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Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung von Strom durch Kopplung an einen ORC- oder Kalina-Kreisprozess, und, vorzugsweise, zur Erzeugung von Heizwärme, mit einem ein Arbeitsmedium führenden Arbeitskreis, mit einem Motor und mit einem Generator, wobei der Arbeitskreis wenigstens einen ersten Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme an das Arbeitsmedium aufweist, wobei das Arbeitsmedium durch Wärmeübertragung zumindest teilweise verdampft wird, wobei durch Expansion des Arbeitsmediums Energie als Volumenänderungsarbeit an den Motor abgegeben wird und wobei Bewegungsenergie des Motors an den Generator übertragen und von dem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Solarthermie-System zur gekoppelten Erzeugung von Strom und Heizwärme.
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Bei solarunterstützten Heizanlagen besteht in der Regel ein inverses Verhältnis zwischen der Verfügbarkeit der solaren Primärenergie und dem Heizbedarf, d. h. im Sommer steht zwar viel Primärenergie zur Verfügung, es besteht aber kaum oder nur wenig Heizbedarf, während im Winter das umgekehrte gilt. Eine Möglichkeit, mit Hilfe einer Solaranlage eines Heizsystems Strom zu erzeugen, besteht darin, die von der Solaranlage thermische Energie zunächst in mechanische Bewegungsenergie umzuwandeln, welche dann wiederum in elektrischen Strom umgewandelt wird.
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Für die Nutzung von Niederenergiewärme aus solar- und geothermischen Prozessen sowie aus Verbrennungs- und Reaktionsprozessen, beispielsweise für die Nutzung von Niedertemperaturwärme von Blockheizkraftwerken, oder für die Nutzung von industrieller Abwärme, insbesondere der metall-, glas- oder kunststofferzeugenden Industrie, werden im Stand der Technik das ORC(Organic-Rankine-Cycle)-Verfahren und das Kalina-Verfahren eingesetzt. Beim ORC-Verfahren wird einem Arbeitsmedium Wärme entzogen, was zur Verdampfung des Arbeitsmediums führt. Um Abwärme zu nutzen, die auf einem niedrigen Temperaturniveau anfällt, können als Arbeitsmittel entweder Kältemittel, Kältemittelgemische oder niedrigsiedende organische Stoffe, wie beispielsweise Pentan, eingesetzt und verdampft werden. Durch die Verdampfung entsteht ein hoher Druck, wobei das Arbeitsmittel anschließend über einen Motor oder eine Dampfturbine arbeitsleistend entspannt wird, um einen Generator anzutreiben und mechanische Bewegungsenergie des Motors oder der Turbine in elektrische Energie umzuwandeln. Beim Kalina-Verfahren wird einem Prozessmedium Wärme unter Verwendung einer gesättigten Ammoniak-Wasser-Lösung als Arbeitsmittel entzogen, wobei Ammoniak ausgetrieben wird. Der Ammoniakdampf wird über einen Motor oder eine Turbine entspannt und treibt über diese bzw. diesen einen Generator an. Danach wird das Ammoniak im abgekühlten Zustand wieder gelöst.
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Für die Stromerzeugung in einem ORC- oder Kalina-Prozess kann ein lineares Umwandlungssystem mit einem oder mehreren Druckzylindern, einem Lineargenerator, einem Filter und einer Gleichrichtereinheit zur Umwandlung thermodynamischer Energie in elektrische Energie zum Einsatz kommen. Durch Einströmen des Arbeitsmediums in einen Arbeitsraum des Druckzylinders wird ein Kolben bewegt und es wird von dem Arbeitsmedium Energie als Volumenänderungsarbeit an den Kolben abgegeben. Die Bewegungsenergie des Kolbens kann dann mit einem speziell für diese Anwendung abgestimmten Lineargenerator in elektrische Energie umgewandelt werden, wobei die zum Einsatz kommenden Lineargeneratoren störanfällig sind und zu hohen Anlagenkosten beitragen. Zur Umwandlung der Bewegungsenergie des Kolbens kann auch ein Drehgenerator zum Einsatz kommen, wobei ein Kurbeltrieb erforderlich ist, der eine oszillierende lineare (translatorische) Bewegung eines oder mehrerer Kolben mit Hilfe von Pleuelstangen in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle umsetzt, die dann Wellenarbeit an den Generator überträgt. Die Umwandlung der Kolbenbewegung in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kurbeltrieben jedoch verlustbehaftet, was zu einem geringeren Gesamtwirkungsgrad der Stromerzeugung führt. Insbesondere im unteren und mittleren Leistungsbereich ist daher ein wirtschaftlicher Betrieb von ORC-Anlagen oder Kalina-Anlagen nicht möglich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System der eingangs genannten Art, insbesondere ein Solarthermie-System, zur Erzeugung von Strom und vorzugsweise Heizwärme unter Nutzung von (Niedertemperatur-)Abwärme zur Verfügung zu stellen, das sich durch einen hohen elektrischen Wirkungsgrad und insbesondere einen hohen Gesamtwirkungsgrad auszeichnet und einen wirtschaftlichen Betrieb auch im unteren und mittleren Leistungsbereich bei einer elektrischen Leistung von weniger als 50 kW, weitere insbesondere von 5 bis 15 kW, zulässt.
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Die vorgenannte Aufgabe ist bei einem System der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Motor eine Kurbelwellenanordnung mit einer Kurbelwelle und mit wenigstens einem Drucksegment aufweist, wobei die Kurbelwellenanordnung zur Umwandlung einer vorzugsweise linearen Bewegung des Drucksegmentes in eine rotatorische Bewegung des Kurbelwelle ausgebildet ist, wobei das Drucksegment periodisch in Richtung zur Kurbelwelle hin und von der Kurbelwelle weg bewegbar ist und periodisch mit einem mit der Kurbelwelle verbundenen Mitnehmerteil in Kontakt tritt, wobei im Kontaktzustand vom Drucksegment eine auf das Mitnehmerteil wirkende Druckkraft und ein auf die Kurbelwelle wirkendes Drehmoment erzeugt wird, wobei das Drucksegment im Kontaktzustand unmittelbar gegen das Mitnehmerteil anliegt und wobei die bei Expansion des Arbeitsmediums verrichtete Volumenänderungsarbeit an das Drucksegment übertragbar ist.
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Die erfindungsgemäße Kurbelwellenanordnung ermöglich die Umsetzung einer vorzugsweise translatorischen Bewegung des Drucksegmentes in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle in einfacher Weise bei hohem Wirkungsgrad der Bewegungsumwandlung, was insgesamt zu einem hohen Gesamtwirkungsgrad der Stromerzeugung bei dem erfindungsgemäßen System führt. Darüber hinaus zeichnet sich die erfindungsgemäße Kurbelwellenanordnung durch einen einfachen Aufbau mit geringer Bauteilanzahl und durch geringe Herstellungs-, Wartungs- und Installationskosten aus. Dies ermöglicht insbesondere einen wirtschaftlichen Einsatz des erfindungsgemäßen Systems im kleinen und mittleren Leistungsbereich bei einer elektrischen Leistung von weniger als 50 kW, vorzugsweise von 5 bis 15 kW.
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Die bei der Expansion kann das ORC- oder Kalina-Arbeitsmedium Energie als Volumenänderungsarbeit an ein bewegbares Teil des Motors, wie einen Kolben einer Kolben-Zylinder-Einheit, abgegeben. Das expandierende Arbeitsmedium gelangt dabei in einen Arbeitsraum eines Druckzylinders, wodurch auf den Kolben eine Kraft ausgeübt wird, was unter Verrichtung von Arbeit zu einer Bewegung des Kolbens in Richtung zum Drucksegment führt.
