DE3826117A1 - Waermekraftmaschinenanordnung - Google Patents
WaermekraftmaschinenanordnungInfo
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Description
Es sind eine Reihe von Motoren und Verbrennungssysteme be
kannt, mit welchen gespeicherte Sonnenenergie in Form von
Öl, Erdgas oder Kohle (fossile Brennstoffe) nutzbar einge
setzt werden. Bis heute ist es jedoch nicht gelungen, den
Wirkungsgrad weit über die 50% Marke zu bringen. Mit an
deren Worten bedeutet dies, daß ca. 50-80% der begrenzt
vorhandenen Energievorräten nur für die unerwünschte Auf
heizung der Umgebung verwendet wird. Diese nicht zu recht
fertigende Vergeudung an Ressourcen war Anlaß für die nach
stehend beschriebene Erfindung.
Grundsätzlich muß gesagt werden, daß eine 100%ige Umset
zung der Energie nicht möglich ist und zwar aus zweierlei
Gründen:
1. Der thermische Wirkungsgrad für CARNOT-Kreisprozesse berechnet sich nach der Formel:
1. Der thermische Wirkungsgrad für CARNOT-Kreisprozesse berechnet sich nach der Formel:
das heißt: = 0, und dies ist nur möglich, wenn To
gegen unendlich läuft. Da es aber keine unendlich hohe
Temperatur gibt, ist der Wert 1 nie zu erreichen.
2. Nur die Exergie eines Brennstoffes und nicht dessen Brenn wert ist bei absolut verlustfreier Umsetzung zu erreichen.
2. Nur die Exergie eines Brennstoffes und nicht dessen Brenn wert ist bei absolut verlustfreier Umsetzung zu erreichen.
Der Wirkungsgrad der nachstehend beschriebenen erfindungsge
mäßen Wärmekraftmaschinenanordnung hängt in erster Linie von
der Temperaturdifferenz zwischen unterer und oberer Temperatur
(Tu und To) des Systems ab.
Es ist aufgebaut auf dem Gedanken des STIRLING-Motors,
welcher bei niederer Temperatur verdichtet und bei hoher
Temperatur expandiert. Je größer die Temperaturen von
Kompression und Expansion voneinander entfernt liegen,
desto höher ist der rein rechnerische thermische Wirkungs
grad nach CARNOT. Der CARNOT-Kreisprozeß in abgewandel
ter Form, nämlich mit 2 Isothermen und 2 Isochoren, stellt
den vergleichbaren Idealprozeß dar.
Jeder Wärmetausch bedeutet ein bestimmtes Maß an Exergie
verlust, der auch bei der vorliegenden Wärmekraftmaschinen
anordnung nicht zu verhindern ist. Jedoch muß erwähnt werden,
daß eine Temperaturerhöhung infolge Reibung von zB. Arbeits
medium mit Wärmetauscherwänden innerhalb der isochoren Be
grenzung zu einer Druck- und Temperaturerhöhung des Arbeits
mediums führen und somit das Temperaturgefälle in den Wärme
tauschern, welches für die Wärmeübertragung entscheidend ist,
mindern. Der Wirkungsgrad der neuen Wärmekraftmaschinenan
ordnung wird letztlich nur durch die Schmelztemperatur des
Werkstoffes an der heißesten Stelle in der Anordnung begrenzt.
Weiterhin ist es für einen Motor mit optimalem Wirkungsgrad
von Bedeutung, daß auch die Teil-Elemente mit höchstem
Wirkungsgrad ausgeführt sind.
Zur Lösung der Aufgabe, eine
Wärmekraftmaschine mit optimalem Wirkungsgrad zu schaffen,
dienen die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale.
Mit einer solchen Ausgestaltung einer Wärmekraftmaschinenan
ordnung wird auch der Vorteil erzielt, daß einerseits in dem
erfindungsgemäß vorgesehenen geschlossenen Prozeß sowohl Ab
wärme als auch Abgaswärme eines anderen bekannten Aggregates
genutzt werden, wobei andererseits die Strömungsenergie des
offenen Prozesses noch gesondert genutzt werden kann.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten des Erfindungskomplexes
sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 ein allgemeines Schema der Wärmekraftmaschinenan
ordnung,
Fig. 2 die konstruktive Teildarstellung einer allgemeinen
Wärmekraftmaschinenanordnung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Variante einer erfindungsgemäßen Wärmekraft
maschinenanordnung mit Ausnutzung von Solarenergie,
Fig. 4 eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Wärme
kraftmaschinenanordnung in Verbindung mit einer her
kömmlichen Brennkraftmaschine unter Ausnutzung
deren Abgas- und Kühlerwärme.
Fig. 3a eine Variante einer erfindungsgemäßen Wärmekraft
maschinenanordnung mit Ausnutzung der Solarenergie,
dessen Speicherung und den Betrieb über den Speicher.
Fig. 5 konstruktive Teildarstellung eines gekapselten Verdichters,
Fig. 6 konstruktive Teildarstellung eines Kondensators,
Fig. 7 konstruktive Querschnittdarstellung eines Kondensators,
Fig. 8a Längsschnitt durch einen Medientrenner,
Fig. 8b Querschnitt durch einen Medientrenner,
Fig. 9a Längsschnitt durch einen Medientrenner,
Fig. 9b Querschnitt durch einen Medientrenner,
Fig. 10 vergrößertes Teilsegment eines Medientrenners,
Fig. 11 Gebläse mit längs geteiltem Gehäuse,
Fig. 12 Gebläse mit quer geteiltem Gehäuse,
Fig. 13 Gebläse mit längs geteiltem Gehäuse,
Fig. 14 Gebläse mit quer geteiltem Gehäuse,
Fig. 15 Querschnitt durch einen Gebläseblock, wobei Achse
einteilig ausgeführt,
Fig. 16 Querschnitt durch einen Gebläseblock, wobei Achse
mehrteilig ausgeführt ist,
Fig. 17 Längsschnitt durch einen isolierten Wärmetauscher,
Fig. 17a mögliche Ausbildung einer gekühlten Absorberfläche
für Strahlungswärme,
Fig. 17b Querschnitt einer möglichen gekühlten Absorberfläche,
Fig. 18 schematische Darstellung eines Wärmetauscherblockes
mit integrierten Gebläseeinheiten,
Fig. 19a Längenanpassungselement,
Fig. 19b Längenanpassungselement,
Fig. 20 Querschnitt durch eine herkömmliche Brennkraft
maschine mit integrierter Kühlung,
Fig. 21 Expansorkolbenpaar im Längsschnitt,
Fig. 22a Zusammenwirken von Verdichter und Expansor als
kleinste Wärmekraftmaschinenanordnung,
Fig. 22b Zusammenwirken von Verdichter und Expansor als
kleinste Wärmekraftmaschinenanordnung,
Fig. 23a Zusammenwirken von zwei Verdichtern und zwei
Expansoren,
Fig. 23b Zusammenwirken von zwei Verdichtern und zwei
Expansoren,
Fig. 24a Querschnitt durch eine doppelte Vakuumisolierung,
Fig. 24b Durchdringung durch eine doppelte Vakuumisolierung,
Fig. 25a Ausschnitt aus einer Platten-Vakuumisolierung,
Fig. 25b Teilquerschnitt durch eine Platten-Vakuumisolierung,
Fig. 25c Ecke einer Platten-Vakuumisolierung,
Fig. 26 Längsschnitt durch einen kerbarmen Kolben,
Fig. 27 Querschnitt durch einen isolierten Brenner,
Fig. 28 Längsschnitt durch einen isolierten Brenner,
Fig. 29 Festkörperdosiereinrichtung im Längsschnitt,
Fig. 30 beheizbare Einspritzpumpe,
Fig. 31 gekühlter Aschekasten,
Fig. 1 stellt ein vereinfachtes Ablaufschema der Wärme
kraftmaschinenanordnung dar. Es zeigt vier Zylinder 1-4,
von denen die Zylinder 1 und 2 einen sogenannten "kalten
Raum" und die Zylinder 3 und 4 einen sogenannten "heißen
Raum" zugehörig sind. Die Zylinder 1-4 arbeiten um 180°
zueinander versetzt, was jeweils an den oberen und unteren
Kolbenstellungen erkennbar ist. Als Arbeitsräume wurden
zylindrische Räume, welche sich in ihrer Größe verändern
können, gewählt. Die zylindrische Ausbildung der Räume
dient letztlich einer besseren Veranschaulichung, die Räu
me sind in ihrer zylindrischen Form nicht prinzipbedingt.
Das Arbeitsmedium wird diskontinuierlich über ein Ventil 5
angesaugt. Das Volumen des als Kompressor dienenden Zylin
ders 2 vergrößert sich von der oberen Totpunktlage des Kol
bens im Zylinder 2 bis hin zur unteren Totpunktlage des Kol
bens. Nach dem Füllen des Zylinders 2 schließt das Einlaß
ventil 5. Das gasförmige Arbeitsmedium ist nun vollkommen
abgeschlossen. Uber ein Einspritzventil 8, welches druck
wellengesteuert öffnet, wird Kältemittel, welches mittels
einer Einspritzpumpe 7 dosiert und auf den nötigen Druck
gebracht wurde, in den abgeschlossenen Raum des Kompressor
-Zylinders 2 mit Überdruck gespritzt. Es wird jeweils so
viel an Kältemittel in den Kompressor gespritzt, wie auf
Grund der Zustandsänderung des Arbeitsmediums auch zu
Kühlzwecken verdampfen kann. Beim Öffnen eines Auslaß
ventiles 6 endet die Einspritzung von Kältemittel.
Nach Öffnen des Auslaßventiles 6 wird das verdichtete
Arbeitsmedium mit dem Kältemitteldampf solange ausgescho
ben, bis der Kolben im Zylinder 2 seine obere Totpunkt
lage erreicht hat. Das Auslaßventil 6 schließt und das
Einlaßventil 5 öffnet sich für das nächste Füllen. Das Ge
misch aus Arbeitsmedium und Kältemitteldampf strömt in
einen Kühler 9 an der Einlaßstelle 11. Die Kühlluft 10
unterkühlt das Gemisch derart, daß das Kältemittel voll
kommen kondensiert. Es verläßt den Kühler 9 an der Aus
laßstelle 12. Das Kältemittel ist im Kühler 9 vollkommen
kondensiert und zum Teil auch schon abgeleitet worden, an
der Stelle 12. Das Gemisch aus Arbeitsmedium und Kälte
mittel, welches schon deutlich reduziert ist, verläßt den
Kühler 9 an der Auslaßstelle 14 und strömt direkt in einen
Medientrenner 13. Hier wird das Gemisch aus Gas und Kälte
mittel vollkommen voneinander getrennt. Das Kältemittel
verläßt den Medientrenner 13 an der Auslaßstelle 15 und
fließt zusammen mit dem vom Kühler 9 abgeschiedenen Kälte
mittel in den Sammelbehälter 16. Die Einspritzpumpe 7 saugt
aus dem Sammelbehälter 16 an der Auslaßstelle 17 das Kälte
mittel an, um es erneut in den nun geschlossenen Kältemit
telkreislauf in die Verdichter 1, 2 zu Kühlzwecken einzu
spritzen. Grundsätzlich ist für jeden Kompressor 1 bzw. 2
ein gesondertes Kältemittel anwendbar.
Aus Vereinfachungsgründen wurde der Kältemittelkreislauf
nicht weiter unterteilt. In der Einspritzpumpe 7 sind in
den Kammern 18 und 19 weitere Unterteilungsmöglichkeiten
angedeutet. In diesem dargestellten Fall werden jedoch die
Ansaugleitung von 17 bis 18 und 19 als eine Leitung darge
stellt, da auch nur ein Kältemittelkreislauf dargestellt
werden sollte. Ebenso bei der Druckleitung, welche zu den
Kompressoren führt.
Das von Kältemittel vollkommen befreite Arbeitsmedium
strömt nun vom Medientrenner 13 in eine Volumenverdränger
einheit 20. Diese Station ist für die Funktion des Kreis
prozesses nicht unbedingt notwendig, jedoch erleichtert
diese den Gastransport, ohne das Gas selbst zu verdichten.
Nach der Volumenverdrängereinheit 20 strömt nun das Arbeits
medium an der Stelle 22 in einen Regenerator 21 und verläßt
diesen wieder an der Stelle 23. Bei diesem Durchlauf durch
den Regenerator 21 nimmt das Arbeitsmedium diejenige Wärme
auf, welche das entspannte und abgearbeitete Arbeitsmedium,
welches auch durch den Regenerator 21 strömt, abgibt. Es
strömt an der Stelle 24 in den Regenerator 21 und ver
läßt diesen an der Stelle 25 abgekühlt. Das frische Ar
beitsmedium, welches den Regenerator 21 an der Stelle
23 verläßt, strömt wieder durch die Volumenverdränger
einheit 20.
An der Stelle 27 gelangt das regenerativ vorgeheizte Ar
beitsmedium in einen Brenner 26. Der Brenner 26 wird ge
speist mit Brennstoff an der Stelle 28. An der Stelle 29
wird in das nun hocherhitzte Arbeitsmedium zusätzlich Ar
beitsmittel gespritzt. Das Arbeitsmittel verdampft im Ar
beitsmedium und verhindert ein Durchbrennen der Trenn
wände. An der Stelle 30 verläßt nun das hocherhitzte Ar
beitsmedium, gemischt mit dem Arbeitsmitteldampf, den
Brenner 26. Vorgewärmte Luft strömt an der Stelle 32 in
den Brenner 26. Das Abgas des Brenners 26 strömt an der
Stelle 31 aus ihm heraus. Das Gemisch aus Arbeitsmedium
und gesättigtem Arbeitsmitteldampf strömt am Ventil 33
in den Vorraum 34 des Expansors 4.
Beim nächsten Arbeitstakt strömt das Gemisch über ein Ein
laßventil 35 in den Expansor 4. Das Volumen expandiert
und der mitgeführte Dampf des Arbeitsmittels kondensiert
vollkommen. Das Gemisch aus entspanntem Arbeitsmedium und
kondensiertem Arbeitsmittel verläßt den Expansor 4 über
ein Auslaßventil 36. Das Gemisch strömt in einen Medien
trenner 37. Hier wird das Arbeitsmittel vollkommen vom Ar
beitsmedium getrennt. Das Arbeitsmittel verläßt den Medien
trenner an der Stelle 38 und strömt an der Stelle 39 in
den Arbeitsmittelsammelbehälter 40. Diesen verläßt es an
der Stelle 41 und gelangt in die Einspritzpumpe 7 und
zwar in die Kammer 42 bzw. 43.
Auch hier besteht die Möglichkeit, zwei verschiedene Ar
beitsmittel einzusetzen. Dies wurde aus Vereinfachungs
gründen nicht vorgenommen. Das Arbeitsmittel wird mit
Hilfe der Einspritzpumpe druckwellengesteuert in den Bren
ner 26 an der Stelle 29 eingespritzt. Das Arbeitsmittel
durchläuft einen eigenen Kreislauf. Das entspannte Ar
beitsmedium kommt vollkommen trocken aus dem Medientren
ner 37 und strömt an der Stelle 24 in den Regenerator 21.
Diesen verläßt es an der Stelle 25, um erneut den Kreis
lauf am Einlaßventil 5 am Verdichter 2 zu durchlaufen.
Die vorgewärmte Verbrennungsluft, welche an der Stelle 32
in den Brenner 26 einströmt durchläuft vorher verschiedene
Stationen, die noch näher zu betrachten sind.
Die Verbrennungsluft strömt, von der Umgebung angesaugt,
in den Luftfilter 44 an der Stelle 45. An der Stelle 46
strömt nun die Luft um den sehr kalten Kompressorblock.
Das in der Luft enthaltene Wasser kondensiert oder gefriert
zum Teil an dem Kompressorblock 1 und 2. An der Stelle 47
verläßt die getrocknete und unterkühlte Luft den Kompressor
block 1 und 2 und strömt in eine Volumenverdrängereinheit
20, welche verhindert, daß sich der isochor aufbauende
Druck entgegen der Strömungsrichtung abbaut. Die Luft
strömt dann an der Stelle 48 in einen Luftvorwärmetauscher
50. Hier nimmt die frische Luft diejenige Wärme auf, welche
das Abgas beim Durchlaufen dieses Wärmetauschers 50 abgibt.
Da das Abgas bis auf Umgebungstemperatur heruntergekühlt
wird, kondensieren die sauren und wäßrigen Bestandteile,
da dies unterhalb des Taupunktes des Abgases geschieht.
Diese wäßrigen, sauren Bestandteile verlassen den Luftvor
wärmetauscher 50 an der Stelle 51 und werden separat aufge
fangen. Nach entsprechender Aufarbeitung der Flüssigkeiten,
lassen sich diese wieder industriell als Rohstoff verwerten.
Ein Besprühen des kühlen Abgases mit Wasser, um die sauren
Bestandteile herauszuwaschen, ist möglich, jedoch in dem Ab
laufschema nicht gesondert aufgegeben. Die vorgewärmte Luft
strömt an der Stelle 52 aus dem Luftvorwärmetauscher 50
heraus und in die Volumenverdrängereinheit 20 hinein, wel
che als Druckschleusen fungiert, um dann vorgewärmt an der
Stelle 32 in den Brenner 26 einzuströmen und mit dem Brenn
stoff aus der Zufuhr 28 zu reagieren.
Aus Vereinfachungsgründen ist vor dem Luftvorwärmetauscher
50 nur eine von mehreren Volumenverdrängereinheiten 20 und
entsprechend nur eine danach angedeutet; ebenso beim Regen
erator 21. In Wirklichkeit strömt das zu erhitzende Gas durch
die Volumenverdrängereinheit 20 und danach in den Wärmetau
scher 50, um anschließend wieder durch die Volumenverdrän
gereinheit 20 zurück in den Wärmetauscher zu strömen, um an
schließend nach der Volumenverdrängereinheit wieder in den
Wärmetauscher zu strömen. Die Wärmetauscherelemente werden
aus Platzgründen gebündelt übereinander angeordnet; ebenso
die Volumenverdrängereinheiten 20. Es ergibt sich somit eine
deutlich längere Strömungsstrecke und größere Wärmeübertra
gungsfläche. Um eine relativ kleine Grätigkeit der Wärme
tauscher zu bauen, ist eine große Übertragungsfläche not
wendig.
Das Wasser bzw. Eis am Kompressor 1,2 wird separat abgelei
tet bzw. gereinigt. Dies ist im Flußschema aus Vereinfachungs
gründen nicht dargestellt.
Die Fig. 2 stellt den gleichen Ablauf, wie bereits be
schrieben, konstruktiv dar. Die Zylinder 1 und 2 bilden
die Kompressoren und die Zylinder 3 und 4 die Expansoren.
Die Positionen von Fig. 1 wurden, soweit konstruktiv er
kennbar, mit gleicher Ziffer übernommen. Die Einspritz
pumpe 7 ist aus Vereinfachungsgründen nicht gesondert dar
gestellt.
In Fig. 3 wird ein weiterer Anwendungsfall der Wärme
kraftmaschinenanordnung dargestellt. Gleiche Elemente
wurden auch hier mit gleicher Position beziffert. Der Ab
lauf des Wärmesystems ist identisch mit dem bereits be
schriebenen gemäß Fig. 1. Unterschiedlich ist dabei, daß
der Luftvorwärmetauscher 50 und der Brenner 26 bei dieser
nachstehend zu erläuternden Anordnung erfindungsgemäß nicht
erforderlich sind. Nach dem Regenerator 21 durchströmt das
Arbeitsmedium die Volumenverdrängereinheit 20 und strömt
an der Stelle 27 in einen Solarabsorber 54. Hier nimmt das
Arbeitsmedium an einer Absorberfläche 55 die Wärme der
konzentrierenden Sonnenstrahlen 57 auf. Um ein Durchbrennen
dieser Absorberfläche 55 zu verhindern, wird zusätzlich Ar
beitsmittel an der Stelle 29 in den Solarabsorber 54 ge
spritzt. Das hocherhitzte Arbeitsmedium mit dem Arbeits
mitteldampf verläßt den Solarabsorber gesättigt an der Stel
le 30, um im Expansor 4 die Energie abzugeben. Der konzen
trierende Sonnenkollektor 56 übernimmt die Erzeugung der
hohen Temperatur. Sonstige Elemente der Wärmekraftmaschinen
anordnung wurden bereits erwähnt und in der Funktion be
schrieben.
