforderlichen Bedarf erheblich reduziert. Durch die Speichermöglichkeit und bedarfsweise Abrufbarkeit auch von autonom erzeugtem Arbeitsmedium sowie dessen wiederholte Rückführbarkeit in den Kreislaufprozeß wird auch die Effiziens aller nutzbaren regenerativen und erneurbaren Energien erheblich gesteigert.

Ein weiterer großer Vorteil wird dadurch erzielt, daß nur der Teil des Arbeitsmediums, der die Kraftmaschine mit einem Druck über 2,5 bar erreicht, über die Abgas- und Schalldämpfereinheit mit einer Temperatur von ca. 7°C und ohne Schadstoffe in die Umwelt ausgestoßen wird und durch neuen Abruf von Arbeitsmedium ersetzt werden muß. Außerdem hat der Ausstoß von Arbeitsmedium über die Abgas- und Schalldämpfereinheit keine Umweltverschmutzung zur Folge, weil mit einer schadstoffreien Oxydation gearbeitet wird.

Von besonderem Vorteil ist es, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Luft und Stickstoff aber auch Helium, Kohlendioxyd, Wasser, Ammoniak, Alkohole, umweltfreundliche organische Kältemittel und Kohlenwasserstoffe durch Oxydation von Biomasse als Arbeitsmedium nutzbar sind. Die Vielfalt der im neuen Verfahren nutzbaren erneuerbaren und regenerativen Energien wird auch durch den konstruktiven Aufbau der erfindungsgemäßen stationären oder mobilen Kraftmaschine, unter anderem gemäß den Ansprüchen 20 und 21, vorteilhaft unterstützt, wonach die Kraftmaschine als teilgeschlossener oder als geschlossener Kreislauf genutzt werden kann.

Hervorzuheben ist, gemäß dem abhängigen Verfahrensanspruch 2 auch, daß bei teilgeschlossenem Kreislauf Luft aus der Atmosphäre ansaugbar, in den Druckspeicherkessel leitbar, in einen Abscheider von Wasser und Schadstoffen befreit als Arbeitsmedium geregelt in den Kreislaufprozeß leitbar ist, daß autonom Arbeitsmedium in Form flüssiger Luft oder flüssigem Stickstoffs aus regenerativen Energiequellen der Umwelt herstellbar, chemisch zu speichern und durch Druck- und Wärmebehandlung im flüssigen Zustand dem Tank und in gasförmigen Zustand dem Kreislaufprozeß zuführbar ist und mechanische Energie aus einer Antriebsmechanik erzeugbar ist, wobei potentielle Energie zu speichern, in Drehbewegung und somit in Fortbewegung umwandelbar ist und überschüssige potentielle Energie in den Kreislaufprozeß der thermischen Rekuperation zuführbar und wieder verwendbar ist. Mit diesen erfindungsgemäßen Verfahrensschritten sind alle aus der Luft und der Sonne, aus regenerativen Kohlenwasserstoffen, Biomasse und aus Schubbetrieb oder Verzögerung des Motors anfallende kinetische und potentielle Energien autonom zu erzeugen und als Arbeitsmedien nutzbar, bei überschüssigen Anfal1 speicherbar und bedarfsweise in den Kreislaufprozeß rückführbar.

Besonders erfindungswesentlich ist die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, gemäß Anspruch 3. Dabei ist die bedarfsweise Rückführbarkeit von überschüssigem Arbeitsmedium besonders dadurch gewährleistet, daß der Verdampfer systemdicht in eine Expansionseinheit mit einer Mischkühlung integriert ist, wobei anfallendes gasförmiges Arbeitsmedium vom Verdampfer über ein erstes Druckregelventil und ein zweites Volumenregelventil sowie eine Entspannungsdüse geregelt in die Mischkühlung der Expansionseinheit zu leiten ist. Von besonderem Vorteil ist auch der Druckgasspeicherkessel, der in den verschiedenen Bereichen des erfindungsgemäßen Kreislaufprozesses überschüssig anfallendes und autonom erzeugtes gasförmiges Arbeitsmedium aufnimmt und wieder in den Kreislaufprozeß abgibt.

Zur Durchführung des Verfahrens ist auch die erfindungsgemäße Expandereinheit von großer Bedeutung, der ein erster Diffusor und ein erster Druckverteiler vorgeschaltet ist, über die das gasförmige Arbeitsmedium mit verringerter Strömungsgeschwindigkeit und erhöhtem Druck der Expandereinheit zuführbar ist, sowie eine der Expandereinheit nachgeordnete Druckregeleinheit, eine Volumenregeleinheit und eine Impulseinheit, durch die das Arbeitsmedium getrennt und unabhängig voneinander nach Druck, Vollumen und Zeit steuerbar wird und durch eine kontrollierte Zwangsströmung regelbar und impulsförmig in die Kraftmaschine expandierbar wird, wobei überschüssig anfallendes Arbeitsmedium aus der Expandereinheit über eine dritte druckgeregelte Leitung in den Druckspeicherkessel zur Wiederverwendung leitbar ist.

Vorteilhaft unterstützt wird der erfindungsgemäße Kreislaufprozeß durch ein an der Expansionseinheit angeordnetes erstes und zweites Druckregelventil, ein erstes Expansionsventil und eine erste Leitung, gemäß Anspruch 4, die einen konstanten Arbeitsdruck des Arbeitsmediums gewährleisten.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung, nach Anspruch 5, ermöglicht darüber hinaus, daß nur ein erforderlicher Teil des Arbeitsmediums in den ersten und zweiten Rekuperator geleitet wird und das überschüssig entstandene Arbeitsmedium über ein viertes Druckregelventil in den Druckgasspeicherkessel zur Wiedereinführung in den Kreislaufprozeß leitbar ist.