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In einem gegenläufigen Arbeitstakt kann eine entgegengesetzt gerichtete Kolbenkraft erzeugt werden, die zu einer Wegbewegung des Kolbens von dem Drucksegment führt. Durch eine geeignete Steuerung der Arbeitstakte lässt sich das Drucksegment periodisch in Richtung zur Kurbelwelle hin und von der Kurbelwelle weg bewegen, was zu einer rotatorischen Bewegung der Kurbelwelle führt. Grundsätzlich kann das Arbeitsmedium bei der Expansion Energie als Volumenänderungsarbeit auch an bewegte Teile des Motors übertragen, die eine Drehbewegung ausführen und dadurch (periodisch) gegen das Drucksegment der Kurbelwellenanordnung wirken. Darüber hinaus ist es möglich, dass das Arbeitsmedium Energie als Volumenänderungsarbeit direkt bzw. unmittelbar an das Drucksegment abgibt, was zur beschriebenen Bewegung des Drucksegmentes führt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein wenigstens ein Speichermedium führender und, vorzugsweise, einen Speichermediumbehälter für das Speichermedium aufweisender Speicherladekreis vorgesehen, wobei der Speicherladekreis über wenigstens einen Wärmeübertrager mit dem Arbeitskreis verbunden ist, so dass Wärme von dem Speichermedium des Speicherladekreises an das Arbeitsmedium des Arbeitskreises übertragbar ist, um dieses zumindest teilweise zu verdampfen. Der Speicherladekreis ist zur Wärmeeinspeisung in den Speicherladekreis über wenigstens einen weiteren Wärmeübertrager mit einer (beliebigen) Wärmequelle verbunden. Der Speicherladekreis lässt es in einfacher Weise zu, bedarfsabhängig die im Speichermedium enthaltene Wärmeenergie zur Stromerzeugung zu nutzen oder zu Heizzwecken. Dabei ermöglicht das im Speichermediumbehälter gesammelte (erwärmte) Speichermedium beispielsweise auch dann die Stromerzeugung, wenn eine Wärmeeinspeisung in den Speicherladekreis periodisch nicht oder lediglich eingeschränkt möglich ist, was insbesondere für die Einspeisung von mittels Solaranlagen gewonnener thermischer Energie für Nachtzeiten oder im Winter gilt. Die gespeicherte Wärmeenergie des Speicherladekreises lässt somit eine gleichmäßige kontinuierliche Stromerzeugung bis hin zu einem Ganztagesbetrieb des erfindungsgemäßen Systems zu, was die Wirtschaftlichkeit deutlich steigert.
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Das erfindungsgemäße System ist vorzugsweise ausgebildet zur Nutzung von thermischer Energie einer Solaranlage für eine gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung. Ein solches Solarthermie-System weist einen Solarkreis zur solarthermischen Kopplung an den ORC-Prozess auf, wobei der Solarkreis wenigstens einen Solarkollektor, insbesondere einen Vakuumröhrenkollektor, aufweist. Die Stromgewinnung mit Hilfe des thermodynamischen ORC- oder Kalina-Kreisprozesses erfolgt dadurch, dass Wärme der Solarflüssigkeit an das Arbeitsmedium übertragbar ist, um dieses (zumindest teilweise) zu verdampfen. Die Erfindung schlägt in diesem Zusammenhang ein Solarthermie-System vor, das auch im kleinen und mittleren Leistungsbereich bei einer elektrischen Leistung von weniger als 50 kW, insbesondere von 5 bis 15 kW, eine wirtschaftliche und verfahrenstechnisch einfache Umwandlung solarer Primärenergie in elektrischen Strom zulässt.
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Der Solarkreis kann über wenigstens einen zweiten Wärmeübertrager mit dem Speicherladekreis und der Speicherladekreis über den ersten Wärmeübertrager mit dem Arbeitskreis verbunden sein, so dass Wärme von der Solarflüssigkeit des Solarkreises an das Speichermedium des Speicherladekreises und von dem Speichermedium an das Arbeitsmedium des Arbeitskreises übertragbar ist. Hierdurch wird die bedarfsabhängige Strom- und Wärmeerzeugung aus absorbierter Sonnenenergie wesentlich vereinfacht. Optional kann Wärme aus anderen (Ab-)Wärmequellen ergänzend zugeführt werden.
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Grundsätzlich kommt auch in Betracht, dass ein Solarabsorber des Solarkollektors, der Lichtenergie der Sonne in Wärme umwandelt, diese an ein ihn direkt durchfließendes ORC- oder Kalina-Arbeitsmedium abgibt. Das Arbeitsmedium wird dann direkt durch die absorbierte Sonnenenergie aufgeheizt und, vorzugsweise, verdampft. Es kommt dann zu einer Direktverdampfung des Arbeitsmittels ohne zusätzlichen Wärmetauscher.
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Der Speicherladekreis kann zur Abgabe von Heizwärme über wenigstens einen dritten Wärmeübertrager mit einem ein Heizmedium führenden Heizkreis eines Heizungs- und/oder Warmwassersystems verbunden sein, wobei Wärme von dem Speichermedium des Speicherladekreises über den dritten Wärmeübertrager an das Heizmedium übertragbar ist.
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Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Stromerzeugung mit dem erfindungsgemäßen System zu gewährleisten, kann aus thermodynamischen Gründen bei der Übertragung von Wärme von dem Speichermedium an das Arbeitsmedium eine Überhitzung des Arbeitsmediums vorgesehen sein.
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Nach der Expansion im Motor wird das Arbeitsmedium kondensiert und gibt die Kondensationswärme vorzugsweise an ein Kühlmedium ab, dass in einem Kühlkreis geführt ist, wobei der Arbeitskreis über wenigstens einen vierten Wärmeübertrager als Kondensator des ORC- oder Kalina-Kreisprozesses mit dem Kühlkreis verbunden ist. Der Kühlkreis kann über eine Wärmepumpe mit dem Speicherladekreis verbunden sein und, vorzugsweise, wenigstens einen Kühlmediumbehälter aufweisen. Die Kondensationswärme wird in den Kühlmediumbehälter transportiert und anschließend an die Wärmepumpe abgegeben. Mit Hilfe der Wärmepumpe können der Kühlmediumbehälter und damit das Kühlmedium gekühlt werden. Von der Wärmepumpe kann dann Nutzwärme mit höherer Temperatur an das Speichermedium im Speicherladekreis und/oder an das Heizmedium im Heizkreis übertragen werden.
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Nachfolgend wird die erfindungsgemäß vorgesehene Kurbelwellenanordnung näher erläutert.
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Als Kurbelwellenanordnung kann grundsätzlich auch eine in der
DE 10 2006 012 326 A1 beschriebene Anordnung mit einer Kurbelwelle und mit einem verstellbaren Drucksegment vorgesehen sein. Von Nachteil bei dieser bekannten Kurbelwellenanordnung ist jedoch, dass ein Schlitten bei Rotation einer Kurbelwelle eine Translationsbewegung entlang von Führungswellen ausführt und dabei periodisch abgebremst und erneut beschleunigt werden muss. Dies führt zu einem unrunden Lauf der Kurbelwelle. Das periodische Abbremsen und Beschleunigen des Schlittens bei der translatorischen Bewegung entlang der Führungswellen und die bei der translatorischen Bewegung auftretenden Energieverluste durch Reibung führen zu einem verringerten Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung. Die bekannte Anordnung weist im Übrigen einen komplizierten konstruktiven Aufbau und eine große Bauteilanzahl auf, was die Ausfall- und Verschleißanfälligkeit erhöht und zu hohen Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten führt.