Fig. 3a stellt eine Abwandlung von Fig. 3 dar. Die Ab
wandlung besteht in der zusätzlichen Nutzung der Solar
wärme in einem Zwischenspeicher 350 und den Betrieb der
Wärmekraftmaschinenanordnung vom Zwischenspeicher 350.
Die solargetriebene Wärmekraftmaschinenanordnung läßt
sich durch wegspiegeln oder abblenden der Lichtstrahlen
stillsetzen bzw. in der Leistung verändern.
Das Schema nach Fig. 3a zeigt eine weitere Anwendung
und Nutzung der kostenlosen Solarenergie.
Wird die elektrische Leistung der Kraftmaschinenanordnung
nicht benötigt, so ist diese stillzusetzen und auf Speicher
betrieb zu schalten. Während des Speicherbetriebes steht
die Wärmekraftmaschinenanordnung, wobei die Einstrahlung
auf den Solarabsorber nicht unterbrochen wird.
Die Arbeitsmittelpumpe 352 pumpt flüssiges Arbeitsmittel
in den Kühlmantel 355 des Solarabsorbers 54. An der Stelle
356 ist der Zufluß in den Kühlmantel.
Da der Solarabsorber weiter nicht gekühlt wird, erhöht
sich die Temperatur an der Absorberfläche 55. Das flüssige
Arbeitsmittel beginnt zu verdampfen. Ein nicht dargestelltes
eingebautes Druckventil legt die Verdampfungstemperatur des
Arbeitsmittels fest. Das überschüssige dampfförmige Arbeits
mittel entweicht an der Stelle 357 und strömt in den Druck
speicher 350 an der Stelle 360. Der Druckspeicher 350 ist
zur Umgebung hin sehr gut isoliert. Je aufwendiger der Druck
speicher isoliert ist, desto länger hält sich das Arbeits
mittel im dampfförmiger Phase.
Der Arbeitsmittelfüllstand im geschlossenen Kühlmantel ist
durch Niveauregulierung konstant zu halten. Die Flüssigkeits
pumpe 352 pumpt entsprechendes Arbeitsmittel nach.
Das Volumen des Druckspeichers 350 und die Menge an Arbeits
mittel ist entsprechend aufeinander abzustimmen.
Ist der Druckspeicher voll, ist entweder ein weiterer Druck
speicher zu füllen, oder die Einstrahlung auf den Solarab
sorber zu unterbinden. z.B. wegspiegeln oder abblenden.
Nach Beendigung der Ladephase ist der Kühlmantel um den
Solarabsorber wieder leerzupumpen.
Dies ist vorteilhaft, um ein weiteres Kühlen des Solarab
sorbers bei Betrieb der Wärmekraftmaschinenanordnung zu
unterbinden. Lediglich bei zu hoher Einstrahlungsintensität,
wo ein Durchschmelzen der Absorberfläche droht, ist die zu
sätzliche Kühlung über den Arbeitsmittelmantel angebracht.
In diesem Fall ist ein Laden des Speichers 350 parallel
zur laufenden Wärmekraftmaschinenanordnung möglich.
Fig. 17a und Fig. 17b zeigen eine mögliche konstruktive
Ausgestaltung des Solarabsorbers 54. Analog des in Fig. 3a
dargestellten Ablaufschemas sind die Bezugsziffern über
nommen.
Bei fehlender Sonneneinstrahlung (z.B. nachts) ist die
Wärmekraftmaschinenanordnung über den Speicher 350 zu
betreiben. Da hierfür der Solarabsorber 54 als Erhitzer
ausfällt, muß der Medienstrom über den Speicher 350 ge
lenkt werden.
Dies geschieht durch Umschalten des Zuflusses 27 in den
Solarabsorber 54 an der Stelle 371 und durch Umschalten
des Abflusses 30 vom Solarabsorber 54 an der Stelle 370.
Der erhitzende Wärmetauscher 351 liegt innerhalb des
Wärmespeichers 350. Dies ist notwendig, um das regene
rierte Arbeitsmedium vom Regenerator 21 auf Sättigungs
temperatur des Arbeitsmitteldampfes zu bringen.
Die unter dem Kapitel "Einspritzpumpe" später näher be
schriebene "Dampfdosierpumpe" 365 wird an die Einspritz
pumpe 7 gekoppelt, so daß diese synchron mitläuft. Die
Pumpenelemente 42 und 43 werden gleichzeitig entkoppelt
oder auf permanente Nullförderung gestellt.
Da der Druckspeicher zu Beginn des Speicherbetriebes
einen sehr hohen Druck aufweist, ist für jeden Arbeits
takt eine relativ kleine Volumenmenge an Dampf notwendig.
Dies wird durch Verdrehen des Nutzhubes über die äußere
Steuerkante von mindestens einem Pumpenkolben realisiert.
Die Funktion der Dampfdosierpumpe ist analog der Flüssig
keitspumpe aufgebaut. Lediglich die Zuführung des dosierten
Dampfes geschieht über gesteuerte Ventile an der Stelle 366.
Der Druck nach der Dosierpumpe sollte etwas höher als der
Innendruck des vorbeiströmenden Arbeitsmediums sein, damit
der Dampf in die vorbestimmte Richtung strömt.
Die Wärmekraftmaschinenanordnung arbeitet wie bereits be
schrieben. Jeder Volumeneinheit von Arbeitsmedium wird an
der Stelle 366 die entsprechende Dampfmenge zugeführt. Das
Arbeitsmedium wird zusammen mit dem Dampf im Expansor
expandiert und gelangt über den Medientrenner 37 wieder
zurück in den Regenerator 21.
Das flüssige Arbeitsmittel fließt zurück in den Sammelbe
hälter 40.
Der Druckspeicher verliert nach einer bestimmten Zeit
Wärme aufgrund des natürlichen Temperaturgefälles.
Das dampfförmige Arbeitsmittel kondensiert teilweise
auch innerhalb des Druckspeichers 350. Das Arbeitsmittel
kondensat sammelt sich unten und wird über die Leitung 375
abgelassen bzw. dem Arbeitsmittelsammelbehälter 40 zuge
führt.
In Fig. 4 wird ein weiterer Anwendungsfall für die
Wärmekraftmaschinenanordnung dargestellt. Zwei voneinan
der unabhängige Wärmekraftmaschinenanordnungen werden zur
Kühlung von Zylinderaußenwänden von Brennkraftmaschinen
60/61 und zur Nutzung deren heißer Abgase benutzt. Für
den 1. Wärmekreis stellt die Zylinderaußenwand der Ver
brennungsmaschinen 60/61 den Brenner dar. Der Brenner 26
entfällt für diesen ersten Wärmekreis.
An der Stelle 29 zwischen den Verbrennungsmotoren 60/61
wird soviel an Arbeitsmittel eingespritzt, wie zur sich
eren Außenkühlung der beiden Zylinder erforderlich ist.
Kriterium für die Auslegung der Arbeitsmittelmenge ist die
innere Wandtemperatur der Zylinder 60/61, welche den Schmier
ölfilm an keiner Stelle unterbrechen darf. Zur Orientier
ung kann die Außentemperatur der Zylinder von luftgekühl
ten Maschinen herangezogen werden. Der Wirkungsgrad dieses
1. Wärmekreises wird also von der zulässigen Wandtemper
atur der Brennkraftmaschinen 60/61 bestimmt. An der Stel
le 30 verläßt das Gemisch aus Arbeitsmedium und Arbeits
mitteldampf den Kühlsektor der Zylinderaußenwände und
strömt über das Ventil 33 in den Vorraum 34 des Expansors 4.
Der Kreis verläuft analog dem bereits beschriebenen.
Die erste Wärmekraftmaschinenanordnung nutzt noch zusätz
lich nach dem Regenerator 21 die Abwärme des Abgases in
einem Zwischenkühler 65. Um den gesättigten Zustand des
Gemisches aus Arbeitsmedium und Arbeitsmitteldampf auf
recht zu erhalten, wird das nötige Arbeitsmittel in den
Zwischenkühler nachgespritzt.
Der heiße Teil des Abgases wird vom zweiten Wärmekreis ge
nutzt. Das noch relativ warme Abgas wird erst dann noch
zum weiteren Vorheizen der ersten Wärmekraftmaschinenan
ordnung im Zwischenkühler 65 genutzt. Eventuell anfallen
des Kondensat des Abgases wird an der Stelle 51 in ein
Sammelbecken geleitet. Das abgekühlte Abgas verläßt an der
Stelle 49 den Zwischenkühler 65 und strömt in eine Abgas
turbine 66, wo es seine Druck- und Strömungsenergie ab
gibt. Infolge weiterer Taupunktsunterkühlung tritt an der
Abgasturbine 66 das Kondensat 51 in das Sammelbecken. Die
gewonnene Energie kann zur Stromerzeugung oder aber zur
Verdichtung des Verbrennungsgemisches oder Luft für den
Verbrennungsmotor 60/61 benutzt werden.
Die Verbrennungsluft strömt an der Stelle 45 in den Luft
filter 44. An der Stelle 46 strömt die Luft um den Kom
pressorteil 1/2 und wird dort unterkühlt. Wasser scheidet
sich aus bzw. gefriert an der Kompressoraußenwand 1/2 und
strömt an der Stelle 47 in den Saugstutzen der beiden Ver
brennungsmotoren 60/61. Der hier verwendete Verbrennungs
motor 60/61 kann zweckmäßig als Dieselmotor ausgebildet
sein. Zu erkennen ist dies an der Einspritzpumpe 7 und an
den Kammern 62/63, wo der Kraftstoff mittels Einspritz
pumpe 7 in die Zylinder 60/61 über die Einspritzdüsen
67/68 gespritzt wird.
Über die Abgasleitung 69 wird das Verbrennungsabgas in
einen Erhitzer 70 geleitet. Dort wird es heruntergekühlt
und strömt dann in den Zwischenkühler 65.
Die zweite Wärmekraftmaschinenanordnung arbeitet analog
der bereits beschriebenen Anordnung. Die einzelnen Elemente
werden mit gleicher Bezugsziffer, jedoch um 100 vergrößert
bezeichnet. Dies soll den Vergleich zwischen den einzelnen
Elementen und den Wärmekreisen erleichtern. Die nun fol
gende Beschreibung ist analog der bereits beschriebenen
Wärmekraftmaschinenanordnung zu verstehen.
In den Kompressor 1 wird das Arbeitsmedium über das Ein
laßventil 105 eingeleitet. Während der Verdichtung wird
Kältemittel von der Einspritzpumpe 7 über die Kammer 18
in den Kompressionsraum gespritzt. Das Gemisch aus Kälte
mitteldampf und Arbeitsmedium verläßt den Kompressor über
das Auslaßventil 106 und tritt an der Stelle 111 in den
Gesamtkondensator 9. Hier wird das Gemisch vollkommen
unterkühlt. Ein Teil des Kältemittels verläßt den Kon
densator 9 an der Stelle 112 in die Sammelleitung, die
zum Sammelbehälter des Kältemittels führt.
An der Stelle 114 tritt das zum Teil schon trockene Ar
beitsmedium in den Medientrenner 113. Nach vollkommener
Trennung von flüssiger und gasförmiger Phase gelangt das
Arbeitsmedium in die Volumenverdrängereinheit 120. Das
Kältemittel wird an der Stelle 115 über die Sammelleit
ung in den Sammelbehälter 116 geleitet, wo es an der
Stelle 117 von der Einspritzpumpe 7 angesaugt und über
die Kammer 18 und dem Einspritzventil 108 in den Kompres
sionsraum 1 gelangt. Die Kältemittel vom 1. und 2. Wärme
kreis können sich unterscheiden. Deshalb sind die getrenn
ten Sammelbehälter 16/116 vorgesehen. Jede Wärmekraft
maschinenanordnung hat seinen eigenen Kältemittelkreis
lauf.
Das Arbeitsmedium, welches sich auch in den einzelnen
Kreisen unterscheiden kann, strömt an der Stelle 122 in
den Regenerator 121 und verläßt diesen an der Stelle 123
und gelangt über die Volumenverdrängereinheit 120 an der
Stelle 127 in den Erhitzer 70. An der Stelle 129 wird zu
Kühlzwecken Arbeitsmittel in den Erhitzer 70 gespritzt.
An der Stelle 130 verläßt das Gemisch aus Arbeitsmedium
und gesättigtem Arbeitsmitteldampf den Erhitzer 70 und
gelangt über die Volumenverdrängereinheit 20 und dem Ein
laßventil 133 in den Vorraum 134 des Expansors 3. Über
das Einlaßventil 135 expandiert das inzwischen hocher
hitzte und gesättigte Arbeitsmedium. Der Dampf des Ar
beitsmittels kondensiert unter Wärmeabgabe.
Über das Auslaßventil 136 gelangt das vollkommen konden
sierte Arbeitsmittel mit dem Arbeitsmedium aus dem Expan
sor 3 in den Medientrenner 137. Hier wird das Arbeitsmit
tel vollkommen ausgeschieden und verläßt den Medientren
ner 137 an der Stelle 138 wo es dann an der Stelle 139 in
den Arbeitsmittelsammelbehälter 140 mündet. An der Stelle
141 wird es von der Einspritzpumpe 7 über die Kammer 42
angesaugt, um erneut in den Erhitzer 70 an der Stelle 129
eingespritzt zu werden. Der Arbeitsmittelkreislauf ist ge
schlossen. Das inzwischen vollkommen trockene Arbeitsme
dium strömt aus dem Medientrenner 137 aus und gelangt
an der Stelle 124 in den Regenerator 121, gibt dort seine
noch enthaltene Restwärme ab und tritt an der Stelle 125
aus dem Regenerator 121 aus, um am Einlaßventil 105 des
Kompressors 1 erneut den Kreislauf zu beginnen.
Die Verwendung von zwei Wärmekraftmaschinenanordnungen ist
sinnvoll, um das Maximum an Leistung zu erzielen. Nach
meinen Berechnungen ist bei dieser Anordnung im Leerlauf
max. mit 0,47, im Teillastbereich max. mit 0,53 und im
Vollastbereich max. mit 0,54 zu rechnen. Diese relativ
niedrigen Wirkungsgrade stellen im Vergleich zu heutigen
Brennkraftmaschinen zwar eine deutliche Verbesserung dar,
sind jedoch noch nicht das Maximum, welches nach der Ausge
staltung nach Fig. 1 möglich ist.
Hier werden die oberen Temperaturgrenzen gesetzt beim
1. Kreis durch den Ölfilm der Zylinderwände in den Ver
brennungsmotoren und beim 2. Kreis durch die Höhe der Ab
gastemperatur. Die Wärmekraftmaschinenanordnungen sind den
einzelnen Temperaturniveaus anzupassen, um in der Gesamt
betrachtung ein Optimum zu erzielen.
Noch zu erwähnen ist, daß alle Kompressoren, Expansoren
und Verbrennungsmaschinen an einer Kurbelwelle angeord
net sind und von zwei gemeinsamen Nockenwellen die Gas
prozesse gesteuert werden.
Mit der nach Fig. 1 geschalteten Wärmekraftmaschinenan
ordnung sind Wirkungsgrade von der Größenordnung 0,8 -
0,9 realistisch. Die Schmelztemperatur des Materials an
der heißesten Stelle begrenzt die Höhe des Gesamtwirkungs
grades. Die Wärmekraftmaschinenanordnung wird, wie be
schrieben, von mindestens einem geschlossenen Prozeß dar
gestellt. Als Arbeitsmedium können alle diejenigen Stoffe
verwendet werden, die innerhalb des Kreislaufes ihren
Aggregatzustand nicht verändern. Es sind z.B. Gase wie
Helium oder Wasserstoff als Arbeitsmedium denkbar, da sie
auf Grund ihrer erheblich geringeren Dichte gegenüber z.B.
Luft die Strömungsverluste in den Wärmetauschern gering
halten und ein gutes Wärmeleitvermögen mitbringen, was
sich günstig auf die Wärmeübertragung auswirkt.
Der geschlossene Gasprozeß besteht aus einem kalten und
heißen Raum. Verbunden sind beide Räume durch den Regen
erator und einem Wärmetauscher, wie z.B. Brenner.
Angetrieben wird der geschlossene Prozeß durch einen
offenen regenerativen Verbrennungsprozeß. Reqenerativ
deshalb, um die innere Energie der heißen Verbrennungs
gase auf die frische angesaugte Luft oder auf reinen Sauer
stoff zu übertragen. Die Luft oder Sauerstoff wird mittels
Drehkolbenschleusen weiterbefördert und erfährt auf
Grund der räumlichen Begrenzung durch die Drehkolbenschleu
sen eine isochore Verdichtung. Der Druck und die Tempera
tur erhöhen sich. Die Drehkolben befördern die Luft nur
bis zur Brennkammer, denn nach der Brennkammer stimmen
Druckgefälle und Strömungsrichtung wieder überein. Die
Drehkolben verdichten ihrerseits die Luft nicht, sondern
verhindern den Druckausgleich, der sich auf Grund des
Temperaturanstieges ergibt. In der Brennkammer können
neben gasförmigen und flüssigen Brennstoffen auch feste
Stoffe verbrannt werden. Ascherückstände können durch
diese äußere Verbrennung den Fluß der ablaufenden Kreis
prozesse nicht be- oder verhindern. Um die Strömungsener
gie des offenen Prozesses zu nutzen, läßt sich am Ende
der Luftregeneration eine Turbine nachschalten.
Die äußere Verbrennung richtet sich nach dem Lauf der
Drehkolbenschleusen und verläuft kontinuierlich pulsier
end. Die Reaktion zwischen Luft oder Sauerstoff einer
seits und dem Brennstoff andrerseits hat mehr Zeit zu
reagieren. Auf Grund der hohen Verbrennungstemperaturen
ergibt sich eine saubere Verbrennung. Der Stickoxidan
teil im Abgas, dessen Wärme im Wärmetauscher genutzt ist,
kann deshalb nach dem Temperaturwechsel wahlweise mit
Wasser niedergeschlagen werden. Ideal in Hinblick auf
unerwünschte Abgasbestandteile ist der Betrieb mit reinem
Sauerstoff, der diese Erscheinung vollkommen ausklammert.
Unverbrannte Bestandteile wie CO und Kohlenwasserstoffe CH
dürften kaum auftreten, da die Reaktionszeit im Vergleich
zu Verbrennungsmotoren deutlich höher ist und somit können
die Reaktionspartner gleich vollständig reagieren. Da das
Abgas unter den Taupunkt unterkühlt wird, kondensieren die
flüssigen Bestandteile aus dem Abgas, können selbst aufge
fangen und wiederverwendet werden. Das Abgas erfährt da
durch einen großen Reinig 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002003826117 00004 99880ungseffekt. Lediglich die Wärme
tauscher müssen in diesem Temperaturbereich korrosionsbe
ständig ausgeführt sein, um ein vorzeitiges Verschleißen zu
verhindern.
Der Brenner hat in dieser Wärmekraftmaschinenanordnung
nur die Aufgabe die sehr hohe Temperatur zu erzeugen und
zu halten. Von außen wird der Brenner durch Arbeitsmedium
und durch das verdampfende Arbeitsmittel (z.B. flüssiges
Blei, oder Quecksilber) gekühlt. Nach dem Brenner strömt
das gesättigete Gemisch aus Arbeitsmedium und Arbeitsmit
teldampf in den Expansor. Dort kondensiert der Arbeitsmit
teldampf vollständig, und es wird die Verdampfungswärme frei.