Durch den Aufbau der Einrichtung nach Anspruch 6, sind die Außenwände eines Erhitzers der Expandereinheit abzukühlen und das Arbeitsmedium gleichzeitig zu erwärmen, wodurch das erwärmte gasförmige Arbeitsmedium über eine volumengesteuerte Regelstrecke in eine angeschlossene Heizungseinheit leitbar und ein Raum, beispielsweise der Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs, heizbar ist. Das auf diese Weise wieder abgekühlte Arbeitsmedium ist wieder in die Expansionseinheit rückführbar und, gemäß Anspruch 7, aus der Expansionseinheit über eine Klimaeinheit und eine zweite Expansions- und Volumeneinheit in einen zu klimatisierenden Raum zu leiten. Auch die, bei der Verbrennung in der Brennstoffeinheit entstehende Wärme an den Außenwänden des Erhitzers der Expandereinheit wird nicht an die Umwelt abgegeben sondern zur Erwärmung des Arbeitsmediums genutzt.

Besonders hervorzuheben ist die Brennstoffeinheit, gemäß Anspruch 8, die mit einem volumengesteuerten Regelkreis verbunden ist, über den eine geregelte und kontrollierte Oxydation von Biomasse und eine schadstoffreie Verbrennung durchführbar ist und durch die der Verbrennungsprozeß zusätzlich mit Sauerstoff angereichertem und vorgewärmten Arbeitsmedium zu versorgen ist.

Gemäß der Ansprüche 9 und 10 ist es von besonderem Vorteil, daß an die, der Expandereinheit nachgeschaltete, Druckregeleinheit, Volumenregeleinheit und Impulseinheit, ein zweiter Druckverteiler, ein zweiter und dritter Diffusor und ein dritter kugelförmige Druckverteiler angeschlossen sind, die den Expansionskammern der Kraftmaschine direkt gegenüberliegen und fest mit dem Motorzylinder der Kraftmaschine verbunden sind. Durch diese Anordnung ist das Arbeitsmedium in einem Impulsgegenstrom in die Expansionskammern der Kraftmaschine leitbar. Dabei wird über den dritten kugelförmigen Druckverteiler ein Verdichtungsstoß in Höhe des 1,3² – fachen der kinetischen, der thermischen und potentiellen Energie des Arbeitsdrucks des zweiten und dritten Diffusors erzeugt, der durch die Druckregeleinheit, die Volumenregeleinheit und die Impulseinheit regelbar und kontrollierbar ist.

Besonders hervorzuheben ist des weiteren der konstruktive Aufbau der erfindungsgemäßen Kraftmaschine, gemäß der Ansprüche 11 bis 14. Die mittig und senkrecht geteilten Kolbenpaare, die mit den Motorwellen fest verbunden sind, gasdicht unter dem dritten kugelförmigen Druckverteiler verlaufen und Druckenergie aufnehmen, gewährleisten zum einen, daß die gesamte von den Kolbenpaaren aufgenommene Energie des Arbeitsmediums, ohne Totpunkt mit langem Hebelarm auf die Motorwellen zu übertragen und in mechanische Energie umzuwandeln sind. Zum anderen weisen die mittig und senkrecht geteilten Kreiskolbenpaare zwei Arbeitsflächen und jeweils eine Expansionsfläche sowie eine Verschiebefläche auf. Dadurch wird eine doppelte Arbeitsfläche zur Verfügung gestellt, die zusätzlich durch den Verschiebevorgang bei der Expansion beidseitig 1,5- fach vergrößerbar ist. Die erfindungsgemäße Kraftmaschine ist außerdem vorteilhaft mit mehreren Magneten ausgestattet, die nach jedem Verdichtungsstoß des dritten kugelförmigen Druckverteilers bis zum Erreichen des erforderlichen Expansionsdruckpunktes des zweiten und dritten Diffusors das Kolbenpaar beim kreisförmigen auseinanderfliegen fest zusammenhalten und nach dem Verschiebungsakt das Kolbenpaar wieder fest zusammenziehen. Auch ist die Kraftmaschine über eine erste Düse mit einem zweiten Verdichter verbunden, der mit einer zweiten Düse in die Mischkühlung der Expansionseinheit mündet und die erste Düse die Expansionskammern der Kraftmaschine mit dem zweiten Verdichter verbindet. Das hat den Vorteil, daß in der Kraftmaschine erzeugtes überschüssiges Arbeitsmedium auf die Saugseite des zweiten Verdichters zu verschieben ist, in diesem vorgespannt, über die zweite Düse in die Mischkühlung der Expansionseinheit drückbar und von dort dem Kreislaufprozeß wieder zuführbar ist.

Von besonderem Vorteil ist es, daß zwischen der Expansionseinheit und dem ersten Verdichter eine aus Druckluftfilder und Saugleitung gebildete Einheit angeordnet ist, mit deren Hilfe bei leerer Expansionseinheit Luft aus der Atmosphäre ansaugbar, in den Druckspeicherkessel leitbar, in diesem, mittels eines angeordneten Abscheiders, von Wasser und Schadstoffen zu befreien und als Arbeitsmedium über die erste Expansion- und Volumeneinheit der Expansionseinheit wieder zuführbar ist.

Die Photovoltaik- Anlage, gemäß Anspruch 16, mit der die erfindungsgemäße Einrichtung gekoppelt ist, sichert vorteilhaft die autonome Herstellung von Arbeitsmedium aus regenerativen Energiequellen der Umwelt. Dabei hergestelltes abgekühltes Arbeitsmedium kann im flüssigen Zustand über ein zweites Expansionsventil im Tank gespeichert und gasförmiges Arbeitsmedium über eine zweite Rücklaufleitung geregelt direkt in den Kreißlaufprozeß sowie über eine druckgeregelte fünfte Leitung dem Druckspeicherkessel zugeführt werden.

Hervorzuheben ist auch das mechanische Antriebsteil, nach den Ansprüchen 17 bis 19, mit dem die erfindungemäße Einrichtung verbunden ist. Durch diese Verbindung ist Arbeitsmedium aus mechanischer Energie herstellbar, als potentielle Energie zu speichern sowie in Drehbewegung und somit in Fortbewegung umwandelbar. Mit Hilfe der Energieumwandlungseinheit, die eine Kupplung mit einem ersten Getriebe und mindestens eine Spiralfeder aufweist, wird durch die Spiralfeder potentielle Energie gespeichert und über ein zweites Getriebe in Drehbewegung umgewandelt. Über eine Schwungscheibe ist außerdem ein gleichmäßiger Rundlauf und ein dynamischer Antrieb gewährleistet. Durch Dauerbelastung der Spiralfeder ist eine mechanische Überlastung der Kupplung vermeidbar und überschüssig hergestellte potentielle Energie kann über den ersten Verdichter in den Kreislaufprozeß der thermischen Rekuperation geführt werden und ist weiterverwendbar.