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Um die Umwandlung einer vorzugsweise translatorischen Bewegung des Drucksegmentes in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle in einfacher Weise bei hohem Wirkungsgrad der Energieumwandlung und einfachem Aufbau der Kurbelwellenanordnung mit geringer Bauteilanzahl zu ermöglichen, wird daher vorzugsweise vorgeschlagen, dass das Mitnehmerteil bei der Rotation der Kurbelwelle eine lediglich rotatorische Bewegung ausführt. Im Unterschied zu der aus der
DE 10 2006 012 326 A1 bekannten Kurbelwellenanordnung wird das Mitnehmerteil dann bei der Bewegungs- bzw. Energieumwandlung nicht in transversaler Richtung verschoben, sondern führt lediglich eine Drehbewegung um die Drehachse der Kurbelwelle aus. Die mit einer zusätzlichen translatorischen Bewegung des Mitnehmerteils verbundenen oben beschriebenen Nachteile können dann nicht auftreten. Das Mitnehmerteil wird bei der Bewegungs- bzw. Energieumwandlung zusammen mit der Kurbelwelle um die Drehachse der Kurbelwelle bewegt, wobei das Mitnehmerteil und die Kurbelwelle eine gleiche Drehrichtung aufweisen.
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In Übereinstimmung mit der aus der
DE 10 2006 012 326 A1 bekannten Kurbelwellenanordnung liegt das Drucksegment vorzugsweise lediglich während der Übertragung der Druckkraft gegen das Mitnehmerteil an, d. h. zeitweise bzw. periodisch, und unterscheidet sich somit von einem aus dem Stand der Technik an sich bekannten Kurbeltrieb, bei dem die Kurbelwelle während einer Umdrehung der Kurbelwelle stets über Pleuelstangen mit Antriebskolben verbunden ist.
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Bei rotierender Kurbelwelle tritt das Mitnehmerteil periodisch bzw. zyklisch bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle mit dem Drucksegment unmittelbar in Kontakt. Für eine Drehmomenterzeugung kann das Drucksegment nach dem Inkontakttreten mit dem Mitnehmerteil in Richtung zur Kurbelwelle verstellt werden, so dass eine Antriebskraft auf das Mitnehmerteil erzeugt wird, die in Drehrichtung der Kurbelwelle wirkt und ein Drehmoment an der Kurbelwelle erzeugt. Die hierfür erforderliche Verstellbewegung bzw. der jeweilige Hub des Drucksegmentes ist von der Rotation der Kurbelwelle bzw. von dem jeweiligen Dreh- bzw. Kurbelwellenwinkel abhängig, wobei der Hub mit steigendem Dreh- bzw. Kurbelwellenwinkel zunimmt. Gleichzeitig dreht sich das Mitnehmerteil entlang einer Kreisbahn um die Drehachse der Kurbelwelle weiter. Bei Erreichen eines bestimmten Dreh- bzw. Kurbelwellenwinkels wird dann das Drucksegment um mindestens den ausgeführten Verstellweg zurück von der Kurbelwelle weg bewegt und dabei von dem Mitnehmerteil entkoppelt, bevor das rotierende Mitnehmerteil bei der nächsten Umdrehung erneut mit dem Drucksegment in Kontakt tritt und durch eine erneute Verstellbewegung des Drucksegmentes in Richtung hin zur Kurbelwelle angetrieben wird. Mit zunehmendem Kurbelwellenwinkel, über den das Mitnehmerteil angetrieben wird, steigt dabei die von der Druckkraft verrichtete Arbeit.
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Grundsätzlich lässt es die Erfindung jedoch auch zu, dass die Übertragung kinetischer Energie im Kontaktzustand zwischen dem Mitnehmerteil und dem Drucksegment kurzzeitig bzw. stoßartig (impulsartig) erfolgt. Bei der Drehmomenterzeugung kann das Drucksegment dabei gegen das Mitnehmerteil anschlagen und einen Impuls übertragen, der das Mitnehmerteil antreibt und weiterdreht.
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Die Antriebs- bzw. Verstellkraft zur Bewegung des Drucksegmentes bei der Drehmomenterzeugung wird vorzugsweise erzeugt durch ein aufgrund der an den Motor abgegebenen Volumenänderungsarbeit bewegtes Teil des Motors, beispielsweise einen bewegten Kolben einer Kolben-Zylinder-Anordnung des Motors. Wie oben bereits beschrieben, kann das Arbeitsmedium durch Expansion Energie als Volumenänderungsarbeit auch direkt an das Drucksegment abgeben, was zu einer Bewegung des Drucksegmentes führt. Durch eine entsprechende Steuerung der Energieabgabe an die Teile des Motors, die mechanische Arbeit verrichten bzw. an das Drucksegment, lässt sich die für eine Drehmomenterzeugung erforderliche Hin- und Herbewegung des Drucksegmentes vorgeben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kurbelwelle wenigstens eine Kurbelwange aufweist, an der das Mitnehmerteil exzentrisch festgesetzt ist. Grundsätzlich kann auch die Kurbelwange als solche für einen Antrieb genutzt werden, wobei die Kurbelwange beispielsweise eine bestimmte nicht-kreisförmige Kontur aufweisen kann, so dass ein Abschnitt der Kurbelwange einen Exzenterabschnitt bildet, der gegen das Drucksegment wirkt.
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Um die Reibung zwischen dem Mitnehmerteil und dem Drucksegment bei der Verrichtung mechanischer Arbeit zu verringern, kann das Mitnehmerteil und/oder das Drucksegment eine reibungsmindernde Beschichtung aufweisen, die im Kontaktzustand gegen das Drucksegment bzw. das Mitnehmerteil anliegt. Hier ist eine geeignete Materialpaarung von Drucksegment und Mitnehmerteil zu wählen, um die Reibung gering zu halten. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass das Mitnehmerteil und/oder das Drucksegment ein Roll-, Gleit- oder Wälzelement aufweist, das im Kontaktzustand gegen das Drucksegment bzw. das Mitnehmerteil anliegt. Das Mitnehmerteil kann beispielsweise durch einen Kurbelwellenzapfen mit einer auf dem Kurbelwellenzapfen drehbar gelagerten Andruckrolle gebildet werden.
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Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Drucksegmenten und/oder eine Mehrzahl von Mitnehmerteilen vorgesehen. Beispielsweise können mehrere Drucksegmente vorgesehen sein, um die Druckkraft und das auf die Kurbelwelle wirkende Drehmoment zu erhöhen. Auch kann eine Mehrzahl von Mitnehmerteilen vorgesehen sein, die bei Rotation der Kurbelwelle gleichzeitig gegen ein Drucksegment wirken. Vorzugsweise steht jedoch ein Drucksegment jeweils lediglich mit einem Mitnehmerteil in Wirkkontakt. Dadurch lassen sich ein gleichmäßiger ruhiger Lauf der Kurbelwelle bei der Bewegungsumwandlung und ein hoher energetischer Wirkungsgrad sicherstellen.
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Mehrere Drucksegmente können auf unterschiedlichen Seiten der Kurbelwelle gegenüberliegend angeordnet sein, wobei, vorzugsweise, jeweils wenigstens zwei gegenüberliegende Drucksegmente auf einer gemeinsamen Querachse angeordnet sind und gleichzeitig über wenigstens zwei Mitnehmerteile auf die Kurbelwelle wirken. Diese Anordnung kann in Längsrichtung der Kurbelwelle redundant ausgeführt sein. Auch können mehrere gegenüberliegende Drucksegmente in Längsrichtung der Kurbelwelle versetzt zueinander angeordnet sein.