Über die Brennstoffzufuhr wird der offene Prozeß und über
die eingespritzte Arbeitsmittel- und Kältemittelmenge wird
der geschlossene Prozeß geregelt.
Diese Art der Energiezufuhr in den Expansor hat den großen
Vorteil, daß die Energiemenge, die im Expansor frei werden
soll, über die Einspritzpumpe verändert werden kann und
auch nur dann frei wird, wenn diese Energie in der Abwärts
bewegung des Kolbens zur direkten Nutzung während der Ex
pansion gebraucht wird. Beim Ausschieben aus dem Expansor
wird keine Energiezufuhr benötigt.
Das in der Menge festgelegte kondensierte Arbeitsmittel
gibt keine Energie mehr ab. Eine äußere Aufheizung
des Expansors könnte diese Wärmezufuhr zeitbezogen nicht
vollziehen.
Die Materialien von Brenner, Expansor und entsprechenden
Wärmeleitungen sind aus hochwärmefesten Materialien herzu
stellen. Die Isolierung nach außen geschieht mit einer
doppelten Vakuum-Thermowand, um Abstrahlungsverluste so
gering als möglich zu gestalten. Die Isolierung muß selbst
verständlich stets den auftretenden Temperaturen standhalten.
Die Schmierung des gesondert ausgebildeten Expansorkolbens
wird den besonders hohen Temperaturen angepaßt und am gün
stigsten mit dem Arbeitsmittel, welches auch kondensiert,
vorgenommen.
Für den Kompressor gilt gleiches obwohl hier bekanntes
Schmieröl verwendet werden könnte. Da ein eventuelles Ver
mischen mit dem Arbeitsmedium jedoch nicht auszuschließen
ist, ist es angebracht, den Kompressionskolben mit flüssigem
Kältemittel zu schmieren, welches als Flüssigkeitspolster
zwischen Kompressionskolben und zylindrischer Innenwand
den Kolben exakt fixiert und ein eventuelles Anstreifen bzw.
Gleiten Metall auf Metall verhindert.
Im Medientrenner wird überschüssiges Kältemittel sowieso
zu 100% vom Arbeitsmedium getrennt. Um ein unnötiges Ver
dampfen des Kältemittels an unpassender Stelle zu verhindern,
ist vorgesehen, den Kurbelkasten des Kompressors mit Arbeits
medium zu fluten, um ein eventuelles Vermischen von Arbeits
medium und Luft zu vermeiden und den Druck entsprechend anzu
heben. Da das für die Funktion der Wärmekraftmaschinen
anordnung flüssige Arbeitsmittel bei längerem Stillstand
des Aggregates erstarrt, ist vorgesehen, mittels einer ge
sonderten Medienpumpe Arbeitsmedium nach dem Abstellen des
Motors durch die Leitungen des Arbeitsmittels zu schicken.
Das gesamte Arbeitsmittel sammelt sich in einem Sammelbe
hälter (z.B. Kurbelkasten vom Expansor). Dies hat den Vor
teil, daß vor dem nächsten Start das Schmiermittel mit ein
fachen, robusten elektrischen Heizspulen verflüssigt und
mit einer Pumpe in die entsprechenden Leitungen zurückge
pumpt werden kann. Eine Alternative hierzu ist die Aufhei
zung der Arbeitsmittelleitungen vor dem Start.
Jede Wärmekraftmaschinenanordnung hat für den Kompressor
und Expansor einen eigenen Schmierkreislauf und entsprech
end eigene Schmiermittelpumpen.
Für die Formgebung der hochtemperaturfesten Bauelemente
der Wärmekraftmaschinenanordnung werden zweckmäßig die
an sich bekannten Methoden der Sintertechnik eingesetzt.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschinenanordnung bietet
weiterhin den Vorteil, daß sie individuell den Temperatur
niveaus angepaßt ausgelegt werden kann und diese auch
entsprechend nutzt.
So ist es möglich auch Energiequellen zu nutzen, die heute
kostenlos überall vorhanden sind. Die Sonnenenergie kann
mit einem entsprechend konzentrischen Spiegel derart auf
eine Fläche gebündelt werden, daß sie direkt mit Hilfe
der Wärmekraftmaschinenanordnung genutzt und mittels eines
Generators in Strom umgeformt werden kann. Der Wirkungs
grad dieser Anlage übertrifft bei weitem den Wirkungsgrad
von heute bekannten Solarzellen. Der Generator liefert
den Strom, und die nicht mehr für den Kreisprozeß nutz
bare Abwärme im Kondensator kann zu Heizzwecken von z.B.
Gebäuden herangezogen werden.
Bei dem geschlossenen Kreisprozeß ist es ohne Belang, wo
her die hohe Temperatur kommt. Sie ist jedoch notwendig,
um ein großes Temperaturgefälle zu verarbeiten. Diese
neue Wärmekraftmaschinenanordnung möchte als allgemein
anwendbares System verstanden sein, welches an keine
Leistungsgröße gebunden ist.
Dem heutigen Kraftwerksbau mit einem Wirkungsgrad von
ca. 0,45 dürfte durch Anwendung dieses vorbeschriebenen
erfindungsgemäßen neuen Systems eine erhebliche Leistungs
steigerung bevorstehen, wobei die Umweltgefährlichkeit
deutlich abnehmen dürfte.
Beim Solarantrieb kann der konzentrierende Spiegel, in
dessen Brennpunkt der Solarabsorber arbeitet, der Sonne
nachgeführt werden.
Eine Kombination dieser erfindungsgemäßen Wärmekraftma
schinenanordnung mit einem heute gängigen Verbrennungs
motor, der ca. 30% der Wärmeenergie des Brennstoffes
im Kühlwasser und ca. 30% im Abgas verliert, ist be
sonders günstig. Der oder die geschlossenen Kreisprozesse
laufen parallel zum Verbrennungsmotor und arbeiten nach
dem gekoppelten 2-Takt-Prinzip diskontinuierlich.
Das bedeutet, daß der Kompressor für sich betrachtet
nach dem 2-Takt-Prinzip arbeitet, ebenso der Expan
sor. Die Kopplung dieser beiden Einzelaggregate geschieht
in der Wärmekraftmaschinenanordnung.
Der Kompressor in Verbindung mit dem Medientrenner und dem
Kondensator ist in der Lage, auch in einem offenen Prozeß
selbständig zu arbeiten; ebenso der Expansor in Verbind
ung mit dem nachgeschalteten Medientrenner.
Bei der Auslegung der Wärmekraftmaschinenanordnung ist
darauf zu achten, daß das Arbeitsmedium nur mit soviel
Arbeitsmittel vermengt wird, wie der nachgeschaltete Ex
pansor bei einem bestimmten Temperaturniveau durch Wärme
zufuhr auch verarbeiten kann. Würde Arbeitsmitteldampf den
Expansor wieder verlassen, so wäre das Gleichgewicht der
strömenden Arbeitsmedien im Regenerator empfindlich ge
stört. Die Wärmeaustauscher sollen so ausgelegt werden,
daß die miteinander wirkenden Massenströme annähernd
gleich ausgeführt werden. Außerdem ist es notwendig, das
Arbeitsmedium vom Arbeitsmittel zu trennen, da dieses ab
einer bestimmten Temperatur erstarrt. Beim Expandieren
des Gemisches aus Arbeitsmedium und Arbeitsmitteldampf,
welcher sich in einem gesättigten Zustand befindet, be
ginnt dieses sofort zu kondensieren.
Die Summe aus der inneren Energieänderung des Arbeits
mediums und der inneren Energieänderung des kondensierten
Arbeitsmittels und der inneren Energieänderung des Ar
beitsmitteldampfes und der mittleren Kondensationswärme
des Arbeitsmittels stellt die gesamte Arbeitsabgabe im
Expansor dar. Nach Abzug des Verdichteraufwandes ergibt
sich der theoretische Nutzen der Wärmekraftmaschinenan
ordnung. Die Auslegung der Massen für den strömenden
Kreislauf solle bei Vollast geschehen, da auch die höch
sten verarbeitbaren Temperaturen entstehen.
Bei Kombination dieser vorbeschriebenen erfindungsge
mäßen Wärmekraftmaschinenanordnung mit einem Verbrenn
ungsmotor ist es sehr günstig zusätzlich mit einem kon
zentrierenden Spiegel oder einer großen Sammellinse die
Temperatur in dem Kreis zu erhöhen, welcher das heiße
Abgas verarbeitet. Die Bemessung der Linsen als auch
deren Anzahl hängt von der Sonneneinstrahlungsdichte
ab und ergibt eine mengenmäßige Steigerung des Wärme
kreises 2 (wie bei Fig. 4 beschrieben).
Die polytrope Zustandsänderung des Arbeitsmediums wäh
rend der Expansion, gleichmäßige Kondensation vorausge
setzt, entspricht vom Energieinhalt gleich der mittleren
Isothermen der Expansion bezogen auf Anfangs- und End
expansionstemperatur. Gleiches gilt für die Verdichtung
des Arbeitsmediums.
Die Arbeitstakte der Wärmekreise richten sich nach den
Arbeitstakten des Primärprozesses (Otto oder Diesel).
Das heißt: während eines 4-Takt-Arbeitsspieles ver
richten die Wärmekreise je 2 Arbeitstakte (2-Takt).
Die Kolben der Expansion sind ohne Verdichtungsringe
und ohne Abstreifringe zu konzipieren, dies erhöht deut
lich die Lebensdauer und verringert die Kerbwirkung bei
den aus hochwärmefesten Materialien hergestellten Kol
ben. Im Regenerator werden die Wärmeenergien vom ent
spannten Arbeitsmedium auf das frische Arbeitsmedium
übertragen. Drehkolbenschleusen verhindern einen Druck
ausgleich entgegen der Strömungsrichtung.
Die Drehkolben unterteilen den Wärmestrang in einzelne
federnde Segmente und ermöglichen somit härtere Feder
raten der gesamten Wärmekette. Die Förderung der Dreh
kolben zueinander ist aufeinander abgestimmt.
Das Fördervolumen entspricht dem ausgeschobenen Volumen
aus dem Verdichter bei gleicher Drehzahl oder einem
n-ten Teil, wobei die Drehzahl der Drehkolben ent
sprechend abgestimmt sein muß, um keine Stauungen zu
erzeugen.
Die in der vorstehend allgemeinen Beschreibung der Er
findung nur kurz erwähnten Elemente, insbesondere:.
Kompressor, Kondensator, Medientrenner, Wärmetauscher,
Turboverdichter, Kühlung der Brennkraftmaschine, Expan
sor, Einspritzpumpe, Steuerung/Regelung, Takttrennung,
Abgas, Isolierung (thermisch und akustisch), Brenner,
Festkörperdosiereinrichtung werden später noch näher
beschrieben.
In Anlehnung an die beschriebene Wärmekraftmaschinen
anordnung, lassen sich aus den nachfolgend beschriebenen
Bausteinen eine Reihe von Wärmekraftmaschinenanordnungen
zusammensetzen.
Um die Vielzahl der Varianten zu beschreiben, wurden die
Wärmekraftmaschinenanordnungen in Elemente unterteilt und
diese wieder in Merkmale. Die Kombinationen der Wärme
kraftmaschinenanordnungen ergeben sich, wenn jeweils ein
Merkmal eines Elementes zur Anwendung kommt.
Die Wärmekraftmaschinenanordnungen verfügen über offene und
oder geschlossene Kreisprozesse als Antrieb und offene und
oder geschlossene Kreisprozesse als Abtrieb.
Nachfolgend sind die veränderbaren Parameter dargestellt,
welche durch Kombination eine Vielzahl von Wärmekraft
maschinenanordnungen ergeben.
- - Antrieb durch zumindest eine offene herkömmliche Ver brennung,
- - Antrieb durch zumindest eine offene regenerative Ver brennung,
- - Antrieb durch zumindest eine teilweise regenerative Ver brennung, teilweise herkömmliche Verbrennung,
- - Antrieb durch zumindest eine offene Energiezufuhr (z.B. Dampf)
- - Antrieb durch zumindest eine geschlossene Energiezufuhr,
- - Antrieb durch zumindest eine geschlossene regenerative Energiezufuhr,
- - Abtrieb von zumindest einem offenen Kraftsystem, wobei Verdichtung und Expansion in einem Arbeitsraum ablaufen,
- - Abtrieb von zumindest einem offenen Kraftsystem, wobei Verdichtung und Expansion in räumlich separaten Arbeits räumen ablaufen,
- - Abtrieb von zumindest einem geschlossenen Kraftsystem, welches im Kreislauf mit gleichbleibender Strömungs richtung arbeitet,
- - Abtrieb von zumindest einem geschlossenen Kraftsystem, welches im Kreislauf mit wechselnder Strömungsrichtung arbeitet,
- - Abtrieb von keinem Kraftsystem,
- - Abtrieb von zumindest einem offenen Arbeitssystem,
- - Abtrieb von zumindest einem geschlossenen Arbeitssystem,
- - Abtrieb von keinem Arbeitssystem,
Die Variation der Kreisprozesse als Antrieb und oder Ab
trieb in einer Wärmekraftmaschinenanordnung sind von grund
legender Bedeutung.
Sie stellen das Gerüst für die nachfolgend beschriebenen
Variationen der einzelnen Bauelemente dar.
Die Stoffzufuhr ist ein Element der Wärmekraftmaschinen
anordnung. Hier wird in allgemeiner Form dargestellt,
welche Stoffe der Wärmekraftmaschinenanordnung zugeführt
werden können.
Das Element Stoffzufuhr unterteilt sich in weitere Merkmale.
Diese sind: Kältemittelzufuhr, Arbeitsmittelzufuhr, Energie
zufuhr, Dampfzufuhr, Brennstoffzufuhr, Luftzufuhr sowie die
Kombination ein oder mehrerer der aufgeführten Merkmale.
Sämtliche Kombinationen dieser Merkmale zeichnen das
Element Stoffzufuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinenan
ordnung aus.
Ein weiteres Element der Wärmekraftmaschinenanordnung ist
die Regelung. Die Merkmale dieses Elementes lauten:
Kältemittelregelung, Arbeitsmittelregelung, Dampfmengen
regelung, Kraftstoffmengenregelung, Arbeitsmediummengen
regelung, Regelung mittels Strömungsmaschine, Luftzufuhr
mengenregelung, Strahlungsmengenregelung, ohne Regelung,
Regelung mittels einer Kombination aus ein oder mehreren
der aufgeführten Regelungsmerkmale.
Sämtliche Kombinationen dieser Merkmale zeichnen das Element
Regelung innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung aus.
Je mehr Stoffströme innerhalb der Wärmekraftmaschinenan
ordnung geregelt werden, desto rascher läßt sich die
Wärmekraftmaschinenanordnung auf veränderte Belastungs
zustände einstellen.
Ein weiteres Element der Wärmekraftmaschinenanordnung ist
das Kühlmittel, welches folgende Merkmale aufweist:
fest, flüssig, gasförmig, dampfförmig, kein Kühlmittel,
Kombination ein oder mehrer Kühlmittelmerkmale.
Sämtliche Kombinationen dieser Merkmale zeichen das Element
Kühlmittel innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung aus.
Ein weiteres Element der Wärmekraftmaschinenanordnung ist
das eingesetzte Arbeitsmittel. Die Merkmale dieses Elementes
lauten: Gas als Arbeitsmittel, Dampf als Arbeitsmittel,
Flüssigkeit als Arbeitsmittel, Feststoff als Arbeitsmittel,
ohne Arbeitsmittel, Kombination ein oder mehrerer der auf
geführten Merkmale.
Sämtliche Kombinationen dieser Merkmale zeichnen das Element
Arbeitsmittel innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung aus.
Ein weiteres Element ist das Arbeitsmedium, mit welchem die
Wärmekraftmaschinenanordnung betrieben wird. Die Merkmale
dieses Elementes lauten: Gas als Arbeitsmedium, Flüssigkeit
als Arbeitsmedium, Feststoff als Arbeitsmedium, Dampf als
Arbeitsmedium, ohne Arbeitsmedium, Kombination ein oder
mehrerer der aufgeführten Arbeitsmedien.
Sämtliche Kombinationen dieser Merkmale zeichnen das Element
Arbeitsmedium innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung aus.
Ein weiteres Element der Wärmekraftmaschinenanordnung ist
der Brenner, der wieder aus einzelnen Elementen besteht.
Die Elemente des Brenners lauten: Aufbau, Anordnung, Ver
brennungsmedium, Zuführung des Verbrennungsmediums, Aggregat
zustand des Energieträgers, Zuführung des Energieträgers,
Zustand Energieträger, Kühlung des Brenners.
Die einzelnen Merkmale zu diesen aufgeführten Elementen
sind näher unter dem Abschnitt "Brenner - Teil der Wärme
kraftmaschinenanordnung" beschrieben.
Die Wärmekraftmaschinenanordnung läßt sich auch ohne
Brenner betreiben. Hier möchte ich an die solarbetriebene
Wärmekraftmaschinenanordnung erinnern.
Ein weiteres Element der Wärmekraftmaschinenanordnung ist
der Verdichter, der wieder aus einzelnen Elementen besteht.
Die Elemente des Verdichters lauten:
Steuerung der Ein/und Auslässe, Kurbelkasten, Außenseite,
Medium Zustand des angesaugten Mediums, Schmierung,
Kühlung.
Die einzelnen Merkmale zu diesen aufgeführten Elementen
sind näher unter dem Abschnitt "Verdichter - Element der
Wärmekraftmaschinenanordnung" zu finden. Die Wärmekraft
maschinenanordnung kann auch ohne Verdichter betrieben
werden. Dies ist jedoch ein Sonderfall.
Ein weiteres Element der Wärmekraftmaschinenanordnung ist
der Expansor, der wieder aus einzelnen Elementen besteht.
Die Elemente des Expansors lauten:
Stoffzufuhr, Energiezufuhr, Energieabfuhr, Expansor Ausbildung, Steuerung der Ein- und Auslässe, Isolierung Medientrenner.
Stoffzufuhr, Energiezufuhr, Energieabfuhr, Expansor Ausbildung, Steuerung der Ein- und Auslässe, Isolierung Medientrenner.
Die einzelnen Merkmale zu diesen aufgeführten Elementen
sind näher unter dem Abschnitt "Expansor - Teil der Wärme
kraftmaschinenanordnung" beschrieben.
Das Dosiersystem ist ein weiteres Element der Wärmekraft
maschinenanordnung. Die Merkmale dieses Elementes lauten:
Einspritzpumpe herkömmlich, Einspritzpumpe modifiziert,
Vergaser, Niederdruckeinspritzanlage, Festkörperdosier
einrichtung, Dosierung Strahlungsintensität mittels Blende,
Dosierung mittels einer Kombination aus ein oder mehreren
der aufgeführten Dosiersystemen.
Sämtliche Kombinationen dieser Merkmale zeichnen das Element
Dosiersystem innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung aus.
Ein weiteres Element der Wärmekraftmaschinenanordnung ist
der Medientrenner, der wieder aus einzelnen Elementen be
steht. Die Elemente des Medientrenners lauten: Medien,
Trennungsarten, Trennungskraft, Trennungsort,
Die einzelnen Merkmale zu diesen aufgeführten Elementen sind
näher unter dem Abschnitt "Medientrenner - Teil der Wärme
kraftmaschinenanordnung" beschrieben. Bei besonderer Wahl der
Wirkmedien ist die Wärmekraftmaschinenanordnung auch
ohne Medientrenner funktionstüchtig.
Ein weiteres Element der Wärmekraftmaschinenanordnung ist
der Medientransport, der wieder aus einzelnen Elementen be
steht. Die Elemente des Medientransportes lauten:
Volumenstrom pro Zeiteinheit zu Verdichtervolumen, Wirk
einheit (Gebläse - Wärmetauscher), Anordnung der Ver
dränger, Transportweg je Wirkeinheit (Wärmetauscher und
Gebläse), Strömungsgeschwindigkeit je Wirkeinheit, Trans
portart.