Schließlich ist die vorteilhafte Rolle der an der Kraftmaschine angeordneten Abgas- und Schalldämpfereinheit hervorzuheben, mit der, gemäß Anspruch 20, ein teilgeschlossener Kreislaufprozeß herstellbar ist. Gemäß Anspruch 21, ist die Einrichtung als geschlossener Kreislaufprozeß nutzbar, wobei die Kraftmaschine durch die Abgas- und Schalldämpfereinheit schließbar und die Expansionseinheit in zwei Systeme zu trennen ist. Dieser Vorrichtungsaufbau ermöglicht die Nutzung der Einrichtung in einem geschlossenen und in einem teilgeschlossenen Kreislaufprozeß nach den Gesetzen der Thermodynamik und der Strömungslehre.

Die in den Ansprüchen 15 bis 21 offenbarten Einrichtungselemente gewährleisten, daß gemäß der Aufgabenstellung, alle erneuerbaren und regenerative Energien zu nutzen und deren Energieeffizienz zu steigern ist, keine Schadstoffe erzeugt werden und die bisherigen Arbeitsmedien völlig durch den Einsatz von Druckluft und Druckgas zu ersetzen sind. Des weiteren wird die Aufgabe erfüllt, daß das aus erneuerbaren und regenerativen Energiequellen hergestellte Arbeitsmedium außerhalb des Zylinderraums erzeugt wird, zwischenzuspeichern und sofort wieder abrufbar ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Dabei zeigen die Zeichnungen in
1 ein Gesamtdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Einrichtung zu dessen Durchführung, untergliedert in Ausschnitt A, B und C,
2 Ausschnitt A von 1,
3 Ausschnitt B von 1,
4 Ausschnitt C von 1.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Betreiben einer vorzugsweise mobilen Kraftmaschine, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, mittels Druckgas dargestellt. Die Einrichtung weist beispielsweise einen kälteisolierten Tank 1, ein erstes Volumenregelventil 2, einen Verdampfer 3, eine Expansionseinheit 4, ein zweites Vollumenregelventil 5, eine Entspannungsdüse 6, ein erstes Druckregelventil 7, ein zweites Druckregelventil 8, ein erstes Expansionsventil 9, eine erste Leitung 10, einen ersten Verdichter 11, ein drittes Druckregelventil 12, und ein viertes Druckregelventil 13, einen Druckgasspeicherkessel 14, einen ersten und zweiten Rekuperator 15 und 16, eine Expandereinheit 17, eine zweite Leitung 18, einen ersten Diffusor 19, einen ersten Druckverteiler 20, eine Brennstoffeinheit 21, eine Druckregeleinheit 22, eine Volumenregeleinheit 23 eine Impulseinheit 24, einen zweiten Druckverteiler 25, einen zweiten und dritten Diffusor 26, einen dritten kugelförmigen Druckverteiler 27, einen Motorzylinder 28, mindestens ein Kolbenpaar 29 und 30, eine Motorwelle 31, 32, Magnete 33, eine Kraftmaschine 34, eine Abgas- und Schalldämpfereinheit 35, eine erste Düse 36, einen zweiten Verdichter 37, einen Kühlkreislauf 38, eine zweite Düse 39, einen Regelkreis 40, eine Heizungseinheit 41, eine erste Regelstrecke 42, ein drittes Volumenregelventil 43, eine Klimaeinheit 44, eine erste und zweite Expansion- und Volumeneinheit 45 und eine dritte Leitung 46 auf.
Das Arbeitsmedium wird vor der Zuführung in den Arbeitskreislauf, gemäß 2, in dem kälteisolierten Tank 1 im kalten, flüssigen Zustand gespeichert. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Arbeitsmedium, beispielsweise Flüssiggas, über das erste Volumenregelventil 2, ein sechstes Druckregelventil 86 und eine zweite Rückschlagklappe 83 in den Verdampfer 3 und von diesem über das erste Druckregelventil 7, das zweite Volumenregelventil 5 und die Entspannungsdüse 6 in eine Mischkühlung der Expansionseinheit 4 gedrückt. Der Verdampfer 3 ist erfindungsgemäß systemdicht in die Expansionseinheit 4 integriert und dient der Umwandlung des Flüssiggases in Druckgas. Das aus der Expansionseinheit 4 kommende, nunmehr gasförmige Arbeitsmedium wird über das erste Expansionsventil 9 und das zweite Druckregelventil 8 auf einen konstanten Arbeitsdruck eingeregelt und über die erste Leitung 10, die vorzugsweise eine Saugleitung ist,
gemäß 3, in den ersten Verdichter 11 und von diesem über das dritte Druckregelventil 12 in den ersten und zweiten Rekuperator 15 und 16 geleitet. Das Arbeitsmedium durchströmt im Gegenstrom der Rekuperatoren 15 und 16 die Brennereinheit 21, wobei gleichzeitig die Außenwände des Erhitzers der Expandereinheit 17 abgekühlt werden. Der Verdichter 11 ist über eine vierte Rückschlagklappe 85 und das vierte Druckregelventil 13 mit dem erfindungsgemäßen Druckgasspeicherkessel 14 verbunden, in den überschüssig erzeugtes gasförmiges Arbeitsmedium geleitet werden kann und sofort wieder abrufbar ist. Das dritte Druckregelventil 12 ist über eine zweite Leitung 18 mit dem ersten Druckverteiler 20 und dem ersten Diffusor 19 und über diese mit dem Erhitzer der Expandereinheit 17 verbunden. Durch diese Anordnung ist eine kontrollierte Zwangsströmung in Form pulsierender Verdichtungsstöße möglich, wodurch der Arbeitsdruck und die Betriebstemperatur des gasförmigen Arbeitsmediums weiter ansteigen und sich das, über die