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Das Drucksegment kann auf der dem Mitnehmerteil zugewandten Seite eine Kurvenbahn aufweisen, auf der das Mitnehmerteil bei Rotation der Kurbelwelle zumindest bereichsweise bzw. über einen bestimmten Dreh- bzw. Kurbelwellenwinkel abläuft, wobei, vorzugsweise, die resultierende im Kontaktpunkt auf das Mitnehmerteil wirkende Druckkraft über die gesamte Länge der Kurvenbahn, über die das Mitnehmerteil mit dem Drucksegment in Kontakt tritt, die Gerade durch den Drehpunkt der Kurbelwelle und den Kontaktpunkt schneidet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass über die gesamte Länge der Kurvenbahn, über die das Mitnehmerteil mit dem Drucksegment in Wirkkontakt tritt, eine Druckkraft von dem Drucksegment auf das Mitnehmerteil übertragen wird. Ein Tot- oder Fluchtpunkt, bei dem der Kraftvektor der resultierenden Druckkraft auf der Geraden durch den Drehpunkt der Kurbelwelle und den Kontaktpunkt liegt, wird während dem Ablaufen des Mitnehmerteils auf der Ablaufbahn des Druckelementes und der Verstellbewegung des Drucksegmentes in Richtung zur Kurbelwelle nicht ausgebildet. Im Flucht- oder Totpunkt wirkt die resultierende Druckkraft lediglich in Normalenrichtung auf das von dem Drucksegment angetriebene Mitnehmerteil. Dadurch sind ein verzögerungsfreier Lauf der Kurbelwelle und ein hoher energetischer Wirkungsgrad bei der Bewegungsumwandlung sichergestellt. Das gleich gilt entsprechend, wenn die Kurbelwelle angetrieben ist und mechanische Arbeit an dem Drucksegment verrichtet werden soll.
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In diesem Zusammenhang sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine halbkreisförmige Kurvenbahn vor, wobei der Radius der Kurvenbahn für jeden Kurbelwellenwinkel bei der Rotationsbewegung des Mitnehmerteils größer ist als der Abstand vom Drehpunkt der Kurbelwelle zu dem jeweiligen Kontaktpunkt zwischen Mitnehmerteil und Drucksegment und wobei der Drehpunkt der Kurbelwelle und der Mittelpunkt der Kurvenbahn nicht zusammenfallen. Aufgrund der Verschiebung von Drehpunkt der Kurbelwelle und Mittelpunkt der Kurvenbahn wird ein Tot- oder Fluchtpunkt nicht erreicht. Dies ermöglicht einen verzögerungsfreien Lauf der Kurbelwelle bei der Bewegungsumwandlung und erhöht die Energiemenge, die bei einer Verstellbewegung (einem Hub) des Drucksegmentes bzw. bei Rotation des Mitnehmerteils über einen bestimmten Winkelbereich übertragen werden kann. Der horizontale Abstand zwischen dem Drehpunkt der Kurbelwelle und dem Mittelpunkt der Kurvenbahn ändert sich dabei mit Verstellung des Drucksegmentes bzw. dessen Annäherung an die Kurbelwelle.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Kurvenbahn halbkreisförmig ist, wobei der Radius der Kurvenbahn im Wesentlichen dem Abstand vom Drehpunkt der Kurbelwelle zum Kontaktpunkt zwischen Drucksegment und Mitnehmerteil entspricht und wobei der Drehpunkt der Kurbelwelle und der Mittelpunkt der Kurvenbahn zusammenfallen. In diesem Fall ist vorzugsweise vorgesehen, das Drucksegment noch vor Erreichen eines Tot- oder Fluchtpunktes außer Kontakt mit dem Mitnehmerteil zu bringen, was durch eine entsprechende Verstellbewegung des Drucksegmentes in Richtung weg von der Kurbelwelle erreicht werden kann.
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Weiter vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Druckkraft kontinuierlich über eine einem Kurbelwellenwinkelbereich von 20 bis 150°, vorzugsweise von 10 bis 160° oder mehr, entsprechende Bogenlänge der Kurvenbahn übertragen wird. Je größer der Kurbelwellenwinkelbereich, über den ein Kontakt zwischen dem Mitnehmerteil und dem Drucksegment besteht und eine Druckkraft wirkt, desto größer ist der zugeordnete Verstellweg des Drucksegmentes und damit auch die mechanische Arbeit, die von der Druckkraft beim Ablaufen des Mitnehmerteils auf der Kurvenbahn verrichtet werden kann.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße System auszugestalten und weiterzubilden, wobei einerseits auf die abhängigen Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen wird. Die oben beschriebenen Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie die nachfolgend beschriebenen Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung können unabhängig voneinander, aber auch in einer beliebigen Kombination realisiert werden. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Kurbelwellenanordnung zur Verwendung in einem System zur Erzeugung von Strom in einem ORC- oder Kalina-Kreisprozess, wobei die Kurbelwellenanordnung eine Kurbelwelle und ein Drucksegment aufweist und zur Umwandlung einer Bewegung des Drucksegmentes in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle ausgebildet ist,
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2 eine Querschnittsansicht der in 1 dargestellten Kurbelwellenanordnung entlang der Schnittlinie II-II aus 1,
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3 bis 5 die jeweilige Lage des Mitnehmerteils relativ zum Drucksegment beim Ablaufen entlang einer Kurvenbahn des Drucksegmentes und bei Erreichen unterschiedlicher Kurbelwellenwinkel,
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6 eine schematische Darstellung einer Kurbelwellenanordnung mit zwei Drucksegmenten und zwei Mitnehmerteilen,
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7 eine schematische Darstellung der Verschiebung des Mittelpunkts der Kurvenbahn des Drucksegmentes zum Drehpunkt der Kurbelwelle bei der Übertragung von Antriebsenergie von dem Drucksegment auf die Kurbelwelle,
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8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Kurbelwellenanordnung in einer Ansicht auf zwei Mitnehmerteile einer Kurbelwelle der Kurbelwellenanordnung,
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9 eine schematische Darstellung der in 8 gezeigten Kurbelwellenanordnung in einer Ansicht auf ein Stehlager der Kurbelwelle,
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10 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur gekoppelten Erzeugung von Strom in einem ORC-Kreisprozess und zur Erzeugung von Warmwasser und/oder von Heizwärme unter Verwendung einer Kurbelwellenanordnung der in den 1 bis 9 gezeigten Art und
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11 der Ausschnitt XI aus 1.
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In den 1 und 2 ist eine Kurbelwellenanordnung 1 mit einer Kurbelwelle 2 und mit wenigstens einem Drucksegment 3 gezeigt. Die Kurbelwellenanordnung 1 ist gemäß der dargestellten Ausführungsform zur Umwandlung einer geradlinigen bzw. translatorischen Hubbewegung des Drucksegmentes 3 in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 2 oder umgekehrt ausgebildet und vorgesehen. Die dargestellte Kurbelwellenanordnung 1 ist insbesondere vorgesehen und ausgebildet, um die bei der Expansion eines ORC- oder Kalina-Arbeitsmittels in einem ORC- bzw. Kalina-Kreisprozess an ein bewegtes Teil eines Motors als Volumenänderungsarbeit abgegebene Energie in Rotationsenergie der Kurbelwelle 2 umzuwandeln, wobei Wellenarbeit der Kurbelwelle 2 an einen nicht dargestellten Generator zur Stromerzeugung übertragbar ist. Das Drucksegment 3 wird dabei periodisch bzw. zyklisch in Richtung zur Kurbelwelle 2 hin und von der Kurbelwelle 2 weg bewegt, was durch den Pfeil 4 dargestellt ist. Grundsätzlich kann das Drucksegment 3 auch eine drehende, kippende oder kombinierte Bewegung in Richtung zur Kurbelwelle 2 hin und von der Kurbelwelle 2 weg ausführen.
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Die dargestellte Kurbelwellenanordnung 1 zeichnet sich durch einen einfachen konstruktiven Aufbau bei geringer Bauteilanzahl aus und ist damit wenig ausfall- und verschleißanfällig, was insgesamt dazu beiträgt, Herstellungs-, Wartungs- und Instandhaltungskosten zu senken. Im Übrigen ist der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von insbesondere Translationsenergie in Rotationsenergie und umgekehrt aufgrund geringer Reibungsverluste bei der Energieumwandlung gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Kurbelwellenanordnungen hoch.