Die einzelnen Merkmale zu diesen aufgeführten Elementen
sind näher unter dem Abschnitt "Medientransport - Teil
der Wärmekraftmaschinenanordnung" beschrieben. Die Wärme
kraftmaschinenanordnung läßt sich auch ohne Medien
transport betreiben.
Ein weiteres Element der Wärmekraftmaschinenanordnung ist
der Kondensator, der wieder aus einzelnen Elementen be
steht. Die Elemente des Kondensators lauten:
Strömungsführung des wärmeaufnehmenden Teiles, Strömungs
führung des wärmeabgebenden Teiles, Kondensatabscheidung.
Die einzelnen Merkmale zu diesen aufgeführten Elementen
sind näher unter dem Abschnitt "Kondensator - Teil der
Wärmekraftmaschinenanordnung" zu finden. Auch ohne Kon
densator sind spezielle Wärmekraftmaschinenanordnungen
funktionsfähig. Die Wärme des Kompressors (Verdichter)
muß in diesem Fall direkt am Verdichter abgeführt werden.
Ein weiteres Element der Wärmekraftmaschinenanordnung ist
die Energiezufuhr, die wieder aus einzelnen Elementen be
steht. Die Elemente der Energiezufuhr lauten:
Medium, Energieabgabe, Wirkort, Wirkzeit, Wirkmenge.
Den aufgeführten Elementen sind Merkmale zugeordnet, die
nachfolgend beschrieben werden. Die Merkmale des Elementes
Medium lauten: zumindest eine Flüssigkeit, zumindest ein
Feststoff, zumindest ein Gas, zumindest ein Dampf, zumindest
eine Strahlung, Kombination aus ein oder mehreren der auf
geführten Medien.
Die Merkmale des Elementes Energieabgabe lauten:
Kondensieren, Erstarren, Resublimieren, Änderung der
inneren Energie, chemische Umwandlung (exotherm), Strahlen,
Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Energie
abgabearten.
Die Merkmale des Elementes Wirkort lauten: innerhalb der
Wärmekraftmaschinenanordnung von innen heraus, von außen
nach innen, Energiezufuhr von innen und von außen, sowie
eine Kombination der vorgenannten Merkmale.
Die Merkmale des Elementes Wirkzeit lauten: kontinuierlich,
diskontinuierlich, kontinuierlich bezogen auf das Expansions
spiel, diskontinuierlich bezogen auf das Expansionsspiel,
kontinuierlich und diskontinuierlich mit Bezug auf das Ex
pansionsspiel, kontinuierlich und diskontinuierlich ohne
Bezug auf das Expansionsspiel, Kombination aus ein oder
mehreren der aufgeführten Merkmale.
Die Merkmale des Elementes Wirkmenge lauten: dosierte
Menge mit Taktbezug; undosierte Menge taktbezogen; un
dosierte Menge ohne Taktbezug; dosierte Menge ohne Takt
bezug; dosierte und undosierte Menge taktbezogen; dosierte
und undosierte Menge ohne Taktbezug; geregelte Menge takt
bezogen; geregelte Menge ohne Taktbezug; geregelte, dosierte
und undosierte Menge taktbezogen; geregelte, dosierte und
undosierte Menge ohne Taktbezug; geregelte, dosierte und
undosierte Menge teilweise taktbezogen, teilweise ohne Takt
bezug; Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten
Wirkmengenarten.
Die Energiezufuhr der Wärmekraftmaschinenanordnung setzt sich
aus je einem Merkmal der aufgeführten Elemente zusammen.
Die Merkmale des Elementes Energiezufuhr unterschiedlich mit
einander kombiniert, ergibt eine Vielzahl von Energiezufuhr
kombinationen.
Ähnlich wie das Element Energiezufuhr unterteilt sich das
Element Energieabfuhr selbst wieder in Elemente. Diese lauten:
Medium; Energieaufnahme; Wirkort; Wirkzeit; Wirkmenge.
Die Merkmale und die Elemente für die Energieabfuhr sind
bis auf das Element "Energieaufnahme" mit den Elementen
und Merkmalen der Energiezufuhr identisch.
Aus diesem Grunde werden die bereits aufgeführten Elemente
und Merkmale nicht nochmals für die Energieabfuhr erwähnt.
Das Element "Energieaufnahme" ist in folgende Merkmale
untergliedert: Verdampfen; Schmelzen; Sublimation; Änderung
der inneren Energie; chemische Umwandlung (endotherm).
Die Merkmale der "Energieaufnahme" miteinander kombiniert,
ergeben noch zahlreiche weitere Merkmale der Energieauf
nahme. Ein weiteres Merkmal ist die Strahlungsabsorption.
Die Energieabfuhr kann nun aus den einzelnen Merkmalen, der
Elemente zusammengestellt werden, wobei zumindest ein Merk
mal pro Basiselement zur Anwendung kommt.
Die Kombinationen hieraus ergeben eine Vielzahl von
Möglichkeiten der Energieabfuhr innerhalb der Wärmekraft
maschienanordnung.
Heute bekannte Verdichter arbeiten nach dem 2-Takt
-Prinzip. Die Ein- und Auslässe werden mit speziell
ausgelegten und geformten Federelementen gesteuert.
Auch in den Verbrennungsmotoren, die nach dem 4-Takt
-Prinzip arbeiten, wird ein Hub zum Ansaugen der Ver
brennungsluft oder des Gemisches verwendet und in einem
weiteren Hub die Luft bzw. das Arbeitsgas verdichtet.
Also werden zwei Takte von vier Takten zur Verdichtung
benötigt. Die gefahrenen Drehzahlen der Verbrennungs
motoren liegen jedoch deutlich über den der Verdichter
in der Ausgestaltung als Kolbenkompressoren.
Die Drehzahl heutiger Kolbenkompressoren wird vor allem
durch die Ventilfedern und der begrenzten Wärmeabfuhr
pro Zeiteinheit begrenzt.
Der notwendige Verdichter für die erfindungsgemäße Wärme
kraftmaschinenanordung muß jedoch Eigenschaften aufwei
sen, die bei heutigen Verdichtern noch nicht bekannt
sind. Gesucht wird ein leistungsfähiger Verdichter, der
bei hohem Druckverhältnis und Drehzahl das Medium nur
geringfügig erwärmt. Der Polytropenexponent der Verdich
tung sollte bei obiger Zielsetzung geringfügig über 1,0
liegen. Der Verdichtungsaufwand sollte ein Minimum sein.
Ein Verdichter mit derartigen Eigenschaften ist besonders
vorteilhaft zur Verwendung als Element in der erfindungs
gemäßen Wärmekraftmaschinenanordnung.
Bei der Ausführungsform wurde die Hubkolbenmaschine als
solche als Verdichter beibehalten, was jedoch nicht heißt,
daß die nachstehend beschriebene neue Lösung nur bei Hub
kolbenmaschinen Anwendung findet.
Zur Steuerung der Ein- und Auslässe werden Ventile vorge
sehen analog denen des Verbrennungsmotors und zwar nocken
gesteuerte federbetätigte Stößel- Ventile.
Diese werden gewählt, um das Drehzahlverhalten nicht bau
seits zu begrenzen, sind jedoch für die Ausführung der
Lösung nur bedingt notwendig. Die Lösung nach obiger Ziel
setzung läßt sich auch mit bekannten anderen Steuerorganen
darstellen.
Kernpunkt der Lösung ist eine Kältemitteleinspritzanlage,
die in den Verdichtungsraum kontinuierlich oder diskon
tinuierlich Kältemittel einspritzt, welches wärmekapazitiv
Wärme aufnimmt, um anschließend zu verdampfen und dabei die
Verdampfungswärme vom Verdichtungsraum aufnimmt.
Eine ähnliche Lösung wird erreicht durch Einspritzen
von Kühlmittel (z.B. Wasser), welches wärmekapazitiv Wärme
aufnimmt. Lediglich die Menge des Kühlmittels muß ange
paßt werden. Auch eine kombinierte Einspritzung von Kälte-
und Kühlmittel hat diesen Kühleffekt. Um die Zielsetzung
zu erreichen, ist es wichtig, die Wärme an ihrem Entstehungs
ort, dem Verdichtungsraum aufzunehmen, gasförmig oder flüs
sig wegzutransportieren, um die Wärme an anderer Stelle
weiterzuverwenden oder zu vernichten.
In Fig. 5 ist eine Ausführungsform eines Verdichters (V)
im Querschnitt dargestellt. Nachfolgend ist eine Verdich
tung beispielsweise beschrieben: über das Einlaßventil
152 strömt das Arbeitsmedium in den Verdichter, während
der Kolben 153 sich abwärts bewegt.
Über eine nicht dargestellte Einspritzpumpe gelangt Kälte
mittel und/oder Kühlmittel über den Düsenhalter 155 und
die im einzelnen nicht dargestellte Einspritzdüse in den
Verdichtungsraum.
Die feine Vernebelung des Kältemittels, welches unter
hohem Druck eingespritzt wird, ergibt eine große Kühl
fläche. Die größeren Kühlmitteltröpfchen platzen förm
lich auseinander, da sie sich druckmäßig dem niederen
Niveau erst anpassen müssen. Die Kältemitteltröpfchen
gelangen mit dieser Druckänderung in einen instabilen
Zustand. Physikalisch ist der niedere Druckzustand
nicht ausreichend für die Beibehaltung des flüssigen
Aggregatzustandes, daher verdampft das Tröpfchen.
Vorgesehen ist, jeweils nur diejenige Menge an Kälte
mittel und/oder Kühlmittel in den Verdichtungsraum zu
spritzen, welcher zu diesem Zeitpunkt zur Wärmeabfuhr
auch benötigt wird. Für die Funktion unmaßgeblich sind
auch größere Mengen, die kontinuierlich oder diskon
tinuierlich eingespritzt werden. Unberührt davon bleibt
auch die Anzahl der Einspritzventile.
Entscheidend für diesen definierten Kühleffekt ist die
Einspritzung in den Verdichtungsraum.
Der Kolben 153 bewegt sich bis in die untere Totpunkt
lage. Das Einlaßventil 152 schließt den Verdichtungs
raum ab. Der Kolben 153 bewegt sich nach oben und er
höht Druck und Temperatur des Arbeitsmediums, vermischt
mit Kälte- und/oder Kühlmittel bzw. Kältemitteldampf.
Die Anfangstemperatur für die Verdichtung ist abhängig
vom verwendeten Kältemittel und dem Druck zu Beginn der
Verdichtung. Die polytrope Verdichtung, welche sich nach
dem Schließen der Ventile anschließt, verläuft angenähert
isotherm. Maßgebend hierfür sind die Verdampfungstempera
turen des verwendeten Kältemittels, bezogen auf die mo
mentan herrschenden Drücke. Die Ansaugtemperatur und
der Druck des Arbeitsmediums sind von der Außentempera
tur abhängig. Eine definierte Unterkühlung des Arbeits
mediums bereits im Ansaugstutzen des Verdichters, abhän
gig von der Außentemperatur, ergibt konstante Drücke
und Temperaturen im Verdichtungsraum. Dies erfordert je
doch eine zusätzlich gesteuerte Einspritzung in den An
saugkanal. Der Verdichter als Teil der Wärmekraftmaschi
nenanordnung arbeitet erfindungsgemäß mit einem vorher
festgelegten Druckverhältnis und mit etwa konstanten
Anfangs- und Enddrücken. Die definierte Kühlung mit den
exakten Steuerzeiten der Ventile ermöglicht eine Kompres
sion, die von der Drehzahl unabhängig ist.
Bei dem Verdichter (V) gemäß Fig. 5 sind zwei Nocken
wellen 150, 151 zur Steuerung der Ein- bzw. Auslaßven
tile 152, 149 dargestellt. Möglich ist es auch den Ver
dichter mit nur einer Nockenwelle zu steuern. Die Ven
tile sind in diesem Fall hintereinander und nicht neben
einander anzuordnen. - Die beiden Nockenwellen 150, 151
ergeben sich aus dem Zusammenwirken mit einem noch zu
beschreibenden Expansor, wobei sich diese beiden Nocken
wellen als besonders günstig ergeben haben.
Der Kolben 153 bewegt sich nach oben. Das Arbeitsmedium,
vermischt mit Kältemitteldampf, wird verdichtet. Die
entstehende Wärme wird durch verdampfendes Kältemittel
aufgenommen.
Die Schmierung des Kolbens 153 kann auf dreierlei Art
ausgeführt werden: 1. Herkömmlich mit Öl, welches über
eine Ölpumpe 156 an die einzelnen Lagerstellen gepumpt
wird. Ein Ölabstreifring streift das zuviel geförderte
Öl an der Zylinderinnenwand nach unten hin ab. Ein
eventuelles Vermischen von Öl und Arbeitsmedium muß an
schließend im Medientrenner vom Arbeitsmedium wieder
getrennt werden, wie noch zu beschreiben sein wird.
Eine 2. Möglichkeit der Schmierung kann mittels flüssig
em Kältemittel erreicht werden. Der Kolben 153 muß hier
für gesondert ausgebildet sein. Das Kältemittel wird
über eine Pumpe ähnlich der Pumpe 156 an die einzelnen
Schmierstellen gepumpt. Der Kolben 153 wird mittels um
gebendem Kältemittel zentriert und schwimmt förmlich auf
einem Kältemittelpolster.
Als 3. Möglichkeit der Schmierung des Kolbens kommt der
trockene Lauf in Frage. Beschichtete Laufbahnen und Kol
ben bei relativ niederen Temperaturen, ausgeführt mit
engen Kolbenspielen, ergeben hohe Liefergrade.
In Fig. 5 ist bei dem Verdichter (V) die herkömmliche
Kolbenschmierung mit Öl dargestellt. Die Steuerung der
Einspritzdüsen geschieht beispielsweise mittels dreh
zahlabhängigen Druckwellen, welche die Düsen betätigen
und das Kältemittel und/oder Kühlmittel in den Kompres
sionsraum gelangen läßt. Die Einspritzpumpe dosiert die
Kältemittelmenge und/oder Kühlmittelmenge und somit
direkt die Wärmeabfuhr im Verdichter. Diese Regelungs
möglichkeit wird später noch ausführlich beschrieben.
Mit geringerer Wärmeabfuhr aus dem Verdichter (V) steigt
der Kompressionsaufwand und die Endtemperatur des Arbeits
mediums, welches ausgeschoben wird.
Bei optimaler Verdichtung wird immer soviel an Kältemit
tel nachgespritzt, daß der entstehende Dampf sich immer
im gesättigten Zustand befindet. Wird z.B. mehr Kälte
mittel als erforderlich eingespritzt, so sammelt sich
dieses Kältemittel im Schmierkreislauf oder wird mit dem
Arbeitsmedium ausgeschoben. Nach Erreichen des festge
legten Verdichtungsverhältnisses öffnet das Auslaßven
til 149. Das Arbeitsmedium hat entsprechend seinem Druck
seine Temperatur erreicht und wird zusammen mit dem ver
dichteten Kältemitteldampf vom Kolben 153 ausgeschoben.
Bei der Auslegung des Wärmekreises ist darauf zu achten,
daß die Endtemperatur und der dazugehörige Druck eine
derartige Höhe aufweisen, daß ein nachgeschalteter Küh
ler das Gemisch aus Arbeitsmedium und Kältemitteldampf
ausreichend unterkühlen kann. Die Unterkühlung des Ge
misches muß derart ausgeführt sein, daß bis zur voll
kommenen Trennung der flüssigen und gasförmigen Phase
kein Verdampfen des Kältemittels stattfinden kann.
Nach vollkommener Kondensation des Kältemittels im Küh
ler und Temperaturanpassung des Arbeitsmediums muß der
Druck noch so hoch sein, daß sich keinerlei Kältemittel
dampf nach dem Kühler befindet. Das Kältemittel muß völ
lig kondensieren und darf nur in flüssiger Form den Küh
ler verlassen. Der Druck nach dem Kühler ist niedriger
als vor dem Kühler, da der Kältemitteldampfdruck weg
fällt und das Arbeitsmedium isochor abkühlt.
Diese Auslegung ist Voraussetzung für eine völlige Ent
mischung von Kältemittel und Arbeitsmedium. Das Kälte
mittel läßt sich nach dem Kühler mechanisch trennen
und wird in den Kältekreislauf zurückgeführt. Je nach
Einsatz des Verdichters sind weitere Kriterien zu be
achten. Der Partialdruck des Arbeitsmediums vor der Ex
pansion und der Partialdruck nach der Kompression sind
nur durch die isochore Zustandsänderung miteinander ver
bunden.
Bei Anwendung der neuen Wärmekraftmaschinenanordnung
zur Kühlung eines Verbrennungsmotors gibt die max. zu
lässige Öltemperatur im Verbrennungszylinder die Grenze
an, bis zu welcher der Wärmekreis erhitzt werden darf.
Der Ölfilm im Verbrennungsmotor darf an keiner Stelle
aufreißen, um ein "Fressen" der Kolben mit Sicherheit
auszuschalten.
Die verarbeitbare Wärmemenge für die neue Wärmekraft
maschinenanordnung und die vorhandenen Temperaturdif
ferenzen lassen erkennen, wieviel von der Wärmemenge
in Nutzleistung umgewandelt werden kann.
Beim Ausschieben aus dem Verdichter ist bauseits auf
ein möglichst kleines Restvolumen im Verdichter zu
achten. Um ein Vermischen von Arbeitsmedium mit anderen
Gasen zu vermeiden, ist der gesamte Kurbelkasten des
Verdichters mit Arbeitsmedium zu füllen. Der gesamte
Kurbelkasten ist druckdicht ausgeführt. Dies verhindert
ein Entweichen von Arbeitsmedium und gibt weiter die
Möglichkeit, das Druckgefälle vom Verdichtungsraum
zum Kurbelkasten auszugleichen. Der Schmierkreislauf
ist getrennt von den anderen Aggregaten auszuführen.
Da das Arbeitsgas durch diese Art der Kompression sehr
tiefe Temperaturen erreicht, ist die Kompressoraußen
seite zu allgemeinen Kühlzwecken verwendbar. z.B. Lade
luftkühlung, Klimatisierung
Der geschlossene Querschnitt wird dabei zweckmäßig so
um den Verdichter gelegt, daß es innerhalb des Kühl
kanals 158 zu keiner Querschnittsveränderung kommt.
Eine Querschnittsveränderung wäre mit Druckverlust
(= Energieverlust) verbunden.
In den Bereichen, an welchem der Verdichter (V), das
heißt seine Außenwandung, die Umgebungstemperatur über
schreitet, ist von einer Kühlnutzung abzusehen.
Für die Art und Weise, wie nun die Kühlrippen 158 A
um den Kompressor herum angeordnet werden, sind mehrere
Lösungen möglich. Besonders zweckmäßig ist eine schlan
genförmige Umwicklung des Verdichters.
Da der gesamte Verdichter relativ niedere Temperaturen
aufweist, ist er zu Umgebung hin isoliert. Diese Iso
lierung 159 umhüllt mantelartig den Verdichter und ver
hindert auf diese Weise das Nachströmen von Umgebungs
wärme.
Um die Vielzahl der möglichen Verdichter zu beschreiben,
sind diese in Elemente untergliedert und diese wiederum in
Merkmale unterteilt.
Ein Element des Verdichters ist die Steuerung der Ein-
u. Auslässe. Diese unterteilen sich in folgende Merkmale:
einfach zwangsgesteuert, mehrfach zwangsgesteuert, selbst
steuernd, ungesteuert, eine Kombination der vorgenannten
Merkmale.
Ein weiteres Element ist der Kurbelkasten, der folgende
Merkmale aufweist: offen; verschlossen; teilweise offen,
teilweise geschlossen; druckdicht verschlossen; ohne Kurbel
kasten.