Brenneinheit 21 und den Erhitzer der Expantereinheit 17, erwärmte Arbeitsmedium um ein mehrfaches seines Volumens ausdehnt. An die Expandereinheit 17 schließen sich erfindungsgemäß die Druckregeleinheit 22, die Volumenregeleinheit 23 und die Impulseinheit 24 an, mit denen das gasförmige Arbeitsmedium nach Druck, Volumen und Zeiteinheit steuerbar aus der Expandereinheit 17 abgegeben werden kann. Die Druckregeleinheit 22, die Volumenregeleinheit 23 und die Impulseinheit 24 sind mit dem zweiten Druckverteiler 25 und dem zweiten und dritten Diffusor 26 verbunden, die den Expansionskammern der Kraftmaschine 34, vorzugsweise eines Kreiskolbenmotors, direkt gegenüberliegen. Das gasförmige Arbeitsmedium wird von dem zweiten Druckverteiler 25 über den zweiten und dritten Diffusor 26 in den dritten kugelförmigen Druckverteiler 27 geleitet, der fest mit dem Motorzylinder 28 verbunden ist. Im Impulsgegenstrom gelangt das gasförmige Arbeitsmedium, Druckgas, in den Expansionsraum der Kraftmaschine 34. Durch den Impulsgegenstrom des Druckgases über den dritten kugelförmigen Druckverteiler 27 wird ein Verdichtungsstoß in Höhe des 1,3² – fachen der kinetischen, der thermischen und potentiellen Energie des Arbeitsdruckes des zweiten und dritten Diffusors 26 erzeugt. Vorzugsweise ein Kreiskolbenpaar 29, 30 ist fest mit den Motorwellen 31 und 32 verbunden. Die Motorwellen verlaufen gasdicht unter dem dritten kugelförmigen Druckverteiler 27 und nehmen zusammen mit dem Kolbenpaar 29, 30 die Expansionsenergie des Druckverteilers 27 auf. Die gesamte von dem Kolbenpaar 29, 30 aufgenommene Energie des Arbeitsmediums Druckgas wird nun mit großem Hebelarm und ohne Totpunkt in mechanische Energie umgwandelt. Das, in den Zeichnungen nicht näher dargestellte, Kolbenpaar 29, 30, ist vorzugsweise ein Kreiskolbenpaar und erfindungsgemäß mittig und senkrecht geteilt. Das Kolbenpaar 29, 30 verfügt durch diese Teilung über jeweils zwei Arbeitsflächen und jeweils eine Exansionsfläche und eine Verschiebefläche, wodurch insgesamt eine doppelte Arbeitsfläche zur Verfügung steht, die zusätzlich durch den Verschiebevorgang bei der Expansion beidseitig 1,5- fach vergrößerbar ist. Die Kraftmaschine 34 ist außerdem mit mehreren Magneten 33 ausgestattet. Nach jedem Verdichtungsstoß des kugelförmigen Druckverteilers 27 wird bis zum Erreichen des erforderlichen Expansionsdruckpunktes des zweiten und dritten Diffusors 26 und beim kreisförmigen Auseinanderfliegen das Kolbenpaar 29, 30 durch die Magnete fest zusammengehalten und nach dem Verschiebungsvorgang wieder zusammengezogen. Die Expansionskammer der Kraftmaschine 34 mit dem parallel auf den Motorwellen 31, 32 laufenden Kolbenpaar 29, 30 ist über die erste Düse 36 mit dem zweiten Verdichter 37 verbunden. Das Arbeitsmedium wird von dem Kolbenpaar 29, 30 der Kraftmaschine 34 auf die Saugseite des zweiten Verdichters 37 geschoben und über die erste Düse 36 in den zweiten Verdichter 37 gedrückt.
Gemäß 2 wird im zweiten Verdichter 37 das überschüssige Arbeitsmedium aus der Kraftmaschine 34 wieder vorgespannt und über die zweite Düse 39 in die Mischkühlung der Expansionseinheit 4 gedrückt, von der es wieder direkt in den Kreislaufprozeß abgegeben wird oder über die erste Expansions- und Volumeneinheit 45 in dem Druckgasspeicherkessel 14 gespeichert und von dort wieder in den Kreislaufprozeß geleitet. An die Kraftmaschine 34, ist, nach 3, außerdem die Abgas- und Schalldämpfereinheit 35 angeschlossen, über die zunächst der Teil des Arbeitsmediums, der die Kraftmaschine 34 mit einem Druck über 2,5 bar erreicht, mit einer Temperatur von ca. 7°C und ohne Schadstoffe in die Umwelt ausgestoßen wird. Nur dieser kleine Teil des Arbeitsmediums muß durch erneuten Abruf von Arbeitsmedium ersetzt werden. Der überwiegende überschüssig anfallende Teil des Arbeitsmediums wird immer wieder in den Kreislaufprozeß zurückgeführt.
Mit dem im beschriebenen Kreislaufprozeß überschüssig anfallenden Arbeitsmedium kann, nach 2 und 3, aus der Expandereinheit 17 über die erste Regelstrecke 42 und ein fünftes Volumenregelventil 87 die Heizungseinheit 41 versorgt werden, wobei das aus der Heizungseinheit 41 zurückgeführte, abgekühlte Arbeitsmedium wieder in die Expansionseinheit 4 rückführbar ist. Auch ist überschüssiges Arbeitsmedium aus der Expandereinheit 17 über die dritte Leitung 46 in den Druckgasspeicherkessel 14 und aus diesem zur Wiederverwendung im Kreislaufprozeß leitbar. Überschüssiges Arbeitsmedium aus dem Verdampfer 3 der Expansionseinheit 4 kann des weiteren über das dritte Volumenregelventil 43 und ein weiteres Expansionsventil in die Klimaeinheit 44 geleitet werden, von wo das Arbeitsmedium über eine zweite Expansions- und Volumenregeleinheit 45 einen Raum klimatisieren kann. In der Klimaeinheit 44 überschüssig anfallendes Arbeitsmedium ist über eine erste Rückschlagklappe 82 in den Kreißlaufprozeß rückführbar. Die Klimaeinheit 44 ist aber auch mit Flüssiggas aus dem Tank 1 über ein fünftes Druckregelventil 81 und den Regelkreis 40 mit Arbeitsmedium zu versorgen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann, nach 3, durch Verbindung mit erfindungemäßen Einrichtungsteilen mit autonom herstellbarem Arbeitsmedium versorgt werden. So ist die Brennstoffeinheit 21 mit Hilfe des Regelkreislaufes 40, mit dem eine geregelte und kontrollierte Oxydation von Biomasse und eine schadstoffreie Verbrennung durchführbar ist, über ein viertes Volumenregelventil 80 zusätzlich mit Sauerstoff angereichertem, vorgewärmten Arbeitsmedium zu versorgen.
Bei leerer Expansionseinheit 4, ist die erfindungsgemäße Einrichtung, gemäß 1, des weiteren über eine Einheit 68, die aus einem Druckluftfilter und einer Saugleitung gebildet ist, Luft aus der Atmosphäre ansaugen, über die erste Leitung 10 in den Druckluftspeicherkessel 14 leiten dort in einem Abscheider 69 von Wasser und Schadstoffen befreit werden und als gasförmiges Arbeitsmedium über eine erste Expansions- und Volumenregeleinheit 45 der Expansionseinheit 4 und somit dem Kreislaufprozeß zugeführt werden.