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Bei rotierender Kurbelwelle 2 tritt bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 2 ein Mitnehmerteil 5 periodisch bzw. zyklisch mit dem Drucksegment 3 unmittelbar in Kontakt. Wird das Drucksegment 3 wie in 2 dargestellt mit einer Verstellkraft FV angetrieben, so wird eine Verstellbewegung des Drucksegmentes 3 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 2 umgewandelt und es wird ein auf die Kurbelwelle 2 wirkendes Drehmoment erzeugt. Dabei wird durch eine Hubbewegung des Drucksegmentes 3 in Richtung zur Kurbelwelle 2 nach dem Inkontakttreten mit dem Mitnehmerteil 5 eine in einem Kontaktpunkt P auf das Mitnehmerteil 5 wirkende resultierende Druckkraft FR erzeugt. Die Verstellkraft FV wird beispielsweise über wenigstens einen Kolben einer Kolben-Zylinder-Einheit erzeugt, die als Antrieb für das Drucksegment 3 vorgesehen ist, wobei der Kolben zumindest periodisch mit dem Drucksegment 3 kinematisch gekoppelt ist. Die Kurbelwelle 2 ist mit einem Generator koppelbar, um Wellenarbeit abzugeben, die mittels eines nicht dargestellten Generators dann in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
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Um einen einfachen konstruktiven Aufbau und einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Bewegungsenergien zu gewährleisten, ist bei der dargestellten Kurbelwellenanordnung 1 vorgesehen, dass das Mitnehmerteil 5 bei Rotation der Kurbelwelle 2 eine lediglich rotatorische Bewegung zusammen mit der Kurbelwelle 2 ausführen kann.
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Bei den dargestellten Ausführungsformen weist das Drucksegment 3 jeweils eine Kurvenbahn 6 mit einer halbkreisförmigen Kontur auf, wobei das Drucksegment 3 zur Erzeugung einer Druckkraft FR auf das jeweilige Mitnehmerteil 5 in Richtung zur Kurbelwelle 2 verstellt wird und dabei einen geradlinigen Hub H ausführt. Das Mitnehmerteil 5 läuft periodisch bzw. zyklisch auf der Kurvenbahn 6 ab, wobei die Kontur der Kurvenbahn 6 so ausgeführt ist und das Mitnehmerteil 5 derart an dem Drucksegment 3 entlang geführt wird, dass aufgrund der gleichzeitig zur Rotationsbewegung des Mitnehmerteils 5 stattfindenden Hubbewegung des Drucksegmentes 3 eine in Drehrichtung 7 der Kurbelwelle 2 wirkende Antriebskraftkomponente FA' erzeugt wird, die die Kurbelwelle 2 über das Mitnehmerteil 5 in Drehung versetzt. Die resultierende Druckkraft FR lässt sich dabei in eine Normalkraftkomponente FN' und in die Antriebskraftkomponente FA' zerlegen, wobei lediglich die Antriebskraftkomponente FA' zur Drehmomenterzeugung führt. Der Vektor der Normalkraftkomponente FN' liegt in der Geraden G durch den Drehpunkt M der Kurbelwelle 2 und dem Kontaktpunkt P und kann daher kein Antriebsmoment erzeugen.
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Um die Hubbewegung des Drucksegmentes 3 und die Rotationsbewegung der Kurbelwelle 2 zeitlich aufeinander abzustimmen, kann eine nicht dargestellte Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen sein.
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Durch die am Kontaktpunkt P wirkende resultierende Druckkraft FR, genauer gesagt, durch deren Antriebskraftkomponente FA', wird das Mitnehmerteil 5 zusammen mit der Kurbelwelle 2 entlang der Kurvenbahn 6 in Drehrichtung 7 der Kurbelwelle 2 verschoben, was in 2 schematisch dargestellt ist. Beim Verschieben des Mitnehmerteils 5 verrichtet die Druckkraft FR mechanische Arbeit an dem Mitnehmerteil 5 bzw. an der Kurbelwelle 2. Es wird somit kinetische Energie von dem Drucksegment 3 auf das Mitnehmerteil 5 übertragen. Mit anderen Worten wird Translationsenergie in Rotationsenergie umgewandelt.
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Vorzugsweise liegt das Mitnehmerteil 5 bei der Rotation der Kurbelwelle 2 nicht über die gesamte Länge der Kurvenbahn 6 gegen das Drucksegment 3 an, sondern lediglich über einen Teil der Länge, der einem bestimmten Winkelbereich eines Kurbelwellenwinkels ρ bzw. Drehwinkels der Kurbelwelle 2 entspricht. Im Winkelbereich zwischen einem ersten kleineren Kurbelwellenwinkel ρ, bei dem das Mitnehmerteil 5 bei rotierender Kurbelwelle 2 mit dem Drucksegment 3 in Kontakt tritt, und einem zweiten größeren Kurbelwellenwinkel ρ wird dann durch die gleichzeitig zur Rotationsbewegung des Mitnehmerteils 5 erfolgende Hubbewegung des Drucksegmentes 3 eine gegen das Mitnehmerteil 5 wirkende Druckkraft FR und ein Antriebsmoment auf die Kurbelwelle 2 erzeugt. Bei Erreichen des zweiten größeren Kurbelwellenwinkels ρ wird das Drucksegment 3 um mindestens den ausgeführten Hub H zurück von der Kurbelwelle 2 weg bewegt und von dem Mitnehmerteil 5 entkoppelt, bevor das Mitnehmerteil 5 bei der nächsten Umdrehung erneut in den Bereich der Kurvenbahn 6 einläuft.
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Das Zurückstellen des Drucksegmentes 3 erfolgt vorzugsweise dann, wenn das Mitnehmerteil 5 bei der Rotationsbewegung um den Drehpunkt M der Kurbelwelle 2 in eine Position auf der Kurvenbahn 6 gelangt, an der die Antriebskraftkomponente FA der im Kontaktpunkt P auf das Mitnehmerteil 5 wirkenden resultierenden Druckkraft FR nur noch gering ist. Wie sich aus den 4 bis 6 ergibt, die den Bewegungsablauf des Mitnehmerteils 5 schematisch für einen Kurbelwellenwinkel von 10 bis 160° zeigen, tritt das Mitnehmerteil 5 vorzugsweise bei Rotation um einen Kurbelwellenwinkel ρ = 10° mit dem Drucksegment 3 in Kontakt (4), worauf das Drucksegment 3 einen Hub H ausführt und das Mitnehmerteil 3 antreibt, bis dieses eine Position erreicht hat, die einem Kurbelwellenwinkel ρ = 160° (5) entspricht.
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Vorzugsweise kann in diesem Zusammenhang ein tangentialer Ein- und Auslauf des Mitnehmerteils 5 in bzw. aus der Kurvenbahn 6 vorgesehen sein. Dadurch wird ein reibungsarmer Einlauf und Auslauf des Mitnehmerteils 5 in bzw. aus der Kurvenbahn 6 gewährleistet.
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Ist die Kurbelwellenanordnung 1 dagegen für eine Umwandlung einer Drehbewegung der Kurbelwelle 2 in eine insbesondere translatorische Verstellbewegung des Drucksegmentes 3 ausgebildet und vorgesehen, so tritt das Mitnehmerteil 5 bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 2 bei Erreichen eines bestimmten ersten kleineren Kurbelwellenwinkels ρ über eine bestimmte Länge der Kurvenbahn 6 mit dem Drucksegment 3 in Kontakt und erzeugt dabei eine Druckkraft auf das Drucksegment 3, durch die das Drucksegment 3 von der Kurbelwelle 2 weggedrückt wird. Es wird dabei Arbeit an dem Drucksegment 3 verrichtet. Bei Erreichen eines zweiten größeren Kurbelwellenwinkels ρ, wenn das Mitnehmerteil 5 aufgrund der Rotationsbewegung von der Kurvenbahn abläuft bzw. den Kontakt zum Druckelement 3 verliert, wird das Drucksegment 3 um mindestens den ausgeführten Hub zurück in Richtung zur Kurbelwelle 2 bewegt, bevor das Mitnehmerteil 5 bei der nächsten Umdrehung erneut in den Bereich der Kurvenbahn 6 einläuft. Die Kurbelwellenanordnung 1 kann somit zur Umwandlung von Rotationsenergie der Kurbelwelle 2 in Translations- oder Verstellenergie des Druckelementes 3 und umgekehrt eingesetzt werden.