Die Außenseite des Verdichters ist ein weiteres Element,
welches folgende Merkmale aufweist: offenes Kühlprofil;
geschlossenes Kühlprofil; kein Profil; geschlossenes und
offenes Kühlprofil; isoliert; offenes Kühlprofil isoliert;
geschlossenes Kühlprofil isoliert; offenes Kühlprofil
isoliert und geschlossenes Kühlprofil; geschlossenes Kühl
profil isoliert und offenes Kühlprofil, eine Kombination der
vorgenannten Merkmale.
Das angesaugte Medium des Verdichters ist ein weiteres
Element. Die Merkmale hierzu sind: Flüssigkeit, Feststoff,
Gas, Dampf, eine Kombination der vorgenannten Merkmale.
Ein weiteres Element des Verdichters ist der Zustand des
angesaugten Mediums. Die zu unterscheidenden Merkmale sind.:
gleiche Temperatur von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel; gleicher
Druck von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel; gleiche Menge von
Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel; gleiche Entropie von Arbeits
spiel zu Arbeitsspiel; ungleicher Druck von Arbeitsspiel zu
Arbeitsspiel; ungleiche Menge von Arbeitsspiel zu Arbeits
spiel; ungleiche Temperatur von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel;
ungleiche Entropie von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel; eine
Kombination der vorgenannten Merkmale;
gleiche und ungleiche Temperatur von Arbeitsspiel zu
Arbeitsspiel; gleicher und ungleicher Druck von Arbeits
spiel zu Arbeitsspiel; gleiche und ungleiche Menge von
Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel; gleiche und ungleiche
Entropie von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel.
Ein weiteres Element ist die Schmierung des Kompressors.
Die Merkmale sind: Ölschmierung; ohne Schmierung; ohne
Schmierung mit Gleitstoffen; Flüssigkeitsschmierung;
mit Flüssigkeitspolster (Kühlflüssigkeit); mit Flüssig
keitspolster (ungleich der Kühlflüssigkeit);
Ein weiteres Element für den Kompressor ist die Energie
abfuhr, welche allgemein im Hauptkapitel bereits mit Merk
malen und den verschiedenen Elementen beschrieben wurde.
Die Energieabfuhr wird aus diesem Grunde nicht nochmals
mit Elementen und Merkmalen ausgewiesen.
Die möglichen Kompressoren haben zumindest jeweils ein
Merkmal pro Grundelement realisiert.
Aus den unterschiedlichen Kombinationsmöglichkeiten er
geben sich eine Vielzahl von Varianten.
Die heutigen bei wassergekühlten Verbrennungsmotoren
verwendeten Kühler arbeiten mit einer Temperaturdif
ferenz von ca. 50°C. Diese ergibt sich, wenn heutige
Kühler von der einen Seite mit Wasser von ca. 85°C
und von der anderen Seite mit Fahrtluft von ca. 35°C
durchströmt wird.
Der Kühler für die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschinen
anordnung soll mit einer deutlich geringeren Temperatur
differenz (von z.B. 15°C) auskommen und in der Summe
der Wärmemengen auch weniger übertragen. Im Zusammen
hang mit der Wärmekraftmaschinenanordnung tritt an
stelle des heißen Kühlwassers das verdichtete Arbeits
medium vermischt mit Kältemitteldampf.
In Fig. 6 ist eine Teilansicht eines Kühlers (K) ge
schnitten dargestellt. Ein Gemisch 160 aus Arbeits
medium und Kältemitteldampf strömt in den druckdicht
verschlossenen Kühler (K) hinein. Die Fahrtluft (die
Wärmekraftmaschinenanordnung ist z.B. als Antrieb in
einem Kfz eingesetzt) streicht an den Kühllamellen 161
vorbei und unterkühlt das Gemisch 160. Durch die Unter
kühlung des Gemisches 160 kondensiert das Kältemittel
im Arbeitsmedium und gibt seine Verdampfungswärme ab.
Infolge der Schwerkraft sammeln sich die Kältemittel
tröpfchen im unteren Bereich 162 des Kühlers (K).
Über den Kältemittelabfluß 163 und über das kommuni
zierende Gefäß 164 gelangt das Kältemittel in die Sam
melleitung 165. Um dabei auch die kleinsten Kälte
mitteltröpfchen zu größeren zusammenzuführen, ist vor
gesehen, einen sog. "Demisterabscheider" in den Gas
strom zu setzen. An den sehr feinen Drähten sammeln
sich auch kleinste Tröpfchen und werden zu größeren
zusammengeführt. Dieser Demisterabscheider muß an einer
Stelle angebracht sein, wo das gesamte Kältemittel be
reits kondensiert ist und wobei die Strömungsgeschwin
digkeit relativ gering ist. Gegebenenfalls ist der Strö
mungskanal entsprechend zu erweitern. Der Demisterab
scheider ist in den Fig. 6 und 7 nicht dargestellt.
In Fig. 7 ist der Kühler in einer Seitenansicht teil
weise geschnitten dargestellt. Das gesamte Kältemittel
gelangt über die Sammelleitung 165 in den Kältemittel
sammelbehälter 166.
Der vorbeschriebene Kühler (K) besteht im wesentlichen
aus einem druckfesten und korrosionsfesten geschlossenen
Rohr, wobei der Strömungsquerschnitt 167 möglichst im
mer konstant ist. Bei der Auslegung des Wärmekreises
ist darauf zu achten, daß die Kühlluft, welche durch den
Kühler (K) strömt, in allen Fällen ausreicht, um das
Gemisch aus Arbeitsmedium und Kältemitteldampf deutlich
zu unterkühlen, damit das Kältemittel kondensiert.
Die Kühlluft nimmt vom Kühler die Wärme auf und ver
läßt den Kühler aufgeheizt. Diese vorgewärmte Luft stellt
die einzige Abwärme der Wärmekraftmaschinenanordnung dar,
die bei deren Einsatz in einem PKW oder Omnibus zur Be
heizung des Fahrgastraumes herangezogen werden kann.
Bei der Kombination der Wärmekraftmaschinenanordnung
mit einem Verbrennungsmotor kann diese vorgewärmte Luft
zur Kühlung des Öles des Verbrennungsmotors verwendet
werden, um anschließend noch den Fahrgastraum aufzu
heizen.
Die Materialien sind zweckmäßig so zu wählen, daß keine
Korrosion zwischen Kältemittel und Kühler auftritt.
Das in Fig. 7 erkennbare kommunizierende Gefäß 164 ist
für die Funktion insofern maßgebend, indem es das Abströ
men von Arbeitsmedium in den Kältemittelkreis verhindert.
Das Kühlgebläse, welche die Luft durch den Kühler bläst,
muß häufiger betrieben werden, um den Abfall des Luft
durchsatzes bei niederen Geschwindigkeiten bei Einsatz
in einem PKW oder Omnibus auszugleichen.
Die geringere Kühltemperaturdifferenz benötigt einen
gleichmäßigen Luftdurchsatz.
Die jeweils an den Bereich 162 angesetzten Kältemittel
abläufe 163 in Fig. 6 sind druckfest mit dem Kühler ver
bunden.
Die hier nicht dargestellte Einspritzpumpe saugt vom
Kältemittelsammelbehälter 166 Kältemittel an und schließt
somit den Kältemittelkreislauf.
Die möglichen Kondensatoren sind mit zumindest mit einem
Merkmal je Element auszuführen. Unterschiedliche Kombi
nationen der Merkmale, ergeben eine Vielzahl von Konden
satorvarianten, welche in der Wärmekraftmaschinenan
ordnung zum Einsatz kommen.
Das Element der Strömungsführung des wärmeaufnehmenden
Teiles unterteilt sich in folgende Merkmale:
offenes Kühlprofil; geschlossenes Kühlprofil; mit Antrieb;
ohne Antrieb (Gebläse); ohne Kühlprofil; teilweise offenes,
teilweise geschlossenes Kühlprofil.
Ein weiteres Element des Kondensators ist die Strömungs
führung des wärmeabgebenden Teiles. Die Merkmale lauten im
einzelnen: konstanter Querschnitt; ungleichmäßiger Quer
schnitt; durch Kondensatbad; durch elektrische Felder;,
durch magnetische Felder; durch Filter; durch mechanische
Prallkörper; durch mechanische Schleusen, oder eine Kombi
nation der vorgenannten Merkmale.
Ein weiteres Grundelement des Kondensators ist die Konden
satabscheidung, welche sich in folgende Merkmale unter
scheidet: Zentrifugalkraft; elektrische Felder; magnetische
Felder; mechanische Prallkörper; Filter; Erdanziehung
oder eine Kombination der vorgenannten Merkmale.
Zentrifugen, welche mittels Zentrifugalkraft flüssige
von gasförmigen Medien trennen, sind bekannt.
Ein Medientrenner ist grundsätzlich erforderlich, wenn
vermischte Stoffe mit unterschiedlichen Aggregatzustän
den in einem System vorhanden sind. Der vorgeschaltete
Kühler mit dem Demisterabscheider tragen vorab wesent
lich dazu bei, daß die Voraussetzungen für die Funkti
on des Medientrenners (M) erfüllt sind.
Kleinste Flüssigkeitströpfchen sind zu größeren zusam
mengefaßt und strömen zusammen mit dem Arbeitsmedium
in den Medientrenner.
In den Fig. 8a und 8b ist beispielsweise ein mögli
cher Medientrenner in zwei Ansichten dargestellt. Die
in den Fig. 8a, 8b dargestellte Ausführungsform
zeigt den Medientrenner mit horizontaler Lage in An
sicht und im Querschnitt.
Das Gemisch 170 strömt mit einer bestimmten Mindestge
schwindigkeit in eine schraubenförmig angeordnete Spi
rale. Das Gemisch wird zwangsweise im Kreis geführt
und die Flüssigkeitströpfchen prallen aufgrung ihrer
Trägheit und unter Einfluß der Zentrifugalkraft auf die
Außenseite des Strömungskanals. Die Tröpfchen gleiten
durch die Austrittsöffnungen 171 und werden so vom Haupt
strom getrennt. Die Tröpfchen vereinen sich zu einem
kleinen Flüssigkeitsstrom , dessen Geschwindigkeit sich
aufgrund der Reibung und der abgetrennten Kammern ver
langsamt und sich mittels Schwerkraft am unteren Teil
173 des Medientrenners (M) sammelt. Über das kommuni
zierende Gefäß 172 gelangt das Kältemittel 179 in den
Kältemittelsammelbehälter.
Der Medientrenner (M) ist ebenso druckdicht und korro
sionsbeständig auszuführen. Die Anzahl der Windungen des
Medientrenners hängt von dessen Abscheidegrad ab.
Für eine einwandfreie Funktion der Wärmekraftmaschinen
anordnung ist eine 100%ige Trennung notwendig.
Sollte nach dem Medientrenner (M) noch geringste Kälte
mitteltröpfchen im Arbeitsmedium sein, so wäre ein Feinst
abscheider nachzuschalten, welcher auch kleinste Kälte
mitteltröpfchen oder allgemein Flüssigkeitströpfchen
zurückhält und in den Flüssigkeitskreis abgibt.
In den Fig. 9a und 9b ist ein vom Aufbau ähnlicher
Medientrenner (M), jedoch mit vertikaler Achse, darge
stellt. - Eine stark vergrößerte Darstellung eines Zy
klonabscheiders aus Fig. 9b zeigt Fig. 10.
Die Kältemitteltröpfchen werden in jeder Kammer 169
durch die Zwischenwände 175 abgebremst und gelangen über
die Kältemittelabfuhrleitungen 174 nach unten in das
Sammelbecken 173.
Rillen 176 im Strömungsgrundprofil lenken und leiten
die kleinsten Flüssigkeitströpfchen an die durchbroch
ene Zwischenwand 177, wo sie über die Austrittsöffnungen
171 den Hauptströmungskanal des Arbeitsmediums verlas
sen. Der Querschnitt der Strömung bleibt unverändert
während des gesamten Trennvorganges, um die Strömungs
verluste gering zu halten.
Das in Fig. 8b dargestellte kommunizierende Gefäß 172
verhindert das Austreten von Arbeitsmedium.
In den Medientrenner (M) gemäß Fig. 9b wird dies durch
den deutlich verringerten Strömungsquerschnitt 174 und
dem Auffangen in einem Sammelbehälter 173 an der unteren
Seite des Medientrenners (M) erreicht.
Die Dimensionierung und Auslegung muß so erfolgen, daß
auch bei geringster Strömungsgeschwindigkeit (Leerlauf)
das Gemisch absolut zuverlässig getrennt wird.
Anstelle dieses vorbeschriebenen Medientrenners (M) sind
auch andere Methoden der Trennung möglich und sinnvoll,
wenn als Ergebnis die vollkommene Trennung der unter
schiedlichen Stoffe erreicht wird, wichtig und entschei
dend für die Funktion der Wärmekraftmaschinenanordnung
ist vor allem die einwandfreie exakte Trennung.
In den beschriebenen und dargestellten Beispielen (Fig. 8-10)
rotiert das Fluid-Gemisch bei stehendem Gehäuse.
- Sicherlich ist auch der umgekehrte Fall denkbar und
anwendbar.
Neben der mechanischen Trennung der Medien, ist diese
Trennwirkung durch ein elektrisches Feld noch zu ver
stärken. Das Gemisch aus Kältemittel und Arbeitsmedium
wird mittels eines an Gleichspannung liegendem Drahtge
flecht elektrisch aufgeladen. Dies ist auch zusammen
mit dem Demisterabscheider durchführbar. Die Kältemit
teltröpfchen werden elektrisch geladen und gelangen so
in den mechanischen Medientrenner. Die Rückwand 178 des
Medientrenners ist gegenpolig zum Kältemittel aufgeladen,
so daß die Kältemitteltröpfchen förmlich in die Austritts
öffnungen 171 hineingezogen werden, um an der geladenen
Rückwand 178 ihre Ladung abzugeben. Durch diese zusätz
liche elektrische Einwirkung soll der Abscheidegrad bis
zu 100% gesteigert werden, so daß sich ein Feinstfilter
nach dem Medientrenner erübrigt.
Die möglichen Medientrenner für die Wärmekraftmaschinen
anordnungen ergeben sich, wenn zumindest ein Merkmal der
nachfolgend aufgeführten Elemente angewandt werden.
Das erste Element für den Medientrenner sind die Medien,
welche folgende Merkmale aufweisen:
Gas/Gas; Gas/Flüssigkeit; Gas/Feststoff; Gas/Dampf; Flüssigkeit/Flüssigkeit; Feststoff/Flüssigkeit; Flüssig keit/Dampf; Feststoff/Feststoff; Dampf/Feststoff; Dampf/Dampf; oder eine Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Merkmale.
Gas/Gas; Gas/Flüssigkeit; Gas/Feststoff; Gas/Dampf; Flüssigkeit/Flüssigkeit; Feststoff/Flüssigkeit; Flüssig keit/Dampf; Feststoff/Feststoff; Dampf/Feststoff; Dampf/Dampf; oder eine Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Merkmale.
Ein weiteres Element für den Medientrenner ist die Tren
nungsart. Sie weist folgende Merkmale auf:
mechanisch; elektrisch; magnetisch; chemisch; oder eine Kombination der vorgenannten Merkmale.
mechanisch; elektrisch; magnetisch; chemisch; oder eine Kombination der vorgenannten Merkmale.
Ein weiteres Element ist die Trennungskraft, welche sich
in folgende Merkmale untergliedert:
Relativbewegungskraft; elektrische Anziehungskraft; mag netische Anziehungskraft; chemische Bindungskraft; polare Anziehungskraft; elektrische Abstoßkraft; magnetische Ab stoßkraft; polare Abstoßkraft; Kombination der vorgenannten Kräftearten.
Relativbewegungskraft; elektrische Anziehungskraft; mag netische Anziehungskraft; chemische Bindungskraft; polare Anziehungskraft; elektrische Abstoßkraft; magnetische Ab stoßkraft; polare Abstoßkraft; Kombination der vorgenannten Kräftearten.
Als weiteres Element für den Medientrenner ist der Trennungs
ort anzuführen. Er kann innerhalb der Wärmekraftmaschinen
anordnung an mehreren Stellen sein oder bei entsprechender
Stoffwahl sogar entfallen.
Als Trennungsorte innerhalb der Wärmekraftmaschinenan
ordnung kommen der Medientrenner, die Wärmetauscher, die
Filter, der Kondensator, der Medientransport, der Expansor,
der Verdichter oder eine Kombination der aufgeführten
Orte in Betracht.
Die Wärmekraftmaschinenanordnung besteht aus einer Wärme
kette, welche zwangsweise gesteuert wird und immer in
einer Richtung weiterströmt. Da infolge isochorer Zu
standsänderung der momentane Druck von der Temperatur
abhängt, ist es sinnvoll, die Gaskette durch geeignete
Mechanismen weiterzutransportieren.
Bekannt sind Drehkolbengebläse zB. Rootsverdichter, die
ohne innere Verdichtung arbeiten. Aufgrund der Geometrie
der Drehkolben wird auf der Saugseite das Medium einge
schlossen und zur Druckseite hin transportiert. Dort er
folgt die zwangsweise Verdrängung gegen den vorhandenen
Widerstand, der sich je nach Anlage ergibt. Die Ver
dichtungsendtemperatur ist heute üblicherweise auf etwa
150°C begrenzt. Höhere Temperaturwerte können ggf. zum
Anstreifen der Drehkolben an der Innengeometrie führen.
Eine Laufspielvergrößerung führt zum Anwachsen des volu
metrischen Verlustes. Das erreichbare Verdichtungsver
hältnis wird direkt durch die Verdichtungsendtemperatur
begrenzt.
Für den Medientransport werden Steuerorgane benötigt,
welche das Gas definiert weitertransportieren und tem
peraturunempfindlich sind. Für diese Funktion kommen
praktisch alle Verdrängermaschinen in Frage. Das Arbeits
medium wird in definierter Weise vom Gesamtstrom abge
trennt, weitertransportiert und ausgeschoben.
Fig. 11 zeigt eine mögliche Form der Drehkolben eines
Verdrängergebläses (G) und eine mögliche Ausbildung und
Aufteilung des Gehäuses. Für den Medientransport wird
zweckmäßig eine Reihe von Verdrängerkolben einge
setzt. Eine mögliche Anordnung der Mehrzahl an Ver
drängerkolben ist die axiale Ausrichtung auf einer
Achse. Grundsätzlich bieten sich zwei konstruktive Lö
sungen an: zum einen die einteilige Version der Verdrän
gerdrehkolbenachse, wie in Fig. 15 im Längsschnitt dar
gestellt, zum anderen die in Fig. 16 gezeigte unter
teilte Version.
Die Ausführungsformen gemäß Fig. 11 und 13 passen
sinngemäß zu der Ausführungsform gemäß Fig. 15; die
Ausführung gemäß den Fig. 12 und 14 zu derjenigen
gemäß Fig. 16.
Diese konstruktiv grobe Unterteilung in zwei Ausführungs
möglichkeiten läßt noch mehrfache Kombinationen zu. So
z.B. kann eine Achse mehrteilig sein, die andere einteilig;
oder es ist eine Unterteilung des Gehäuses nicht nur in
Längsrichtung sondern auch in Querrichtung zur Längs
achse denkbar, der sog. "Sandwich"-Bauweise.
Die Fig. 11 und 12 weisen gegenüber den Fig. 13
und 14 unterschiedliche Drehkolbenformen auf, ohne daß
eine Einbuße an Förderwirkung auftritt. Dies soll zeigen,
daß allein die Verdrängerwirkung der Drehkolben maßgebend
für den Transport des Arbeitsmediums ist.
Die axiale Ausrichtung der Drehkolben ergibt bauseits
eine kompakte Anordnung, wobei jeweils zwei Achsen in
einem Verdrängerblock zusammengefaßt werden. Die "Sand
wich"- Bauweise, wie in Fig. 16 und auch in den Fig.