Gemäß 4 besteht eine weitere Möglichkeit der autonomen Herstellung von Arbeitsmedium aus regenerativen Energiequellen der Umwelt über eine Photovoltaik- Anlage, die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung verbunden ist. Die Photovoltaik- Anlage weist beispielsweise einen dritten Verdichter 47, eine druckgeregelte zweite Regelstrecke 48 mit einem Druckregelventil und einem Expansionsventil, einen dritten Rekuperator 49, einem vierten Rekuberrator 50, ein zweites Expansionsventil 51 eine erste Rücklaufleitung 52, eine zweite Rücklaufleitung 53, eine druckgeregelte fünfte Leitung 54, einen ersten Wechselrichter 55, einen zweiten Wechselrichter 57, eine Batterie 56, einen Motor 58 und eine mechanische Kupplung 59 auf. Über diesen Regelkreis kann die erfindungsgemäße Einrichtung flüssige Luft oder flüssigen Stickstoff autonom herstellen. Natürlich kann auch aus Nachtstrom oder aus einer Brennstoffzelle flüssiges Gas hergestellt werden, zum Beispiel während der Standzeit eines Kraftfahrzeugs in der Garage. Der erste Wechselrichter 55 wird aus einer der regenerativen Energiequellen gespeist. In der Batterie 56 wird die Energie chemisch gespeichert und von dort über den zweiten Wechselrichter 57 geregelt. Der Motor 58 treibt den dritten Verdichter 47 an. Über die erste mechanische Kupplung 59 kann der Motor auch den ersten Verdichter 11 antreiben. Das Arbeitsmedium wird, nach 1 und 2, im dritten Verdichter 47 durch die Atmosphäre vorgekühlt. Das trotzdem noch sehr warme Arbeitsmedium kann deshalb beispielsweise durch das Kühlwasser der Heizungseinheit 41 weiter vorgekühlt werden, durch den vierten Recuperator 50 geleitet und von der ersten Rücklaufleitung 52 weiter auf ca. 3°C abgekühlt werden. Das so abgekühlte Arbeitsmedium wird über das zweite Expansionsventil 51 zum Teil verflüssigt und in den Tank 1 geleitet. Vom Tank 1 wird das flüssige Arbeitsmedium über die zweite Rücklaufleitung 53, eine dritte Rückschlagklappe 84, das zweite Druckregelventil 8, das erste Expansionsventil 9 in die Expansionseinheit 4 und im gasförmigen Zustand über die erste Expansions- und Volumeneinheit 45 in den Druckgasspeicherkessel 14 geleitet, von wo es dem Kreislaufprozeß zuführbar ist.
Aus 3 ist ein mechanisches Antriebsteil 61 erkennbar, das mit der Kraftmaschine 34 verbunden ist. Das mechanische Antriebsteil 61 kann bei Talfahrt oder Schubbetrieb der Kraftmaschine 34 Arbeitsmedium aus mechanischer Energie der Antriebsmechanik erzeugen, wobei potentielle Energie zu speichern, in Drehbewegung und Fortbewegung umzuwandeln und überschüssige potentielle Energie der thermischen Rekuperation zuzuführen ist und dem Kreislaufprozeß als gasförmiges Arbeitsmedium zur Verfügung gestellt werden kann. Das mechanische Antriebsteil 61 weist vorzugsweise einen Freilauf 62, eine Schwungscheibe 63, ein mechanische Energieumwandlungseinheit 65 mit einer Kupplung 64, einem ersten Getriebe und vorzugsweise einer Spiralfeder, ein zweites Getriebe 66 und ein drittes Wechselgetriebe 67 auf. Bei Schubbetrieb oder Talfahrt der Kraftmaschine 34 ist diese über den Freilauf 62 vom Getriebe und der Schwungscheibe 63 trennbar. Die Schwungscheibe 63 ist dann direkt mit der Energieumwandlungseinheit 65 und so mit dem ersten Getriebe und der Spiralfeder verbunden. Durch die Spiralfeder wird potentielle Energie gespeichert und über das zweite Getriebe 66 in Drehbewegung und somit in Fortbewegung umgewandelt, für welche die Kraftmaschine 34 kein zusätzliches Arbeitsmedium benötigt. An der Kupplung 64 ist eine weitere mechanische Kupplung 60 angeordnet, über die, gemäß 1 und 4, weitere überschüssig erzeugte potentielle Energie von der Spiralfeder über den ersten Verdichter 11 der Photovoltaik- Anlage zugeführt werden kann. Dort kann die potentielle Energie zum Beispiel über die mechanische Kupplung 59 den Motor 58 antreiben. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, daß vom ersten Verdichter 11 über die dritte Leitung 46 gasförmiges Arbeitsmedium angesaugt, dem dritten Verdichter 47 zugeführt, über die zweite Regelstrecke 48 in den dritten Recuperator 49 geleitet und von dort als gasförmiges Arbeitsmedium dem Kreislaufprozeß wieder zuführbar ist.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Einrichtung Helium, Kohlendioxyd, Wasser, Ammoniak, Alkohole, umweltfreundliche organische Kältemittel und Kohlenwasserstoffe durch Oxydation von Biomasse als Arbeitsmedium verarbeiten. Dazu wird die Kraftmaschine 34 über die Abgas- und Schalldämpfereinheit 34 geschlossen und die Expansionseinheit 4 von Mischkühlung auf zwei getrennte Systeme eingestellt. So kann eines der aufgeführten Arbeitsmedien in einem geschlossenen Kreislaufprozeß genutzt werden. Die Nutzung von Luft und Stickstoff als Arbeitsmedium ist nur im teilgeschlossenen Kreislaufprozeß möglich. Dazu muß die Kraftmaschine 34 wieder von der Abgas- und Schalldämpfereinheit 35 getrennt werden und die Expansionseinheit 4 in einem System als Mischkühlung betrieben werden.
Die beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrensabläufe und beispielsweisen Einrichtungsbestandteile sind selbstverständlich auch für stationäre Kraftmaschinen zur Energieversorgung von Wohnäusern, Fabriken etc. nutzbar.