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Wie sich aus den 1 und 2 weiter ergibt, ist das Mitnehmerteil 5 zwischen zwei Kurbelwangen 8 angeordnet und an diesen festgesetzt. Bei Rotation der Kurbelwelle 2 rotiert das Mitnehmerteil 5 entlang einer Kreisbahn um die Drehachse der Kurbelwelle 2. Das Mitnehmerteil 5 ist im vorliegenden Fall mehrteilig ausgebildet und wird durch einen an den Kurbelwangen 8 festgesetzten Kurbelzapfen 9 und mehrere Druckrollen 10 gebildet, die an dem Kurbelzapfen 8 gelagert sind. Daraus resultiert eine hohe Stabilität der dargestellten Kurbelwellenanordnung 1 bei geringer Belastung der einzelnen Bauteile während der Bewegungs- bzw. Energieumwandlung.
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Die mehreren Druckrollen 9 des Mitnehmerteils 5 lassen es bei einer entsprechenden Steuerung bzw. Regelung der aufeinander abgestimmten Bewegung von Drucksegment 3 und Kurbelwelle 2 bedarfsweise zu, dass bei der Rotation der Kurbelwelle 2 mehrere Drucksegmente 3 gleichzeitig gegen ein Mitnehmerteil 5 wirken. Um die Steuerung bzw. Regelung zu vereinfachen, ist es jedoch vorzugsweise vorgesehen, dass jedes Mitnehmerteil 5 periodisch bzw. zyklisch lediglich mit einem Drucksegment 3 in Wirkkontakt tritt.
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Wie sich aus 6 ergibt, können mehrere längs der Kurbelwellenachse gegenüberliegend angeordnete Drucksegmente 3 vorgesehen sein. Es können gegenüberliegend paarweise zusammenwirkende Drucksegmente 3 vorgesehen sein, wobei jeweils zwei zusammenwirkende Drucksegmente 3 auf einer gemeinsamen Querachse angeordnet sind. Ebenso ist es möglich, dass gegenüberliegend angeordnete Drucksegmente 3 in Längsrichtung der Kurbelwelle 2 versetzt zueinander angeordnet sind. Um einen Umlauf der Kurbelwelle 2 zu gewährleisten, ist wenigstens ein Drucksegment 3 erforderlich, das über ein Mitnehmerteil 5 die Kurbelwelle 2 antreibt. Durch Vergrößerung der Anzahl der Drucksegmente 3 kann bei ausreichend hoher Eingangsleistung die Ausgangsleistung bei der Energieumwandlung vergrößert werden.
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Gemäß 6 weist die Kurbelwellenanordnung 1 wenigstens zwei Mitnehmerteile 5 auf, die um 180° versetzt zueinander an der Kurbelwange 8 festgesetzt sind. Dadurch wird gewährleistet, dass bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 2 stets lediglich ein Mitnehmerteil 5 mit einem Drucksegment 3 in Wirkkontakt tritt. Grundsätzlich können jedoch auch mehrere Mitnehmerteile 5 vorgesehen sein, die vorzugsweise nachfolgend in die Kurvenbahn 6 eines Drucksegmentes 3 einlaufen und nachfolgend in Wirkkontakt mit dem Drucksegment 3 gelangen.
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Wie sich weiter aus 6 ergibt, ist der Mittelpunkt M1 der Kurvenbahn 6 des rechten Drucksegmentes 3 gegenüber dem Drehpunkt M der Kurbelwelle 2 nach unten und der Mittelpunkt M2 der Kurvenbahn 6 des linken Drucksegmentes 3 gegenüber dem Drehpunkt M der Kurbelwelle 2 nach oben versetzt angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass der resultierende Kraftvektor der im Kontaktpunkt P wirkenden Druckkraft FR über die gesamte Länge der Kurvenbahn 6, über die das Mitnehmerteil 5 mit dem Drucksegment 3 in Kontakt steht, nicht auf der Geraden G durch den Drehpunkt der Kurbelwelle 2 und den Kontaktpunkt P liegt. Im Ergebnis durchläuft das Mitnehmerteil 5 beim Ablaufen auf der Kurvenbahn 6 keinen Totpunkt, an dem der resultierende Kraftvektor der Druckkraft FR genau auf der Geraden G liegt bzw. mit der Geraden G fluchtet und die Antriebskraft FA den Wert Null annimmt.
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Die Verschiebung des Drehpunktes M der Kurbelwelle
2 relativ zum Mittelpunkt M1 der Kurvenbahn
6 ist in
7 schematisch dargestellt. Der jeweils für eine kinematische Kopplung erforderliche Hub H ist vom Kurbelwellenwinkel φ abhängig, wobei die vorgenannte Abhängigkeit beschrieben wird durch nachfolgende Gleichung:
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Der Kurbelwellenwinkel φ beschreibt dabei einen Winkel zwischen der Geraden G durch den Drehpunkt M der Kurbelwelle und den Kontaktpunkt P von Mitnehmerteil 5 und Drucksegment 3 und einer Geraden L, die durch den Anfangspunkt und den Endpunkt der Kurvenbahn 6 verläuft und tangential an das Drucksegment 3 gelegt ist. Die Gerade L verläuft parallel zu einer Senkrechten durch den Drehpunkt M der Kurbelwelle 2.
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In 7 beschreibt die Länge a den Abstand des Mittelpunkts M3 des Mitnehmerteils 5 von dem Drehpunkt M der Kurbelwelle 2. Die Länge b beschreibt den Radius des Mitnehmerteils 5 bzw. der Druckrolle 10. Die Länge c beschreibt den Radius der Kurvenbahn 6. Wie 7 weiter zeigt, ist der Drehpunkt M der Kurbelwelle 2 in vertikaler Richtung um einen festen Betrag S und in horizontaler Richtung um den Hub H gegenüber dem Mittelpunkt M1 der Kurvenbahn 6 verschoben, wobei der Hub H abhängig vom Kurbelwellenwinkel φ ist. In einer Ausgangsstellung des Drucksegmentes 3, in der der Hub H einen Wert von Null annimmt, liegen der Drehpunkt M der Kurbelwelle 2 und der Mittelpunkt M1 der Kurvenbahn 6 auf einer gemeinsamen Senkrechten. Bei rein translatorischer Verstellbewegung des Drucksegmentes 3 während der Bewegungsumwandlung bzw. Energieumwandlung von Translationsenergie in Rotationsenergie ist der vertikale Versatz S konstant.
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Der Radius der Kurvenbahn 6, der in 7 der Länge c entspricht, ist somit bei jedem Kurbelwellenwinkel ρ größer als der Abstand vom Drehpunkt M der Kurbelwelle 2 zum Kontaktpunkt P, wobei der Abstand in 7 der Länge a + b entspricht. Der Drehpunkt M der Kurbelwelle 2 und der Mittelpunkt M1 der Kurvenbahn 6 fallen im Ergebnis nicht zusammen, so dass über die gesamte Kontaktzeit zwischen dem Mitnehmerteil 5 und dem Drucksegment 3 eine resultierende Druckkraft FR auf den Kontaktpunkt P einwirkt, deren Antriebskraftkomponente FA zu einer Drehbewegung des Mitnehmerteils 5 und damit der Kurbelwelle 2 führt. Es versteht sich, dass die Kontur der Kurvenbahn 6 entsprechend ausgebildet sein muss.