12 und 14 dargestellt, ermöglicht vorteilhaft den Ein
satz unterschiedlicher, den jeweiligen Temperaturen an
gepaßter Materialien. Der aus mehreren Verdrängerkolben
gebläsen aufgebaute Gesamtverdrängerblock wird über
Dehnschrauben, welche in die Bohrung 181 gesteckt werden,
axial zusammengehalten. Da der Verdrängerblock immer mit
dem vorerwähnten Wärmetauscher zusammenwirkt, herrschen
auf den einzelnen Verdrängerebenen auch immer ähnliche
Temperaturen. Dies bedeutet, daß der Spalt zwischen Dreh
kolben und Gehäuse relativ eng ausgeführt werden kann.
Sinnvoll für Drehkolben und Gehäuse ist die Verwendung
von Materialien mit etwa ähnlichen Dehnungsfaktoren.
Dies bedeutet, daß der Dichtspalt in einem bestimmten
Temperaturbereich etwa konstant bleibt.
Die Synchronisation der beiden Verdrängerachsen geschieht
mit mindestens einem Zahnradpaar. Der Antrieb erfolgt
synchron oder konstant übersetzt von der Kurbelwelle
der Kraftmaschinenanordnung.
In den Fig. 15, 11 und 13 ist die einteilige Verdränger
achse dargestellt. Die Abdichtung zwischen den einzelnen
Verdrängerebenen geschieht über eine Spalt- oder Laby
rinthdichtung. Der Gehäuseblock wird über Spannschrau
ben 182 zusammengehalten.
Wie bereits beschrieben ist das Verdrängervolumen je Ver
drängereinheit auf das ausgeschobene Volumen des Verdich
ters abzustimmen. Vorausgesetzt ist, daß in einer Zeit
einheit die gleichen Volumina aus dem Verdichter ausge
schoben und die gleichen Volumina durch die Verdränger
weitertransportiert werden. Die Drehzahl der Verdränger
paare ist der Drehzahl der Kurbelwelle nach obiger Ziel
setzung anzupassen.
Der Zweck der Verdrängerpaare ist das konstante Weiter
transportieren des Wärmesystems in einer Richtung, ohne
selbst das Arbeitsmedium zu verdichten. Das Arbeits
medium erfährt die Verdichtung durch die isochor Erhitz
ung. Da somit der Druck mit zunehmender Temperatur steigt,
verhindern die Drehkolben ein Zurückströmen des Arbeits
mediums hin zu den niederen Drücken. Bei gerader Ausbil
dung der Drehkolben-Außenkanten 183 wird das Arbeits
medium im Takt der Verdränger weitertransportiert.
Dieser Ausschubstoß, angeregt durch die Verdrängerdreh
kolben, läßt sich durch schräge Drehkolben, welche das
Arbeitsmedium sanfter weitertransportieren, zum Teil
kompensieren. Durch das Zusammenwirken mehrerer Dreh
kolbenpaare hintereinander läßt sich jedes Drehkolben
paar den Anforderungen (z.B. weicher oder harter Aus
schub) entsprechend ausbilden. Auch unterschiedliche
Kolbenformen auf einer gemeinsamen Achse sind denkbar.
Lediglich die Verdrängerpaare zueinander müssen harmon
isch laufen.
Zweckmäßig werden die Verdrängerpaare mit den Wärmetau
schern so hintereinandergeschaltet, daß auf ein Ver
drängerpaar ein Wärmetauscher und dann wieder ein Ver
drängerpaar folgt. Die jeweiligen Stellungen der Dreh
kolbenpaare sind so aufeinander abgestimmt, daß ein
Drehkolbenpaar gerade eine Welle von Arbeitsmedium
abgibt und das nachfolgende Verdrängerpaar gerade eine
solche Wellenfront von Arbeitsmedium ansaugt. Somit
wirken die Volumenverdränger nicht als Verdichter son
dern nur als Transportmittel. Der dazwischenliegende
Wärmetauscherweg zwischen den einzelnen Verdränger
paaren ist in der Länge entsprechend abzustimmen.
Die Stellung der Drehkolbenpaare kann über stirn
seitige Verzahnungen (welche bei der mehrteiligen Ver
drängerachse zwischen den Verdrängerebenen sich be
finden) zueinander in konstanten Schritten verstellt
werden oder über Konusverbindungen stufenlos zueinan
der eingestellt werden, wie insbesondere die Fig. 16 er
kennen läßt.
Die Strömungsgeschwindigkeit in dem Wärmetauscherpaket
läßt sich durch kontinuierliches Anwachsen oder Ver
ringern der transportierten Volumina entweder beschleu
nigen oder abbremsen, wobei die Verdrängerpaare nur teil
weise als Verdichter wirken.
Die Lagerung der Verdrängerachse geschieht bei der ein
teiligen Version an deren Enden, bei der mehrteiligen
Achse in jeder Verdrängerebene.
In Abstimmung mit der Wärmetauscherlänge ist darauf zu
achten, daß das dazwischenliegende, zu transportierende
Medium ein schwingungsfähiges System darstellt. Die Zu
ordnung der Drehkolbenpaare zum Wärmesystem an jeweils
bestimmter Stelle hat den Vorteil, daß die gesamte Wärme
kette unterteilt wird und die Federeigenschaften der so
entstehenden Gasabschnitte jeder für sich ein härteres
Federpaket darstellt als die relativ weiche Gesamtkette.
Wenn als Variante beispielsweise ein Turbolader in den
geschlossenen Kreis zwecks Drehzahlregelung integriert
wird, so sind bei maximaler Verdichtung durch den Turbo
lader die nachfolgenden Verdrängervolumina entsprechend
zu verringern. Bei kleinerer Turbinendrehzahl wird die
fest vorgegebene Verdichtung nur zum Teil erreicht. Die
Drehkolben übernehmen dann den Rest der Verdichtung. Da
durch wird ein größerer Kraftaufwand für die Verdränger
einheit verursacht, was zu einem Abbremsen der gesamten
Wärmekette führt.
Die Abdichtung der einzelnen Drehkolbenebenen geschieht
über einen engen Spalt bzw. bei der mehrteiligen Achsen
version - im Zusammenhang mit den Lagern - über temper
aturbeständige Dichtlippen. Somit wird der Druckausgleich
zwischen den einzelnen Verdrängerebenen unterbunden.
Bei unterschiedlicher Lage der Wärmetauscher können die
Verdrängermaschinen auch einzeln zwischen den Wärmetau
schern angeordnet werden. Die vorbeschriebene kompakte
Bauweise für die Verwendung im Kfz sehr günstige, ist als
solche für die Funktion der Wärmekraftmaschinenanordnung
nicht zwingend notwendig. Für die Funktion der erfindungs
gemäßen Wärmekraftmaschinenanordnung ist es vielmehr
wichtig, daß der offene Verbrennungsprozeß und der ge
schlossene Kraftprozeß unabhängig voneinander betrieben
werden können. Hierzu sei auf die Schilderung des Starts
der neuen Wärmekraftmaschinenanordnung verwiesen.
Die in den Fig. 11 und 13 dargestellten Verdränger
paare sollen ein Beispiel sein für eine mögliche Ausbil
dung der Volumenverdränger. Auch die Anzahl der Achsen
auf mindestens zwei, ist für die Funktion des Medien
transportes unerheblich.
Um die verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten der Ge
bläse zu benennen, sind die Elemente darzustellen.
Diese sind: Volumenstrom zu Verdichtervolumen je Zeit
einheit; Wirkeinheit (Gebläse/Wärmetauscher); Anordnung
der Verdränger; Transportweg je Wirkeinheit; Strömungs
geschwindigkeit; Transportarten.
Jedem Element sind Merkmale zugeordnet. Die Gebläse
varianten ergeben sich, wenn zumindest ein Merkmal je
Element angewandt wird.
Die Merkmale zum Element "Volumenstrom zu Verdichtervo
lumen je Zeiteinheit" lauten:
gleich Verdichtervolumen; kleiner Verdichtervolumen;
größer Verdichtervolumen; eine Kombination aus den ge nannten Merkmalen.
gleich Verdichtervolumen; kleiner Verdichtervolumen;
größer Verdichtervolumen; eine Kombination aus den ge nannten Merkmalen.
Ein weiteres Element stellt die Wirkeinheit (Gebläse/
Wärmetauscher) dar. Die Merkmale lauten:
Wirkeinheit ohne Gebläse; Wirkeinheit mit Gebläse; Wirk einheit teils mit, teils ohne Gebläse.
Wirkeinheit ohne Gebläse; Wirkeinheit mit Gebläse; Wirk einheit teils mit, teils ohne Gebläse.
Ein weiteres Element ist die Anordnung der Verdränger.
Die Merkmale lauten:
separat mit Einzelantrieb; separat mit Gesamtantrieb;
separat ohne Antrieb; koaxial angeordnet mit Einzelantrieb;
koaxial angeordnet mit Gesamtantrieb; koaxial angeordnet ohne Antrieb; koaxial angeordnet und mehrfach separat mit Einzelantrieb; koaxial angeordnet und mehrfach separat mit Gesamtantrieb; koaxial angeordnet und mehrfach separat ohne Antrieb; koaxial angeordnet und mehrfach separat teils mit Antrieb, teils ohne Antrieb; eine Kombination der vorge nannten Merkmale.
separat mit Einzelantrieb; separat mit Gesamtantrieb;
separat ohne Antrieb; koaxial angeordnet mit Einzelantrieb;
koaxial angeordnet mit Gesamtantrieb; koaxial angeordnet ohne Antrieb; koaxial angeordnet und mehrfach separat mit Einzelantrieb; koaxial angeordnet und mehrfach separat mit Gesamtantrieb; koaxial angeordnet und mehrfach separat ohne Antrieb; koaxial angeordnet und mehrfach separat teils mit Antrieb, teils ohne Antrieb; eine Kombination der vorge nannten Merkmale.
Ein weiteres Element ist der Transportweg je Wirkeinheit.
Die Merkmale lauten: gleich lang, ungleich lang, gleich
und ungleich lang, in der Länge veränderbar, Längenänderung
des Transportweges temperaturbezogen, eine Kombination der vor
genannten Merkmale.
Ein weiteres Element der Gebläsekombination ist die
Stömungsgeschwindigkeit je Wirkeinheit. Die Merkmale
lauten: gleich, ungleich, unter Schallgeschwindigkeit,
über Schallgeschwindigkeit, eine Kombination der vorgenannten
Merkmale.
Ein weiteres Element sind die Transportarten. Die dazu
gehörenden Merkmale lauten: Volumenverdrängung, Trägheit
der Masse (mech. Impuls, Rotation, Schieben), Druckge
fälle, Pumpen, eine Kombination der vorgenannten Merkmale.
Bekannt sind eine Vielzahl von Formen und Arten der Wärme
tauscher. Für den Einsatz innerhalb der Wärmekraftmaschi
nenanordnung wird ein korrosions- und druckfester Wärme
tauscher gesucht, der den auftretenden Temperaturen an
gepaßt ausgeführt ist und für unterschiedliche Zwecke
in der Wärmekraftmaschinenanordnung verwendet werden kann.
Allgemein dient ein Wärmetauscher zur Wärmeübertragung.
Maßgebend hierfür ist die Austauschfläche, die Wärme
übergangszahl der Medien und die Wärmeleitzahl des ver
wendeten Materials. Durch entsprechende Festlegung der
Strömungsquerschnitte und der Strömungsführung lassen
sich annähernd gleiche Austauschflächen sowie Wärme
übergangswerte erreichen. Der Wärmedurchgang und die
Größe des Wärmetauschers werden dadurch optimiert.
Als sehr günstig erweist es sich, das wärmeabgebende
Medium innen und das wärmeaufnehmende Medium außen zu
führen. Dies hat den großen Vorteil, daß die Temperatur,
welche sich räumlich ausbreitet, allseitig genutzt wer
den kann.
Fig. 17 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des Wärme
tauschers (W). Mit 190 ist das wärmeabgebende heiße
Medium bezeichnet, welches durch das Innenrohr 194
strömt. Konzentrisch im Innenrohr 194 ist ein nicht
durchströmter Innenkörper (Seele) 192 angeordnet.
Die Seele 192 im Innenrohr 194 hat den Vorteil, daß der
relativ kleine Strömungsquerschnitt innen mit einer re
lativ großen inneren Übertragungsfläche 195 ausge
stattet ist. Die Seele 192 ist fest mit dem Innen
rohr 194 verbunden und spaltet das einströmende Medium
190 mittels eines Konus 196 in einen ringförmigen Strö
mungsquerschnitt auf. Die innere wärmeabgebende Strömung
verläuft annähernd linear, da der auftretende Strömungs
verlust gering gehalten wird. Das innere Medium 190 er
fährt innerhalb des Wärmetauschers (W) keine Strömungs
umlenkung. Der Konus 196 ist auch am anderen Ende der
Seele 192 angebracht und ermöglicht den sanften Über
gang vom Ringquerschnitt zum Vollquerschnitt im Strö
mungsverlauf. Ein derartiger Rohrwärmetauscher bietet
unter anderem den Vorteil, daß der Wärmetauscher kompakt
ausgeführt eine große Übertragungsfläche umfaßt. Diese
Art von Wärmetauscher läßt sich auch gut nebeneinander
oder übereinander anordnen.
Vorgesehen ist nach und vor jedem Rohrwärmetauscher (W)
eine bereits beschriebene Volumenverdrängereinheit,
welche lediglich das zu erhitzende Gas transportiert.
Das wärmeaufnehmende Medium 191, welches das Innenrohr
194 allseitig umspült, überstreicht das umschließende
Außenrohr 197 in einer schraubenförmigen Strömungs
führung. Die Rippen 198, welche fest auf dem Außen
rohr 197 angebracht sind, erhöhen die Übertragungs
fläche um ein Vielfaches. Das wärmeaufnehmende Medium
191 wird nun ständig umgelenkt und innerhalb einer zy
klonartigen Kreisbahn gehalten. Das wärmeaufnehmende
Medium 191 hat nun genügend Zeit, die abgegebene Wärme
aufzunehmen. Auf Grund des konstanten Volumens erhöhen
sich der Druck und die Temperatur des wärmeaufnehmenden
Mediums 191 entlang der Strömungsführung.
Nach außen hin ist der Rohrwärmetauscher (W) nach Fig.
17 mit einer doppelten Thermowand, welche noch anschlie
ßend näher beschrieben wird, isoliert. Dies ist notwen
dig, um mögliche Abstrahlungsverluste bei hoher Temper
atur so gering als möglich zu halten. Zusätzlich ist der
Wärmetauscher mit einer der jeweiligen Temperatur ent
sprechend angepaßten Außenisolierung 200 versehen. Bei
der Auslegung der Wärmekraftmaschinenanordnung ist mög
lichst darauf zu achten, daß in einer festgelegten Zeit
einheit sowohl die strömenden Massen als auch deren Wär
mekapazität der wärmeabgebenden und wärmeaufnehmenden
Medien so aufeinander abgestimmt sind, daß die Grätigkeit
der Wärmetauscher möglichst klein wird.
Fig. 18 zeigt schematisch eine Seitenansicht mehrer
übereinander angeordneter erfindungsgemäßer Rohrwärme
tauscher (W). Da der Taupunkt innerhalb der Wärmetau
scher deutlich unterschritten wird, ist in diesen Be
reichen ein korrosionsfestes Material und jeweils eine
entsprechende Ablaufeinrichtung 202 vorgesehen.
Auf Grund der Aneinanderreihung der einzelnen Rohr
wärmetauscher (W) ergibt sich je nach Wärmetauscher
länge und Durchmesser eine bestimmte Wickelsteigung
des Wärmetauscherpaketes. Das über die jeweiligen Ab
laufeinrichtungen 202 aufgefangene Kondensat wird in
einem Sammelbehälter 203 geleitet. Das Kondensat sam
melt sich an der untersten Stelle der Rohrwärmetauscher
(W). Das abgeleitete Kondensat enthält eine Reihe von
Stoffen aus dem offenen Antriebsprozeß. Die Kondensa
tion der sauren und basischen Bestandteile reinigt das
Abgas erheblich.
Die Strömungskanäle sind glatt, möglichst poliert, aus
zuführen. An den Umlenkungsstellen ist auf einen guten
Übergang der Verbindungsteile zu achten. Dies vermindert
den Druckverlust innerhalb des Abgasstromes. Das häufige
Umlenken des Abgases (z.B. Abgas vom Verbrennungsmotor)
erübrigt eine Dämpfung des Gasstromes.
Das beruhigte und gedämpfte Abgas ist lediglich vom Mo
tor wegzuführen (z.B. mittels Kunststoffrohr).
Die Strömungen innerhalb der Wärmetauscher (W) werden
zweckmäßig so gelegt, daß das wärmeabgebende Medium
sich kontinuierlich abkühlt und das wärmeaufnehmende
Medium sich kontinuierlich erhitzt. Um unnötige Druck
verluste zu vermeiden, ist es günstig, den Strömungs
querschnitt innerhalb des gesamten Wärmetauscherpaketes
konstant zu gestalten.
Die Verweilzeiten der strömenden Medien kann durch das
Bauvolumen der Wärmetauscher in Grenzen bestimmt werden.
Der Abgasstrom kann zusätzlich durch einen Medientren
ner (M), der nach dem Wärmetausch anzuordnen ist, von
belastendem Kondensat befreit werden.
Die Wärmetauscher (W) sind sowohl eingängig als auch
mehrgängig ausführbar. D. h., daß der aufnehmende Teil
in zwei separate Strömungsführungen aufgeteilt ist oder
umgekehrt.
Die Kühlung der hochbelasteten Übertragungsflächen zB.
Brennerwärmetauscher, Solarabsorber; geschieht über defi
niertes Einspritzen von flüssigem Arbeitsmittel, welches
durch die Verdampfungswärme des Arbeitsmittels zur sta
bilen Kühlung der Wärmetauschertrennwände beiträgt.
Eine weitere Möglichkeit der Kühlung besteht in einer
vollständigen Umhüllung der gefährdeten Wärmetauscher
trennwände mit flüssigem Arbeitsmittel, welches druck
dicht verschlossen ist. Die Flüssigkeit verdampft und
bildet am oberen Mantelteil ein Dampfpolster, aus welchem
kontinuierlich oder diskontinuierlich Arbeitsmitteldampf
abgeleitet wird und wodurch der Verdampfungsdruck im ge
schlossenen Arbeitsmittelbehälter konstant gehalten wird.
Die Fig. 17a und 17b zeigen einen möglichen Solar
absorber in der Vorderansicht und in der Draufsicht.
Das frische Arbeitsmedium 27 strömt in den Wärmetauscher
von unten ein und wird beim Durchströmen mit Arbeitsmittel
29 gemischt. Seitlich sind um den Solarabsorber "W" Kühl
mäntel 355 angebracht, um überschüssige Wärme abzuführen.
Das Arbeitsmittel verdampft in den Kühlmänteln und wird
dampfförmig nach oben abtransportiert.
Auf der vorderen Stirnfläche 55 trifft die Strahlung 57
auf und erhitzt das Arbeitsmedium und das Arbeitsmittel.
An der Stelle 30 verläßt das Gemisch aus Arbeitsmedium
und Arbeitsmittel den Solarabsorber "W".
Die Fig. 19a und 19b zeigen zwei Ausführungsmöglich
keiten, Längenänderungen der Rohrwärmetauscher infolge
hoher Temperaturänderungen elastisch abzufangen.
Besonders vorteilhaft ist bei der Ausführungsform gemäß
Fig. 19b, daß der Strömungsquerschnitt beibehalten wird.
Jedes Wärmetauscherrohr unterliegt verschiedene Temper
aturänderungen und somit verschiedenen Temperaturdehn
ungen. Die in Fig. 19a und 19b dargestellten Anschluß
segmente sind entsprechend der Temperaturänderung dimen
sioniert den Wärmetauscherrohren zugeordnet zu integrieren.
Turbo-Verdichter werden heute im Motorenbau zur Lei
stungssteigerung eingesetzt. Angetrieben wird der Turbo-
Verdichter entweder durch eine vom Abgasstrom beauf
schlagte Turbine oder durch einen separaten Antrieb.