1: Tank für flüssiges Gras,
2: erstes Volumenregelventil,
3: Verdampfer,
4: Expansionseinheit mit Mischkühlung,
5: zweites Volumenregelventil,
6: Entspannungsdüse,
7: erstes Druckregelventil,
8: zweites Druckregelventil,
9: erstes Expansionsventil,
10: erste Leitung,
11: erster Verdichter,
12: drittes Druckregelventil,
13: viertes Druckregelventil,
14: Druckgasspeicherkessel,
15: erster Rekuperator,
16: zweiter Rekuperator,
17: Expandereinheit,
18: zweite Leitung,
19: erster Diffusor,
20: erster Druckverteiler,
21: Brennstoffeinheit,
22: Druckregeleinheit,
23: Volumenregeleinheit,
24: Impulseinheit,
25: zweiter Druckverteiler,
26: zweiter und dritter Diffusor,
27: dritter kugelförmiger Druckverteiler,
28: Motorzylinder,
29: Kolbenpaar,
30: Kolbenpaar,
31: Motorwelle,
32: Motorwelle,
33: Magnete,
34: Kraftmaschine,
35: Abgas- und Schalldämpfereinheit,
36: erste Düse,
37: zweiter Verdichter,
38: Kühlkreislauf,
39: zweite Düse,
40: Regelkreis, volumengesteuert,
41: Heizungseinheit,
42: erste Regelstrecke, volumengesteuert,
43: drittes Volumenregelventil,
44: Klimaeinheit,
45: erste und zweite Expansions- und Volumenregeleinheit,
46: dritte Leitung, druckgeregelt,
47: dritter Verdichter,
48: zweite Regelstrecke, druckgeregelt,
49: dritter Rekuperator,
50: vierter Rekuperator,
51: zweites Expansionsventil,
52: erste Rücklaufleitung,
53: zweite Rücklaufleitung,
54: fünfte Leitung, druckgeregelt,
55: erster Wechselrichter,
56: Batterie,
57: zweiter Wechselrichter,
58: Motor,
59: erste Kupplung,
60: zweite Kupplung,
61: mechanisches Antriebsteil,
62: Freilauf,
63: Schwungscheibe,
64: Kupplung mit erstem Getriebe und mindestens einer Spiralfeder,
65: mechanische Energieerzeugereinheit,
66: zweites Getriebe,
67: drittes Wechselgetriebe,
68: Einheit, aus Druckluftfilter und Saugleitung
69: Abscheider,
80: viertes Volumenregelventil,
81: fünftes Druckregelventil,
82: erste Rückschlagklappe,
83: zweite Rückschlagklappe,
84: dritte Rückschlagklappe,
85: vierte Rückschlagklappe,
86: sechstes Druckregelventil,
87: fünftes Volumenregelventil