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Nicht dargestellt ist, dass die Kurvenbahn 6 auch halbkreisförmig sein kann, wobei der Radius der Kurvenbahn 6 im Wesentlichen dem Abstand vom Drehpunkt M der Kurbelwelle 2 zum Kontaktpunkt P zwischen Drucksegment 3 und Mitnehmerteil 5 entspricht und wobei der Drehpunkt M der Kurbelwelle 2 und der Mittelpunkt M1 der Kurvenbahn 6 zusammenfallen. Hier wird jedoch ein Totpunkt bei Rotation des Mitnehmerteils 5 um den Drehpunkt M erreicht, der bei einem Kurbelwellenwinkel φ von ca. 90° liegen kann. Bevor das Mitnehmerteil 5 bei der Rotation der Kurbelwelle 2 den Flucht- oder Totpunkt erreicht, wird das Drucksegment 3 vorzugsweise um den bis dahin ausgeführten Hub H oder darüber hinaus zurückgestellt.
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In den 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform einer Kurbelwellenanordnung 1 gezeigt, wobei wenigstens zwei Mitnehmerteile 5 vorgesehen sind, um bei der Bewegungsumwandlung eine Energieübertragung zwischen zwei Drucksegmenten 3 und der Kurbelwelle 2 zu ermöglichen. Die Mitnehmerteile 5 werden gebildet durch Kurbelzapfen 9 mit Rollen 10, wobei die Kurbelzapfen 9 in Umfangsrichtung um 180° versetzt bzw. gegenüberliegend an einer Kurbelwange 8 festgelegt sind. Die Rollen 10 sind drehbar an den Kurbelwellenzapfen 9 gelagert. Bei rotierender Kurbelwelle 2 liegt jedes Drucksegment 3 jeweils gegen die Rolle 10 eines Mitnehmerteils 5 unmittelbar an.
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8 zeigt die Kurbelwellenanordnung 1 in einer Ansicht auf die Mitnehmerteile 5, wobei die Drucksegmente 3 in zwei Aufnahmestücken 11 in transversaler Richtung 4 bewegbar geführt sein können. Für eine Verstellbewegung der Drucksegmente 3 wird eine Verstellkraft FR mit einem nicht im Einzelnen dargestellten Antrieb auf die Drucksegmente 3 aufgebracht, die zu einer Verstellung beider Drucksegmente 3 in Richtung zur Kurbelwelle 2 hin führen. Dadurch werden die Mitnehmerteile 5 und damit die Kurbelwelle 2 in Drehrichtung 7 angetrieben.
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Nachdem ein Mitnehmerteil 5 die Kurvenbahn 6 eines Drucksegmentes 3 durchlaufen hat, was einer halben Umdrehung der Kurbelwelle 2 entspricht, wird das betreffende Drucksegment 3 um mindestens den ausgeführten Hub in die Ausgangslage zurückgestellt, bevor das nächste Mitnehmerteil 5 in die Kurvenbahn 6 des betreffenden Drucksegmentes 3 einläuft und in Kontakt mit dem betreffenden Drucksegment 3 tritt. Wenn das zweite Mitnehmerteil 5 mit dem betreffende Drucksegment 3 in Kontakt tritt, wird dieses erneut mit einer Verstellkraft eines nicht dargestellten Antriebs in Richtung zur Kurbelwelle 2 hin verstellt, um eine Druckkraft FR auf das zweite Mitnehmerteil 5 erzeugen und die Kurbelwelle 2 antreiben zu können. Zur Lagerung der Kurbelwelle 2 ist ein Lagerbock 14 vorgesehen.
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Zur Zurückstellung der Drucksegmente 3 können zwei Nockenläufer 12 vorgesehen sein, die an der Kurbelwange 8 festgesetzt sind und bei Drehung der Kurbelwelle 2 mit Abdruckrollen 13 in Kontakt treten, was zu einem Zurückstellen der Drucksegmente 3 über eine mechanische Kopplung führt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, die Zurückstellbewegung der Drucksegmente 3 über vorzugsweise als Kolben-Zylinder-Aggregate ausgebildete Antriebe zu bewerkstelligen, wobei die Antriebe durch entsprechende Beaufschlagung eine Verstellbewegung der Drucksegmente 3 in Richtung zur Kurbelwelle 2 hin oder von der Kurbelwelle 2 weg bewirken können.
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An der Rückseite der Kurbelwange 8 sind um 180° in Umfangsrichtung gegenüber den beiden vorderseitigen Mitnehmerteilen 5 versetzt angeordnete weitere Mitnehmerteile vorgesehen, die mit weiteren Drucksegmenten 3 zusammenwirken können.
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Gemäß 9 kann ein Nockenring 15 vorgesehen sein, der über eine Kurbelwange 16 mit der Kurbelwelle 2 verbunden ist und zur Antriebssteuerung der für die Verstellbewegung des oder der Drucksegmente 3 vorgesehenen Antriebseinheit bzw. zur Steuerung der Beaufschlagung der Antriebseinheit mit einem Arbeitsmedium mit einer Rolle 17 einer Ventileinheit 18 zusammenwirkt, wobei die Ventileinheit 18 die Versorgung der Antriebseinheit mit dem Arbeitsmedium steuert.
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In den 10 und 11 ist schematisch ein Solarthermie-System 19 zur gekoppelten Erzeugung von Strom und Heizwärme unter Verwendung eines ORC-Kreisprozesses dargestellt. Das System 19 weist einen Arbeitskreis 20 auf, der ein ORC-Arbeitsmedium, vorzugsweise ein Kühlmittel mit niedrigem Siedepunkt, führt. Darüber hinaus sind ein Motor 21 und ein nicht dargestellter Generator vorgesehen. Der Arbeitskreis 20 weist einen ersten Wärmeübertrager 22 und zwei Überhitzer 23 auf, wobei das Arbeitsmedium durch Wärmeübertragung im Wärmeübertrager 22 und in den beiden Überhitzern 23 verdampft und überhitzt wird. Dies führt zu einer Druckerhöhung des Arbeitsmediums. Die Druckenergie kann in Form von Volumenänderungsarbeit bei der Expansion des Arbeitsmittels an den Motor abgegeben werden. Beispielsweise ist es möglich, dass das Arbeitsmedium bei Expansion Energie als Volumenänderungsarbeit an einen Kolben einer Kolben-Zylinder-Anordnung des Motors oder an ein sonstiges bewegbares Teil, das mechanische Arbeit verrichten kann, überträgt.
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Das Arbeitsmedium kann beispielsweise über eine Leitung in einen Arbeitsraum eines Druckzylinders einer Kolben-Zylinder-Anordnung gelangen. Das expandierende Arbeitsmedium gibt dabei Energie als Volumenänderungsarbeit an den Kolben ab, was unter Verrichtung von Arbeit zu einer Bewegung des Kolbens führt. Der aufgrund der abgegebenen Volumenänderungsarbeit bewegte Kolben bzw. das bewegte sonstige Teil des Motors erzeugt eine Druckkraft auf ein Drucksegment 3 einer in den 10 und 11 nicht dargestellten Kurbelwellenanordnung 1 der oben anhand der 1 bis 9 beschriebenen Art. Die Kurbelwellenanordnung 1 ist zur Umwandlung einer Bewegung des Drucksegmentes 3 in eine rotatorische Bewegung einer Kurbelwelle 2 ausgebildet. Von der Kurbelwelle 2 wird dann Bewegungsenergie in Form von Wellenarbeit an den Generator übertragen und von dem Generator in elektrische Energie umgewandelt. Durch Erzeugen entsprechender Rückstellkräfte wird der Kolben zurückbewegt, wobei eine geeignete Steuerung derart vorgesehen sein kann, dass der Kolben eine periodische Hubbewegung ausführt, die an das Drucksegment 3 übertragen wird. Zwischen den beiden Überhitzern 23 ist ein Speicherbehälter 23a für das Arbeitsmedium vorgesehen. Dies trägt zu einem vereinfachten Ausgleich von Wärmeschwankungen bei und ermöglicht eine gleichbleibende Höhe der erzeugten Strommenge.