Für die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschinenanordnung ist
der dabei vorgesehene Turbo-Verdichter ein Element zur
Nutzung der Geschwindigkeitsenergie der strömenden Gase
des offenen Verbrennungsprozesses.
Vorteilhaft ist der Einsatz des Turbo-Verdichters inner
halb der Wärmekette zur Verdichtung des Arbeitsmediums.
Die Wärmekraftmaschinenanordnung wird zweckmäßig so aus
gelegt, daß nach dem Turbo-Verdichter das verdrängte
Volumen um den Verdichtungsfaktor geringer ausgeführt ist.
Bei Vollast der Wärmekraftmaschinenanordnung übernimmt
die Abgas-Turbine innerhalb des offenen Verbrennungs
prozesses den Verdichtungsantrieb für den Turbo-Ver
dichter, welcher das Arbeitsmedium innerhalb des ge
schlossenen Kraftprozesses verdichtet.
Bei Teillast oder Leerlauf gibt die Turbine nicht die
ausgelegte Leistung ab, so daß der Medientransport der
Wärmekraftmaschinenanordnung selbst die vorgegebene Ver
dichtung verrichtet. Die Wärmekraftmaschinenanordnung
wird abgebremst, da der Transportaufwand des Mediums
bei Teillast oder Leerlauf infolge der inneren Verdich
tung deutlich zunimmt.
Der parallel ablaufende offene Verbrennungsprozeß, der
quantitativ oder qualitativ in der Leistung geregelt
wird, wirkt mittels der Abgasturbine, die den Verdich
ter antreibt, direkt in den geschlossenen Prozeß hinein.
Die Drehzahl der Wärmekraftmaschinenanordnung wird so
direkt verändert. Der besondere Vorteil dieser Regelungs
art liegt in dem raschen Ansprechverhalten nach einer
Laständerung.
Durch den Einsatz der Abgasturbine in den offenen Ver
brennungsprozeß bei der Wärmekraftmaschinenanordnung,
wird die Stömungs- und Druckenergie in Verdichtungs
energie umgewandelt.
Erfindungsgemäß ist die Zuschaltung der Abgasturbine im
Gasstrom nach dem Wärmetauscher der Luftvorwärmung vor
gesehen. Die Auslegung erfolgt zweckmäßig so, daß strö
mungsmäßig nach der Abgasturbine das Abgas Umgebungs
druck und Umgebungstemperatur annimmt. - Der Werkstoff
der Turbine ist entsprechend korrosionsbeständig auszu
führen. - Die Turbine treibt den Verdichter an, der vor
zugsweise innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung
angeordnet ist. Die Stelle, an welcher der Verdichter
integriert ist, wird zweckmäßig so gewählt, daß der
regenerative Wärmeaustausch nicht gestört wird,
z.B. nach dem Regenerator oder vor dem Brenner.
Die Verdichtungsenergie wirkt sich innerhalb der Wärme
kraftmaschinenanordnung an einer relativ kälteren Stelle
auf das Gesamtsystem stärker aus, als an einer relativ
wärmeren. Ebenso verhält sich das Regelverhalten.
Damit das Gemisch aus Arbeitsmedium und Arbeitsmittel
dampf strömungsmäßig auch nach dem Verdichter (Turbine)
sich noch im gesättigten Zustand befindet, wird erfin
dungsgemäß Arbeitsmittel fein zerstäubt und dosiert in
den Ansaugstutzen des Verdichters, in die Turbine selbst
oder auch danach eingespritzt. Das Verdampfen der Flüs
sigkeit bewirkt eine nur mäßige Temperatursteigerung
während der Verdichtung, der gesättigte Zustand des Ge
misches bleibt erhalten.
Die beschriebene integrierte Kühlung in den Turbo-Ver
dichter bewirkt ein relativ hohes Verdichtungsverhältnis
bei nur mäßigem Temperaturanstieg. Der Verdichtungsauf
wand bleibt somit minimal. Durch Vermindern der Arbeits
mittelmenge in, vor oder nach dem Verdichter erhöht sich
der Verdichtungsaufwand, da das Verdichtungsverhältnis
baulich festgelegt ist.
Unerheblich hierbei ist, wie der Verdichtungsaufwand
auf Turbine und Wärmekraftmaschinenanordnung aufge
teilt wird. Durch den festen baulichen Bezug muß ein
bestimmtes Volumenverhältnis erreicht werden, unge
achtet von dem Verdichtungsaufwand.
Durch Verändern der eingespritzten Arbeitsmittelmenge
wird eine zusätzliche Regelmöglichkeit für die Wärme
kraftmaschinenanordnung aufgezeigt.
Heutige Verbrennungsmotoren werden direkt (Luftkühlung)
oder indirekt (Wasserkühlung) mit Luft gekühlt. Die
Wärme wird hierbei direkt oder indirekt der Umgebungs
luft zugeführt. Die Kühlung ist notwendig, um den Schmier
film zwischen Zylinder und Kolben in jedem Betriebszu
stand aufrecht zu erhalten.
Ein neues Kühlsystem ist erforderlich, weil die bisher
bekannte Kühlung zur Leistungssteigerung der Kraftmaschine
keinen Beitrag leistet. Lediglich der Fahrgastraum, beim
Einsatz in einem Kraftfahrzeug, nutzt Teile der abge
führten Wärme.
Gesucht wird ein Kühlsystem, welches z.B. die Brennkraft
maschine, den Brenner, den Solarabsorber außen ausrei
chend kühlt und selbst diese Kühlwärme nutzt. Bei der
Kombination der Brennkraftmaschine mit der Wärmekraft
maschinenanordnung wird ein derartiges Kühlsystem ange
wendet. Die Wärmekraftmaschinenanordnung nutzt die Wärme,
welche dem System zugeführt wird. Es zeichnen sich bei
der oben genannten Kombination zweierlei Kühlungsmöglich
keiten ab.
1. Die Kühlung der Brennkraftmaschine zeitlich, örtlich
und in der Menge vorher zu bestimmen und diese ange
paßt der 4-Takt-Verbrennungsmaschine auszuführen.
In Fig. 20 ist ausschnittsweise die Kombination von
Brennkraftmaschine und Wärmekraftmaschinenanordnung
dargestellt. Hierzu sei auch auf das Gesamtschema in
Fig. 4 verwiesen.
Das vorgeheizte Arbeitsmedium, welche den Regenerator
21 und den Zwischenkühler 65 bereits durchströmt hat,
strömt vorgeheizt an der Stelle 27 in ein geschlos
senes Kanalsystem, welches der Brennkraftmaschine
umgebend angeordnet ist.
An den heißen kritischen Stellen 29 wird Arbeits
mittel in flüssiger Phase in den Strömungskanal 210
fein zerstäubt gespritzt. Der Strömungskanal 210
wird durch die druckdichte Außenwand 212 und die
Stege 211 gebildet. Die Stege 211 sind fest mit der
Wand des Zylinders 213 verbunden und wirken als Kühl
rippen. Die äußere Kühloberfläche am Zylinder wird
dadurch beachtlich erhöht.
Die Einströmstelle 27 des vorgewärmten Arbeitsmediums
ist zweckmäßig an den heißen Kopf des Zylinders ge
legt, um die Kühlwirkung örtlich richtig anzuordnen.
Infolge der zwangsweisen Strömungsführung um den
Zylinder, heizt sich das Arbeitsmedium entsprechend
auf. Arbeitsmittel wird an den Stellen 29 in den Strö
mungskanal kontinuierlich oder diskontinuierlich in
bestimmten festgelegten Mengen eingespritzt.
Diese Mengenbegrenzung ist notwendig, da der entste
hende Dampf im Expansor vollständig zur Kondensation
gezwungen wird. Die notwendige abzuführende Kühl
wärme der Brennkraftmaschine, welche hier durch das
erhitzte Arbeitsmedium, das verdampfende Arbeitsmit
tel und das Erhitzen des Arbeitsmitteldampfes voll
zogen wird, bestimmt maßgeblich die Auslegung der
erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschinenanordnung.
Empirisch ist die Kühlleistung der Brennkraftmaschine,
bezogen auf die Drehzahl, zu bestimmen. Taktbezogen
strömt jeweils die gleiche Menge an Arbeitsmedium zur
Kühlung um die Brennkraftmaschine. Die Anpassung der
realen Kühlleistung zu der empirisch ermittelten,
bezogen auf die Drehzahl, geschieht über die Menge an
Arbeitsmittel, welche eingespritzt wird. Die exakte
Mengenbegrenzung des Arbeitsmittels stellt den Regel
bereich dar, in welchem die Arbeitsmittelmenge dreh
zahlbezogen verändert wird.
Bei der diskontinuierlichen Einspritzung von Arbeits
mittel läßt sich dieses auch drehwinkelbezogen dem
Strömungskanal zuführen. Die Kühlwirkung kommt somit
auch immer dann zur Wirkung, wenn diese prozessbe
zogen notwendig ist. Die Brennkraftmaschine wird
somit während der 4 Takte äußerlich optimal gekühlt.
Die Brennkraftmaschine kann sich nie überhitzen und
erhält drehwinkelbezogen immer die exakt notwendige
Kühlung. Diese Art der äußeren Kühlung verhindert
eine übermäßige Kühlung der Brennkraftmaschine und
somit ein unnötiges Abführen von Prozeßwärme. Das
Einspritzen von Arbeitsmittel geschieht an einzelnen
Stellen der Brennkraftmaschine, welcher der Kühlung
besonders bedürfen. (z.B. Ventilsteg, Kolbensteg)
Beim Ort der Arbeitsmittel-Einspritzung ist lediglich
darauf zu achten, daß das Arbeitsmittel auch dort ver
dampft, wo die Kühlwirkung besonders erforderlich ist,
und daß das Arbeitsmittel genügend Zeit hat, noch im
Kühlkanal 210 zu verdampfen.
Zur Umgebung hin ist die Brennkraftmaschine isoliert,
um unnötige Verluste zu vermeiden. Die maximal zu
lässige Öltemperatur im Verbrennungzylinder stellt
das Grenzkriterium für die Wärmekraftmaschinenanord
nung dar, wenn vorausgesetzt wird, daß der Kolben an
der Zylinderinnenwand mit Öl geschmiert wird.
Nach gleicher Art wird auch der Brenner, Solarabsor
ber gekühlt. der Unterschied hierzu besteht darin,
daß bei der Kühlung der Brennkraftmaschine der Schmier
film erhalten bleiben muß und beim Brenner und Solar
absorber hingegen soll durch die Kühlung verhindert
werden, daß die Trennwände schmelzen. Das Grenzkri
terium für diese Wärmekraftmaschinenanordnungen ist
jeweils die Schmelztemperatur des verwendeten Werk
stoffes. Dem Grenzkriterium ist jeweils eine Tempera
tur zugeordnet, welche den Wirkungsgrad der Wärme
kraftmaschinenanordnung nach oben hin begrenzt und
festlegt. Der besondere Vorteil der oben beschriebenen
Kühlung der Brennkraftmaschine liegt in der exakten
Zuordnung der Kühlmenge an den Drehwinkel der Kolben
maschine.
2. Eine weitere Möglichkeit der Kühlung der Brennkraft
maschine sowie dem Brenner und dem Solarabsorber,
ist der geschlossene Flüssigkeitsmantel, der den zu
kühlenden Teil von außen umgibt. Während des Betriebes
der Brennkraftmaschine verdampft die Flüssigkeit an der
Außenseite des Brennkraftmaschinen-Zylinders. Die
Dampfblasen steigen nach oben in einen Sammelraum.
Der Druck innerhalb der geschlossenen Flüssigkeits
kühlung steigt und somit auch die Verdampfungstempera
tur der Flüssigkeit am Motor-Zylinder.
Über ein einstellbares Druckventil entweicht der Dampf
in einen geschlossenen Zwischenraum. Eine in ihrem
Volumen veränderbare Pumpe entnimmt aus diesem Zwischen
raum in einem drehzahlabhängigen Rhythmus Dampf und
drückt diesen in den Strömungskanal des Arbeitsmediums.
Das Arbeitsmedium wird erfindungsgemäß mit Dampf geimpft,
welcher im Expansor kondensiert und anschließend über den
Medientrenner wieder zurück in den geschlossenen Kühl
mantel gepumpt wird. Der Vorteil dieser Kühlungsvariante
ist die damit ermöglichte allseitige gleichmäßige
Kühlung der Brennkraftmaschine. Mittels eines einstell
baren Druckventils wird der Verdampfungsdruck außen an
der Brennkraftmaschine konstant gehalten und ein
Überhitzen vermieden.
Eine in ihrem Volumen veränderbare Pumpe entnimmt
diejenige Dampfvolumenmenge, welche zu einer be
stimmten Drehzahl in der Wärmekraftmaschinenanord
nung verarbeitet werden kann, welche letztere ent
sprechend dimensioniert ist.
Durch die beiden beschriebenen Kühlmethoden, welche selbst
Elemente der Wärmekraftmaschinenanordnung sind, wird eine
gleichmäßig hohe Kühlung an den gefährdeten Stellen er
reicht und innnerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung
nutzbringend umgesetzt.
Der Expansionstakt ist fester Bestandteil des Arbeits
spieles z.B. bei 4-Takt-Brennkraftmaschine. Der zu
geführte Brennstoff verbrennt mit Luftsauerstoff unter
Energieabgabe. Der sich anschließende Expansionstakt
ist der alleinige Kraftspender der Brennkraftmaschine.
In der neuen Wärmekraftmaschinenanordnung wird ein
Aggregat vorgesehen, welches, getrennt von den übrigen
Aggregaten, erfindungsgemäß Takt für Takt nur expandiert.
Zweckmäßig ist hierfür die exakte Abtrennung einer Volu
meneinheit des Arbeitsmediums von der Wärmekette, um
diese gezielt zu expandieren. Die Expansion geschieht
durch gesteuerte Volumensvergrößerung. Hierbei wird
Energie frei, welche für den Antrieb der Wärmekraft
maschinenanordnung sowie sonstiger Arbeitsmaschinen
dient. Das Arbeitsmedium, welches im Verdichter verdich
tet, in den verschiedenen Wärmetauschern erhitzt und
verdichtet wurde, strömt nun gesteuert und im gesättigten
Zustand in den Vorraum 224 des Expansors (E).
Der Vorraum 224 ist dem Expansor (E) vorgeschaltet, um
eine Volumeneinheit darin aufzunehmen und gezielt von der
Wärmekette anzutrennen. Bei ungesteuerter Strömung würde
mehr Arbeitsmedium in den Expansor nachströmen und die
Zustandsänderung des Gases ließe sich nicht exakt steuern.
Außerdem ließe sich der im Gemisch enthaltene Dampf nur
teilweise kondensieren.
Die Größe des Vorraumes 224 entspricht dem zuletzt durch
den Erhitzer geförderten Volumen, d.h. der Transport des
Arbeitsmediums endet hier in den Vorraum. Das Arbeits
medium wurde maximal erhitzt und hat nun seine höchste
Temperatur sowie höchsten Druck erreicht. Je nach Höhe
der mittleren Expansionstemperatur sind dem Expansions
takt unterschiedliche Wärmemengen zuzuführen.
Diese zugeführten Wärmemengen setzen sich zusammen aus
den Änderungen der inneren Energie des Arbeitsmediums,
der Dampfmenge und der Änderung der inneren Energie der
kondensierten Flüssigkeitsmenge, sowie der mittleren
Kondensationswärme des mitgeführten Dampfes.
Für die Auslegung der Wärmekraftmaschinenanordnung ist
entscheident und wichtig, daß pro Volumeneinheit nur so
viel an Dampf vom Arbeitsmittel mitgeführt wird, wie im
nachgeschalteten Expansor (E) auch kondensieren kann.
Bei zuviel Dampf an Arbeitsmittel ist das Gleichge
wicht der strömenden Medien im nachgeschalteten Regene
rator empfindlich gestört, sowie der Medientrenner könnte
die beiden Phasen (Gas und Dampf) nicht trennen.
Eine Verschleppung an Arbeitsmittel in der Wärmekraft
maschinenanordnung wäre die Folge.
Die Steuerung der Öffnungen in den bzw. aus dem Vorraum
224 kann mit allen bekannten Steuer- und Verschließmech
anismen geschehen. Vorzugsweise werden Ventile, welche
nockengesteuert werden, verwendet. Vorteilhaft ist die
Expansion bei konstanter Temperatur. Die zugeführte
Wärme wird während der tatsächlichen polytropen Expansion
direkt in Nutzarbeit umgesetzt.
Je höher das Temperaturniveau im Expansor, desto mehr an
Wärme muß während der Expansion zugeführt werden und desto
besser ist der thermische Gesamtwirkungsgrad der neuen
Wärmekraftmaschinenanordnung, vorausgesetzt, die mittlere
polytrope Verdichtungstemperatur bleibt auf konstant nied
rigem Niveau.
Bei optimaler Auslegung des geschlossenen Wärmekreises
strömt ein Volumenteil des Arbeitsmediums mit der
entsprechenden gesättigten Dampfmenge an Arbeitsmittel
vom abgeschlossenen Vorraum 224 in den sich stetig ver
größernden Hauptraum 220 des Expansors (E) hinein.
Aufgrund des Volumenzuwachses fällt der Druck innerhalb
der Volumeneinheit, der Dampf beginnt zu kondensieren.
Die homogene gleichmäßige Verteilung des Dampfes er
möglicht eine große Wärmeübertragungsfläche während der
Kondensation. Die zugeführte Wärme der Kondensation wird
neben den bereits beschriebenen Wärmemengen für die poly
trope Expansion verwendet.
Wäre das Gemisch aus Arbeitsmedium und Arbeitsmittel
dampf überhitzt in den Vorraum 224 gelangt, so würde
in der Anfangsphase der Expansion der innere Energie
inhalt des Dampfes solange abgebaut, bis die Konden
sationsschwelle erreicht ist. Nachfolgend sind die Zu
standsänderungen identisch mit denen bereits beschrie
benen. Lediglich die absolut verarbeitete Dampfmenge
an Arbeitsmittel ist geringer und die Arbeitsabgabe
insgesamt auch entsprechend geringer.
Optimal für den Betrieb des Expansors (E) ist es, die
Kondensationsschwelle an den Anfang der Expansion zu
legen. Diese innere Wärmezufuhr während der Expansion
hat den großen Vorteil gegenüber der äußeren Wärmezu
fuhr, daß die Wärme auch nur dann frei wird, wenn ex
pandiert wird. Eine Aufheizung des Arbeitsmediums
während der Ausschubphase geschieht nicht, wie es
etwa bei der äußeren Wärmezufuhr der Fall wäre.
Die Wärmeübertragungsfläche bei der inneren Wärmezu
fuhr ist um ein vielfaches größer als bei der äußeren
Wärmeübertragung. Der fein verteilte Dampf wirkt direkt
auf das Arbeitsmedium ohne Zwischenwand. Ein weiterer
Vorteil der inneren Wärmezufuhr ist die genaue Dosier
ung der Dampfmenge zu jeder Volumeneinheit an Arbeits
medium. Diese Dosierbarkeit beinhaltet auch eine Regel
barkeit des Expansionsraumes in Hinblick auf dessen
Arbeitsabgabe, und somit kann der Arbeitsüberschuß der
gesamten Wärmekraftmaschinenanordnung mittels Dosierung
der Dampfmenge in der Drehzahl geregelt werden.
Der Gesamtwirkungsgrad der Wärmekraftmaschinenanordnung
wird hauptsächlich von der erzielbaren Temperaturdiffe
renz vom heißen zum kalten Raum gebildet. Die heißeste
Stelle ist in der Wärmekraftmaschinenanordnung der Bren
ner, wo das Arbeitsmedium auf seine höchste Temperatur
gebracht wird. Damit der Brenner an den gefährdeten
Stellen nicht durchschmilzt, wird er von außen mit
flüssigem Arbeitsmittel gekühlt, welches verdampft und
vom Arbeitsmedium wegtransportiert wird.