Claims

Verfahren zum Betreiben einer stationären und mobilen Kraftmaschine mittels Druckgas, bei dem in einem Kreislaufprozeß das Arbeitsmedium vor der Zuführung in eine Kraftmaschine im flüssigen Zustand in einem Tank gespeichert, das flüssige Arbeitsmedium in einen gasförmigen Zustand überführt, verdichtet, in Rekuperatoren zur weiteren Erwärmung in eine Expandereinheit geleitet und von dort in die Kraftmaschine expandiert, wobei überschüssiges Arbeitsmedium über eine Abgas- und Schalldämpferanlage in die Umwelt ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmiges Arbeitsmedium mit verringerter Strömungsgeschwindigkeit und erhöhtem Druck in die Expandereinheit zu leiten ist und mit konstant und getrennt regelbarem Arbeitsdruck und Volumen sowie mit einem regelbaren Zeitimpuls, nach abrufbarem Leistungsbedarf, aus der Expandereinheit der Kraftmaschine zuführbar ist, daß im Kreislaufprozeß überschüssiges und autonom erzeugtes Arbeitsmedium in einen Druckgasspeicherkessel zu leiten und aus diesem über eine Mischkühlung einer Expansionseinheit dem Kreislaufprozeß zuführbar ist, daß nur der Teil des Arbeitsmediums, der die Kraftmaschine mit einem Druck über 2,5 bar erreicht, über die Abgas- und Schalldämpfereinheit mit einer Temperatur von ca. 7°C und ohne Schadstoffe in die Umwelt ausgestoßen wird und durch erneuten Abruf von Arbeitsmedium ersetzt werden muß und daß bei einem teilgeschlossenen Kreislaufprozeß Luft und Stickstoff und bei einem geschlossenen Kreislaufprozeß Helium, Kohlendioxid, Wasser, Ammoniak, Alkohole, umweltfreundliche organische Kältemittel und Kohlenwasserstoffe durch Oxidation von Biomasse als Arbeitsmedium nutzbar sind.
Verfahren zum Betreiben einer stationären und mobilen Kraftmaschine mittels Druckgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei teilgeschlossenem Kreislaufprozeß Luft aus der Atmosphäre ansaugbar, in den Druckgasspeicherkessel leitbar, in einem Abscheider von Wasser und Schadstoffen befreit als Arbeitsmedium geregelt in den Kreislaufprozeß leitbar ist, daß autonom Arbeitsmedium in Form flüssiger Luft oder flüssigen Stickstoffs aus regenerativen Energiequellen der Umwelt herstellbar, chemisch zu speichern und durch Druck- und Wärmebehandlung im flüssigen Zustand dem Tank und im gasförmigen Zustand dem Kreislaufprozeß direkt zuführbar ist, daß bei Talfahrt oder Schubbetrieb der Kraftmaschine, Arbeitsmedium durch mechanische Energie aus einer Antriebsmechanik erzeugbar ist, wobei potentielle Energie zu speichern, in Drehbewegung und somit in Fortbewegung umwandelbar ist und überschüssige potentielle Energie in den Kreislaufprozeß der thermischen Rekuperation zuführbar und wieder verwendbar ist.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Tank (1) für flüssiges Gas, einem Verdampfer (3), einem Verdichter (11), Druckregelventilen (12, 13), Rekuberatoren (15, 16), einer Expandereinheit (17), einer Brennstoffeinheit (21), einer Kraftmaschine (34), einer Abgas- und Schalldämpfereinheit (35), dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (3) systemdicht in eine Expansionseinheit (4) mit Mischkühlung integriert ist, wobei das gasförmige Arbeitsmedium vom Verdampfer (3) über ein erstes Druckregelventil (7) und ein zweites Volumenregelventil (5) und eine Entspannungsdüse (6) geregelt in die Mischkühlung der Expansionseinheit (4) zu leiten ist, daß die Einrichtung mit einem Druckgasspeicherkessel (14) ausgestattet ist, in den in verschiedenen Bereichen des Kreislaufprozesses überschüssig anfallendes und autonom erzeugtes Arbeitsmedium leitbar und in den Kreislaufprozeß rückführbar ist, daß der Expandereinheit (17) ein erster Diffusor (19) und ein erster Druckverteiler (20) vorgeschaltet ist, über die das gasförmige Arbeitsmedium der Expandereinheit (17) mit verringerter Strömungsgeschwindigkeit und erhöhtem Druck zuführbar ist, wodurch ein Verdichtungsstoß und eine Temperaturerhöhung beim Arbeitsmedium erreichbar ist, daß der Expandereinheit (17) eine Druckregeleinheit (22), eine Volumenregeleinheit (23) und eine Impulseinheit (24) nachgeordnet sind, wodurch das Arbeitsmedium getrennt und unabhängig voneinander nach Druck, Volumen und Zeit steuerbar, durch eine kontrollierte Zwangsströmung regelbar und impulsförmig in die Kraftmaschine (34) expandierbar ist und überschüssiges Arbeitsmedium über eine druckgeregelte dritte Leitung (46) in den Druckspeicherkessel (14) zur Wiederverwendung leitbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Expansionseinheit (4) das erste Druckregelventil (7), ein zweites Druckregelventil (8) und ein erstes Expansionsventil (9) sowie eine erste Leitung (10) angeordnet sind, wodurch ein konstanter Arbeitsdruck des Arbeitsmediums erreihbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Verdichter (11) über ein drittes Druckregelventil (12) mit dem ersten Rekuperator (15) und dem zweiten Rekuperator (16) und über ein viertes Druckregelventil (13) mit dem Druckgasspeicherkessel (14) verbunden ist, wobei eine erforderliche Menge Arbeitsmedium in den ersten Rekuperator (15) und den zweiten Rekuperator (16) und überschüssiges Arbeitsmedium zur Wiederverwendung in den Druckgasspeicherkessel (14) leitbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rekuperator (15) mit der Brennstoffeinheit (21) und der zweite Rekuperator (16) mit der Expandereinheit (17) verbunden ist und das Arbeitsmedium den ersten Rekuperator (15) und den zweiten Rekuperator (16) im Gegenstrom durchströmt, wobei die Außenwände eines Erhitzers der Expandereinheit (17) abzukühlen und gleichzeitig das Arbeitsmedium zu erwärmen ist und das erwärmte gasförmige Arbeitsmedium über eine volumengesteuerte Regelstrecke (42) in eine angeschlossene Heizungseinheit (41) und von dieser in die Expansionseinheit (4) rückführbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicherkessel (14) über eine erste Expansions- und Volumenregeleinheit (45) mit der Expansionseinheit (4) über ein drittes Volumenregelventil (43) mit einer Klimaeinheit (44) und einer zweiten Expansions- und Volumenregeleinheit (45) verbunden ist, wobei abgekühltes Arbeitsmedium aus der Expansionseinheit (4) in die Klimaeinheit (44) und von dieser über die zweite Expansions- und Volumenregeleinheit (45) in einen zu klimatisierenden Raum leitbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinheit (21) mit einem volumengesteuerten Regelkreis (40) verbunden ist, über den, durch geregelte und kontrollierte Oxidation von Biomasse eine schadstofffreie Verbrennung durchführbar ist und wodurch die Verbrennung zusätzlich mit Sauerstoff angereichertem, vorgewärmten Arbeitsmedium, zu versorgen ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Druckregeleinheit (22), die Volumenregeleinheit (23) und die Impulseinheit (24) ein zweiter Druckverteiler (25), ein zweiter und dritter Diffusor (26) und ein dritter kugelförmiger Druckverteiler (27) angeschlossen sind, die den Expansionskammern der Kraftmaschine (34) direkt gegenüberliegen.