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Darüber hinaus weist das System 19 einen thermischen Solarkreis 24 auf, der eine Solarflüssigkeit führt und an ein Solarkollektorfeld 25 mit einer Mehrzahl von Solarkollektoren 26 angeschlossen ist. Der Solarkreis 24 ist über einen zweiten Wärmeübertrager 27 mit einem ein Speichermedium, vorzugsweise Wasser, führenden und einen Speichermediumbehälter 28 aufweisenden Speicherladekreis 29 gekoppelt. Der Speicherladekreis 29 seinerseits ist für eine Wärmeübertragung an das Arbeitsmedium über den ersten Wärmeübertrager 22 und die beiden Überhitzer 23 mit dem Arbeitskreis 20 gekoppelt.
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Das Solarkollektorfeld 25 gibt über den mit Solarflüssigkeit gefüllten thermischen Solarkreis 24 und den zweiten Wärmeübertrager 27 thermische Energie bzw. Wärme an den mit Wasser betriebenen Speicherladekreis 29 ab. Durch die Wärmeenergie wird das Speichermedium erwärmt der Speichermediumbehälter 28 energetisch aufgeladen.
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In dem thermischen Solarkreis 24 wird mittels Hochleistungsvakuumröhren Heißwasser auf einem Temperaturniveau von vorzugsweise 70 bis 120°C produziert. Dieses wird zur Stromerzeugung im ORC-Arbeitskreis 20 benötigt. Ab einer Temperatur von beispielsweise 70°C ist eine Wärmeübertragung vom Speichermedium des Speicherladekreises 29 an das Arbeitsmedium des Arbeitskreises 20 im ersten Wärmeübertrager 22 und in den beiden Überhitzern 23 vorgesehen, was zur Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsmittels führt. Die Abbruchtemperatur für die Wärmeübertragung an den ORC-Arbeitskreis 20 kann ca. 5°C geringer sein als die Minimaltemperatur für die Wärmeübertragung, also beispielsweise ca. 65°C betragen. Das Speichermedium des Speicherladekreises 29 kann bei geringeren Temperaturen zur Wärmeübertragung an den Heizkreis 30 genutzt werden, wofür wenigstens ein dritter Wärmeübertrager 31 vorgesehen ist. Der Heizkreis 30 ist an ein Heizungssystem 32 gekoppelt. Im Ergebnis lässt sich die im ORC-Prozess nicht nutzbare thermische Energie des Solarkreises 24 bedarfsweise zur Erwärmung eines Gebäudes und/oder zur Warmwassererzeugung einsetzen.
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Über eine Bypassleitung ist es zudem möglich, das Speichermedium des Speicherladekreises 29 nach der Erwärmung im zweiten Wärmeübertrager 27 am Speichermediumbehälter 28 vorbei direkt zur Wärmeübertragung an das Arbeitsmedium des Arbeitskreises 20 im ersten Wärmeübertrager 22 und in den beiden Überhitzern 23 zu nutzen.
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Bei der Wärmeübertragung wird das Arbeitsmedium in den beiden nachgeschalteten Überhitzern 23 überhitzt. Hierbei kommt es zu einer starken Druckerhöhung, so dass die Überhitzer 23 als Hochdruckwärmetauscher ausgebildet sind.
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Das Arbeitsmedium wird nach der Expansion in den dem Motor 21 nachgeschalteten Niedertemperaturwärmetauschern 33a, 33b abgekühlt und in einem vierten Wärmeübertrager 34 kondensiert. Das verflüssigte Arbeitsmittel wird in einem Sammelbehälter 35 gesammelt und mit einer Pumpe 36 über ein Dreiwegeventil 37 dem ersten Wärmeübertrager 22 und den beiden Überhitzern 23 zur Verdampfung und Überhitzung zugeführt. Das Arbeitsmedium des Arbeitskreises 20 kann nach dem Austritt aus dem Sammelbehälter 35 zur Vorwärmung über die beiden dem Motor 21 benachbarten Niedertemperaturwärmeübertrager 33a zum ersten Wärmeübertrager 22 geführt werden.
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Wie sich weiter aus den 10 und 11 ergibt, ist der Arbeitskreis 20 über den Sammelbehälter 35, die beiden nachgeschalteten Niedertemperaturwärmeübertrager 33b und den vierten Wärmeübertrager 34 als Kondensator des ORC-Kreisprozesses mit einem ein Kühlmedium führenden Kühlkreis 38 verbunden. Bei dem Kühlmedium handelt es sich vorzugsweise um Wasser. Der Kühlkreis 38 weist einen Kühlmediumbehälter 39 auf. Der Kühlkreis 38 ist über eine Hochtemperatur-Wärmepumpe 40 mit dem Speicherladekreis 39 gekoppelt. Mit Hilfe der Wärmepumpe 40 wird der Kühlmediumbehälter 29 gekühlt und die dabei entstehende Wärme kann der Gebäudeheizung oder einem Wärmkreislauf zugeführt werden. Alternativ ist es möglich, das Kühlmedium des Kühlkreises 38 über einen Lüfter 41 zu kühlen.
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Das Kühlen des Kühlmediums unter Verwendung der Wärmepumpe 40 ermöglicht aufgrund tieferer Kondensationstemperaturen des Arbeitsmittels eine höhere Energieausbeute für den Kraftprozess. Andererseits wird die für die Wärmepumpe 40 erzeugte Wärme auf einem hohen Temperaturniveau für die Beheizung oder Warmwasserbereitung zu Verfügung gestellt. Der zur Stromerzeugung vorgesehene ORC-Prozess trägt aufgrund seines hohen Wirkungsgrades zu einem hohen Gesamtwirkungsgrad des dargestellten Solarthermie-Systems 19 bei und gewährleistet eine hohe Wirtschaftlichkeit bei der gekoppelten Erzeugung von Strom zur Eigennutzung oder zur Netzeinspeisung und von Heizenergie zur Gebäudeheizung oder Warmwasserbereitung. Der Speicherladekreis 29 mit dem Speichermediumbehälter 28 ermöglicht eine bedarfsabhängige Stromerzeugung bei vorzugsweise gleichbleibender Strommenge, beispielsweise dann, wenn der Heizbedarf gering ist, insbesondere im Sommer, und/oder zu Tages- oder Nachtzeiten, in denen die Solarkollektoren 26 aufgrund mangelnder oder nicht vorhandener Sonneneinstrahlung keine Energie liefern. Ein Ganztagesbetrieb des dargestellten Solarthermie-Systems ist dabei bevorzugt.
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Das dargestellte Solarthermie-System 19 ist vorzugsweise ausgelegt auf eine elektrische Leistung von weniger als 50 kW, insbesondere 5 bis 15 kW. Entsprechend der Leistungsanforderung sind die einzelnen Bauteile und Baugruppen des Solarthermie-Systems 19 gegebenenfalls mehrfach vorzusehen. Die vorstehenden Merkmale können entsprechend auch verwirklich sein bei einem System zur Erzeugung von Strom durch Kopplung an einen ORC- oder Kalina-Kreisprozess, wobei an der Stelle von Solarwärme oder ergänzend Abwärme aus einer anderen Wärmequelle zur Stromerzeugung genutzt werden soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006012326 A1 [0018, 0019, 0020]