Einrichtung nach Anspruch 9 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Druckverteiler (25), der zweite und dritte Diffusor (26) und der dritte kugelförmige Druckverteiler (27) fest mit einem Motorzylinder (28) der Kraftmaschine (34) verbunden sind, durch die das Arbeitsmedium in einem Impulsgegenstrom in Expansionskammern der Kraftmaschine (34) leitbar ist, wobei über den dritten kugelförmigen Druckverteiler (27) ein Verdichtungsstoß in Höhe des 1,3² – fachen der kinetischen, der thermischen und potentiellen Energie des Arbeitsdruckes des zweiten und dritten Diffusors (26) erzeugbar und durch die Druckregeleinheit (22), die Volumenregeleinheit (23) und die Impulseinheit (24) regelbar und kontrollierbar ist
Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine (34) ein Druckgaskreiskolpenmotor ist, der mindestens ein mittig und senkrecht geteiltes Kolpenpaar (29, 30) aufweist, die mit Motorwellen (31, 32) fest verbunden sind, die gasdicht unter dem dritten kugelförmigen Druckverteiler (27) verlaufen und Druckenergie aufnehmen, wobei die gesamte von dem Kolpenpaar (29, 30) aufgenommene Energie des Arbeitsmediums, ohne Totpunkt mit langem Hebelarm auf die Motorwellen (31, 32) zu übertragen und in mechanische Energie umzuwandeln ist.
Einrichtung nach Anspruch 11 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes mittig und senkrecht geteilte Kolpenpaar (29, 30) ein Kreiskolpenpaar ist, das zwei Arbeitsflächen und jeweils eine Expansionsfläche und eine Verschiebefläche aufweist, wodurch eine doppelte Arbeitsfläche zur Verfügung steht, die zusätzlich durch den Verschiebevorgang bei der Expansion beidseitig 1,5- fach vergrößerbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 11 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine (34) mit mehreren Magneten (33) ausgestattet ist, wobei nach jedem Verdichtungsstoß des dritten kugelförmigen Druckverteilers (27) bis zum Erreichen des erforderlichen Expansiondruckpunktes des zweiten und dritten Diffusors (26) das Kolpenpaar (29, 30) beim kreisförmigen Auseinanderfliegen fest zusammenzuhalten und nach dem Verschiebungsakt das Kolpenpaar (29, 30) wieder fest zusammenzuziehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine (34) über eine erste Düse (36) mit einem zweiten Verdichter (37) verbunden ist, der mit einer zweiten Düse (39) in die Mischkühlung der Expansionseinheit (4) mündet und daß die erste Düse (36) die Expansionskammern der Kraftmaschine (34) mit dem zweiten Verdichter (37) verbindet, wobei in der Kraftmaschine (34) erzeugtes überschüssiges Arbeitsmedium auf die Saugseite des zweiten Verdichters (37) zu verschieben ist, in diesem vorgespannt, über die zweite Düse (39) in die Mischkühlung der Expansionseinheit (4) drückbar und dem Kreislaufprozeß wieder zuführbar ist,
Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Expansionseinheit (4) und dem ersten Verdichter (11) eine Einheit (68), bestehend aus einem Druckluftfilder mit Saugleitung, angeordnet ist, mit dem bei leerer Expansionseinheit (4) Luft aus der Atmosphäre ansaugbar, in den Druckgasspeicherkessel (14) leitbar, in diesem durch einen Abscheider (69) von Wasser und Schadstoffen zu befreien und als Arbeitsmedium über die erste Expansions- und Volumenregeleinheit (45) der Expansionseinheit (4) zuführbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung mit einer Photovoltaik- Anlage gekoppelt ist, die aus einem dritten Verdichter (47), einer druckgeregelten zweiten Regelstrecke (48) mit einem Druckregelventil und einem Expansionsventil, aus einem dritten Rekuperator (49), einem vierten Rekuperator (50), einem zweiten Expansionsventil (51), einer ersten Rücklaufleitung (52), einer zweiten Rücklaufleitung (53), einer druckgeregelten fünften Leitung (54), einem ersten Wechselrichter (55), einem zweiten Wechselrichter (57), einer Batterie (56), einem Motor (58) und einer mechanischen Kupplung (59) gebildet ist, wobei Arbeitsmedium autonom aus regenerativen Energiequellen der Umwelt herstellbar ist und abgekühltes Arbeitsmedium im flüssigen Zustand über das zweite Expansionsventil (51) im Tank (1) zu speichern und überschüssiges Arbeitsmedium im gasförmigen Zustand über die zweite Rücklaufleitung (53) geregelt dem Kreislaufprozeß direkt und über die druckgeregelte fünfte Leitung (54) dem Druckgasspeicherkessel (14) zuführbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung mit einem mechanischen Antriebsteil (61) verbunden ist, das aus einem Freilauf (62), einer Schwungscheibe (63), einer mechanischen Energieumwandlungseinheit (65) bestehend aus einer Kupplung (64) mit Getriebe und mindestens einer Spiralfeder, einem Getriebe (66) und einem Wechselgetriebe (67) besteht, wodurch Arbeitsmedium aus mechanischer Energie herstellbar, als potentielle Energie zu speichern und in Drehbewegung und somit in Fortbewegung umwandelbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 17 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß über den Freilauf (62) bei Schubbetrieb die Kraftmaschine (34) vom Getriebe und der Schwungscheibe (63) trennbar und die Schwungscheibe (63) über den Freilauf (62) direkt mit der Spiralfeder und dem Getriebe (66) zu verbinden ist, wobei durch die Spiralfeder potentielle Energie zu speichern und über das Getriebe (66) in Drehbewegung umwandelbar und durch die Schwungscheibe (63) ein gleichmäßiger Rundlauf und ein dynamischer Antrieb zu gewährleisten ist.
Einrichtung nach Anspruch 17 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kupplung (64) eine mechanische Kupplung (60) angeordnet ist, wodurch durch Dauerbelastung der Spiralfeder mechanische Überlastung der Kupplung (64) vermeidbar ist und überschüssige potentielle Energie über den ersten Verdichter (11) in den Kreislaufprozeß der thermischen Rekuperation zuführbar und so weiterverwendbar ist,
Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die an der Kraftmaschine (34) angeordnete Abgas- und Schalldämpfereinheit (35) ein teilgeschlossener Kreislaufprozeß herstellbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine (34) durch die Abgas- und Schalldämpfereinheit (35) schließbar und die Expansionseinheit (4) in zwei Systeme zu trennen ist, wodurch die Einrichtung als geschlossener Kreislaufprozeß nutzbar ist.