Hierzu sei auch auf die Beschreibung der Kühlung in der
Wärmekraftmaschinenanordnung verwiesen, welche auch
grundsätzlich beim Brenner Anwendung findet.
In Fig. 21 sind zwei Expansionsaggregate (220/221)
allseitig umgeben von einer doppelten Vakuumisolierung
(222) dargestellt. Die Vakuumisolierung stützt sich
nur an bestimmten Stellen (225/226) am Gehäuse (227)
der Expansionsaggregate (220/221) ab. Weitere Abstützungen
der Isolierung sind (225 a/226 a/226 b/226 c).
Die Vakuumisolierung umschließt den gesamten Expansor
(E) und wird nur an bestimmten Stellen (Kurbelwelle,
Zu- und -Abfluß) durchbrochen. Die Abstützungsteile
(225/225 a/226/226 a/226 b/226 c) bestehen aus besonders
temperaturfesten und schlecht wärmeleitenden Materialien.
Auf Einzelheiten der Isolierung wird später noch einge
gangen.
Das Gehäuse (227) des Expansoraggregates (220/221) muß
aus hochtemperaturfestem Material hergestellt sein.
Besonders vorteilhaft ist dabei die Unterteilung des Ge
häuses (227) in mehrere Abschnitte: den unteren Teil als
Bodenwanne (230), darauf abgestützt den Zylinderblock
(231) sowie den Zylinderkopf (232) und abschließend den
Kopfdeckel (233).
Die Herstellung dieser Bauteile ist mittels bekannter
pulvermetallurgischer Verfahren ohne eine Nachbearbei
tung möglich.
Entsprechend sind der Kolben (241), das Pleuel (246)
und die Kurbelwelle (247) herzustellen.
Eine Teilung der Kurbelwelle z.B. unter Verwendung einer
Steckverbindung außerhalb des heißen Raumes ist denkbar
und hat den großen Vorteil, daß die Bauteile den Tempera
turen angepaßt ausgeführt werden können. Die Steckver
bindung wäre dann jedoch auch außerhalb der heißen Zone
des Expansors (220/221) vorzusehen. Der Kolben (241),
ein wesentliches Bauteil des Expansors (220) ist in Fig.
26 gesondert dargestellt. Die Außenkontur ist bewußt
kerbarm gehalten, so daß auch dieser Kolben (241) mittels
pulvermetallurgischen Verfahren herstellbar ist. Es ist
vorgesehen, den Kolben (241) ohne Nacharbeit montagefertig
herzustellen.
Der Kolben (241) weist eine Schmierung herkömmlicher Aus
gestaltung, jedoch mit einem völlig anderen Schmiermittel
auf. Das Schmiermittel (z.B.flüssiges Blei) wird flüssig
an der Lagerstelle (240) des oberen Pleuelauges nach außen
an die Zylinderwand des Expansors (220) gedrückt. Für die
Funktion der Schmierung ist entscheidend, daß während des
Betriebes desExpansors (220) ständig ein Flüssigkeitsdruck
an der Stelle (240) anliegt und sich das Schmiermittel über
den Schmierspalt zwischen Kolben und Zylinder verteilt.
Die genaue Formgebung des Kolbens (241) und des Zylinder
blocks (231) lassen einen exakten Schmierspalt um den
Kolben (241) entstehen. Der Kolben schwimmt während seiner
Hubbewegung auf einem Schmiermittelmantel und berührt
auch bei höchsten Drehzahlen die Zylinderinnenwand nicht.
Diese Funktion entspricht einem hydrostatischen Lager.
Vorzugsweise wird für die Schmierung der Kolben das Ar
beitsmittel in flüssiger Form eingesetzt. Die Tragflächen
(242) in Fig. 26 sind so ausgeführt, daß der Kolben (241)
um seine Querachse (Lagerachse) nicht kippen kann. Die
Schmierung zentriert den Kolben und dichtet gleichzeitig
rundherum ab. Diese Kolbenschmierung verliert pro Hub
bewegung Schmiermittel, welches ständig über eine nicht
dargestellte Pumpe ersetzt werden muß.
Unten sammelt sich das Schmiermittel in der Bodenwanne
(230) und gelangt so wieder in den Kreislauf. Oben wird
das Schmiermittel zusammen mit dem kondensierten Arbeits
mittel (=Schmiermittel) über die Auslaßventile (245)
aus dem Arbeitsbereich hinaus gedrückt. Die zusätzliche
Schmierung der Ventilsitze erfolgt somit zwangsläufig.
Die Ventile sind beim Ausschieben des Arbeitsmediums
mit dem Arbeitsmittel offen, so daß keine Flüssigkeit
volumenmäßig verdichtet wird. Dies würde eine Beschädi
gung der Kurbelwelle nach sich ziehen können.
Der sog. schädliche Raum wird mit Arbeitsmittel ausge
füllt sein und das Auslaßventil (245) wird erst dann
schließen, wenn der Kolben sich bereits wieder abwärts
bewegt.
Bei der Zusammenstellung verschiedener Expansionszylinder,
welche unterschiedlichen Wärmekraftmaschinenanordnungen
angehören können, ist sicherzustellen, daß diese sich
gegenseitig nicht störend beeinflußen können. Arbeits
mittel in Dampfform im Fluß nach dem Expansor stört wie
bereits beschrieben. Bei unterschiedlichen Flüssigkeiten
für Arbeitsmittel und Schmiermittel sind diese gesondert
voneinander zu trennen.
In Fig. 21 ist nur ein gemeinsamer Schmierkreislauf für
zwei Expansionszylinder dargestellt. Sinngemäß ist diese
konstruktive Darstellung mit Fig. 1 zu betrachten, wo die
Expansoren (3/4) schematisch dargestellt sind. Beide dar
gestellten Expansoren (3/4) arbeiten für ein und dieselbe
Wärmekraftmaschinenanordnung.
Zur besseren Abfuhr der Flüssigkeit aus dem Expansions
raum (220/221) läßt sich dieser um die Kurbelwellenachse
soweit schwenken, bis der Zylinderkopf nach unten ragt
und die Schwerkraft das Ausfließen aus dem Expansor (220/
221) erleichtert.
Die vorbeschriebene Ausgestaltung des Kolbens (241) nach
Fig. 26 ist speziell für besonders hohe Expansionstempera
turen gedacht. Bei niederen Expansionstemperaturen sind
auch Kolben nach heutiger Bauart einsetzbar. Das Schmier
mittel ist anschließend vom Arbeitsmittel zu trennen, vor
ausgesetzt, es würden zweierlei verwendet.
Das Gemisch aus Arbeitsmedium und Arbeitsmittel (Schmier
mittel) werden aus dem Expansor ausgeschoben. Es durch
strömt einen sog. "Demisterabscheider", welcher elektrisch
aufgeladen ist. Der sog. "Demisterabscheider" hat zweierlei
Aufgaben, einmal das Zusammenführen von kleinen Flüssig
keitströpfchen zu größeren Tröpfchen und zum zweiten das
elektrische Aufladen der Tröpfchen, um diese im Medien
trenner wieder gegenpolig aufzufangen.
Für die Funktion der Wärmekraftmaschinenanordnung ist es
wichtig, die unterschiedlichen Phasen (Arbeitsmedium=
gasförmig und Arbeitsmittel=flüssig) völlig vonein
ander zu trennen.
Bei der Niedertemperaturexpansion mit zweierlei Flüssig
keiten (Öl/Wasser) ist es sinnvoll, beim zB. geneigten
Expansionszylinder die Enden der Dichtringe am Kolben
so zu fixieren, daß deren offenes Ende oben zu liegen
kommt. Die Dichtringe sind auch gegen Verdrehen zu sichern.
Da ein Vermischen von Arbeitsmittel (z.B. Wasser) mit
Schmiermittel (z.B. Öl) nicht vollkommen ausgeschlossen
werden kann, ist ein Flüssigkeitstrenner (Schmiermittel/
Arbeitsmittel) in den Schmiermittelkreislauf und in den
Arbeitsmittelkreislauf zu integrieren.
Hervorzuheben sind noch die unterschiedlichen Ventil
schaftlängen, die notwendig sind, um das Arbeitsmedium
in den Vorraum zu steuern und von dort in den Zylinder
weiterzuleiten. Für die Steuerung sind mindestens drei
Ventile notwendig:
Ventil 1 Einlaß Gemisch aus Arbeitsmedium und Arbeits
mitteldampf in den Vorraum,
Ventil 2 Auslaß Gemisch aus Arbeitsmedium und Arbeits
mitteldampf aus dem Vorraum in den Expansions
zylinder bzw. Einlaß in den Expansor,
Ventil 3 Auslaß aus dem Expansor zwecks Ladungswechsel.
Die Steuerung und die Verschließmechanismen sind nicht
alleine nur mittels nockengesteuerter Ventile bewirkbar,
auch andere Mechanismen können zur Anwendung gelangen.
Das Kurbelgehäuse des Expansors gem. Fig. 21 ist druck
dicht zur Umgebung hin abzuschließen und mit Arbeitsmedium
zu füllen, um ein eventuelles Vermischen von Luft und Ar
beitsmedium vollkommen auszuschließen.
Am Ende der Expansion (Kolben am unteren Totpunkt) herrscht
im Expansionsraum ein bestimmter Druck und eine bestimmte
Temperatur. Um das Druckgefälle zum Kurbelkasten auszu
gleichen, ist der Druck im Kurbelkastengehäuse vorzugs
weise dem Enddruck der Expansion anzupassen.
Der vorbeschriebene Expansor gem. Fig. 21 ist ein Element
der Wärmekraftmaschinenanordnung, welches in einem ge
schlossenen Wärmekreis arbeitet und allein die Aufgabe
hat, hochverdichtetes Arbeitsmedium gemischt mit Arbeits
mitteldampf (auch mehrere Dampfarten sind realisierbar)
zu expandieren. Dies geschieht im 2-Takt-Verfahren,
wobei während eines Hubes expandiert und im nachfolgenden
Hub das entspannte Gasgemisch ausgeschoben wird. Geladen
wird der Vorraum (224) während des Ausschiebens für den
nächsten Expansionstakt.
Dieser Expansor ist in dieser Ausgestaltung zusammen mit
dem Medientrenner und den verschiedenen Abscheidefilter
auch für offene Fließprozesse geeignet, wobei zu beachten
ist, daß die Energiezufuhr des Dampfes vom Arbeitsmedium
umgesetzt wird, um die Ausbeute des Expansors optimal
zu gestalten.
Wesentlich für den Einsatz eines Expansors innerhalb eines
geschlossenen Wärmekreises ist das betriebsmäßig erforder
liche Expandieren zweier gasförmiger Medien, wobei das eine
kondensiert und zur Energiezufuhr des Arbeitsmediums bei
trägt.
Während der Verdichtungsphase wird in den Verdichter
Kühl- bzw. Kältemittel eingespritzt.
Der entstehende Dampf und die restlichen Flüssigkeits
tröpfchen werden zusammen mit dem verdichteten Arbeits
medium aus dem Verdichtungsraum herausgeschoben. Die
Ventile bzw. Steuerorgane für den Aus- und Einlaß werden
hierbei durch die Flüssigkeitströpfchen und dem vorbei
streichenden Dampf geschmiert.
Gleiches vollzieht sich im Expansor, dessen Ventilelemente
durch das kondensierende Arbeitsmittel geschmiert und teil
weise auch in der Bewegung gedämpft werden.
Im oberen Totpunkt schiebt der Kolben (z.B. Expansor)
Arbeitsmittel und Schmiermittel zum Auslaßventil hinaus.
Der Raum oberhalb des Kolbens ist vollkommen mit Flüssig
keit ausgefüllt. Beim Schließen der Auslaßventile werden
diese geschmiert und in ihrer Bewegung gedämpft.
Um die verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten der Ex
pansoren zu benennen, sind die Elemente darzustellen
aus welchen ein Expansor besteht.
Dies Elemente lauten: Stoffzufuhr; Energiezufuhr;
Energieabfuhr; Expansor-Ausbildung; Steuerung der Ein
und Auslässe; Isolierung; Medientrenner.
Elemente, die bereits beschrieben wurden, werden nicht
nochmals ausgeführt.
Jedem Element sind Merkmale zugeordnet. Die Expansoren
varianten ergeben sich, wenn zumindest ein Merkmal je
Grundelement angewandt wird.
Die Merkmale nun im einzelnen.
Für die Stoffzufuhr lauten die Merkmale:
- - konstante von zumindest einer Arbeitsmediumsmenge und konstante von zumindest einer Arbeitsmittelmenge;
- - ungleiche von zumindest einer Arbeitsmediumsmenge und konstante von zumindest einer Arbeitsmittelmenge;
- - konstante von zumindest einer Arbeitsmediumsmenge und ungleiche von zumindest einer Arbeitsmittelmenge;
- - ungleiche von zumindest einer Arbeitsmediumsmenge un 72373 00070 552 001000280000000200012000285917226200040 0002003826117 00004 72254d konstante von zumindest einer Arbeitsmittelmenge;
- - konstante von zumindest einer Arbeitsmediumsmenge;
- - ungleiche von zumindest einer Arbeitsmediumsmenge;
- - konstante von zumindest einer Arbeitsmittelmenge;
- - ungleiche von zumindest einer Arbeitsmittelmenge,
Ein weiteres Element ist die Energiezufuhr in den Expansor.
Die Merkmale dieses Elementes wurden bereits beschrieben.
Ein weiteres Element ist die Energieabfuhr aus dem Ex
pansor. Diese Merkmale wurden bereits beschrieben.
Für das vorgenannte Element Stoffzufuhr lautet ein weiteres
Merkmal:
- - Stoffzufuhr dargestellt von einer Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Merkmalen, welche bereits be schrieben sind.
Ein weiteres Element ist die Expansor-Ausbildung.
Die Merkmale hierzu lauten:
- - mit Hauptraum und zumindest einem konstanten Vorraum;
- - mit Hauptraum und zumindest einen im Volumen variablen Vorraum;
- - mit Hauptraum ohne Vorraum;
- - mit im Volumen veränderbaren Hauptraum und zumindest einen konstanten Vorraum;
- - mit im Volumen veränderbaren Hauptraum und zumindest einen im Volumen veränderbaren Vorraum;
- - mit einen im Volumen veränderbaren Hauptraum ohne Vor raum;
Ein weiteres Element für den Expansor ist die Steuerung
der Ein- und Auslässe. Die Merkmale lauten im einzelnen:
- - zwangsgesteuert (Haupt- und Vorraum);
- - ohne Steuerung;
- - zwangsgesteuerter Hauptraum und ungesteuerter Vorraum;
- - ungesteuerter Hauptraum und gesteuerter Vorraum;
- - gesteuerter Hauptraum, gesteuerter Vorraum;
Ein weiteres Element ist die Isolierung des Expansors.
Die Merkmale lauten hierzu im einzelnen:
- - mit isoliertem Haupt- und Vorraum;
- - mit teilisoliertem Haupt- und teilisoliertem Nebenraum;
- - ohne Isolierung
- - mit isoliertem Vorraum und nicht isoliertem Hauptraum;
- - mit isoliertem Hauptraum und nicht isoliertem Vorraum;
Ein weiteres Element des Expansors ist der Medientrenner.
Die einzelnen Merkmale hierzu sind dem allgemein beschrie
benen Medientrenner zu entnehmen.
Die heute vewendeten mechanischen Einspritzanlagen werden
in antriebslose und von der Brennkraftmaschine angetrie
bene Systeme unterschieden. Die antriebslosen mecha
nischen Einspritzsysteme werden vor allem für die Benzin
einspritzung bei Ottomotoren verwendet. Die von der Brenn
kraftmaschine angetriebenen Einspritzsysteme werden bei
Dieselmotoren verwendet.
Wie aus der Fachliteratur bekannt werden die Hauptgruppen
dieser angetriebenen Einspritzsysteme nach Fa. Bosch in
die Type "PE", welche Regler, Förderpumpe, Spritzverstel
ler, Kraftstoff - Filter, Düsenhalter und Einspritzdüsen
beinhaltet und die Type "PF" unterschieden, die ohne An
triebsnockenwelle, Regler, Förderpumpe und Spritzverstel
ler jedoch mit Kraftstoff- Filter, Düsenhalter und Ein
spritzdüsen arbeitet.
Für die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschinenanordnung
wird ein angetriebenes Einspritzsystem bevorzugt, da es
in der Wirkungsweise und im Aufbau einfacher einzusetzen
ist. Die hier benötigte Einspritzpumpe hat neben dem Kraft
stoff, das Arbeitsmittel und das Kälte- bzw. Kühlmittel
drehwinkelabhängig an unterschiedlichen Stellen und in
unterschiedlichen Mengen einzuspritzen.
Dies ist nur möglich, wenn die einzelnen Pumpenelemente
für Kältemittel (oder Kühlmittel), Arbeitsmittel und dem
Kraftstoff mit dem Zufluß, Abfluß und Rückfluß vollkommen
voneinander getrennt arbeiten. So können mehrere flüssige
Medien parallel zu bestimmten Zeitpunkten und mit unter
schiedlicher Dauer und Menge in die Wärmekraftmaschinen
anordnung eingespritzt werden. Die einzelnen Pumpen
elemente der Einspritzpumpe werden pro Arbeitstakt alle
benötigt. Der Aufbau und die Wirkungsweise der Pumpen
elemente entsprechen den heute bekannten Ausführungs
formen. Erfindungsgemäß ist jedes Pumpenelement ein eigen
ständiges Aggregat, welches den Anforderungen und Eigen
schaften der eingespritzten Flüssigkeit speziell ange
paßt ist. Alle Pumpenelemente gemeinsam bilden die Ein
spritzpumpe der Wärmekraftmaschinenanordnung.
Hohe Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Pum
penelementen (z.B. flüssiges Arbeitsmittel und Kältemittel)
werden durch entsprechende Isolation der Pumpenelemente
ausgeglichen. Die Dimensionierung der Einspritzpumpe ge
schieht aufgrund der Auslegung und Mengenfestlegung der
Wärmekraftmaschinenanordnung. Im einzelnen unterscheiden
sich die Pumpenelemente neben den unterschiedlichen Flüs
sigkeiten durch verschiedene Pumpenkolbendurchmesser (Ein
spritzmenge), verschiedene Nockenformen (Einspritzzeit
punkt und Dauer), unterschiedliche Pumpennutzsteuer
geometrien (unterschiedlicher Regelbereich und Menge),
unterschiedlichen Abdichtungen (unterschiedliche physi
kalische Eigenschaften der Flüssigkeiten), unterschiedliche
Filter (flüssigkeits- und temperaturabhängig), unter
schiedlicher Schmierung (abhängig von der Viskosität
und den Schmiereigenschaften der Flüssigkeit), Leck
sperren falls dies die Viskosität erfordert und für jede
Flüssigkeit eine Förderpumpe.
Die vorgenannten Abweichungen stellen nur den groben
Umriß der angepaßten Konstruktionsmerkmale dar. Sie er
heben nicht den Anspruch auf Vollständigkeit.
Die Anpassung und Abstimmung der Pumpenelement zur Wärme
kraftmaschinenanordnung über den gesamten Regelbereich
hat ausschließlich zur Erzielung der optimalen Leistungs
ausbeute zu erfolgen.
Für Wärmekraftmaschinenanordnungen, die nicht mit her
kömmlichen Brennkraftmaschinen gekoppelt sind, erfolgt
z.B. die Mengenveränderung des Arbeitsmittels proportional
zur Kraftstoffmenge, da die Kühlwirkung mit zunehmender
Kraftstoffmenge zunimmt.
Bei der Kopplung der Wärmekraftmaschinenanordnung mit
Brennkraftmaschinen, ist das Arbeitsmittel nur in be
schränktem Umfang variierbar, da der Schmierfilm der
Brennkraftmaschine erhalten bleiben muß.
Der Regelbereich des Arbeitsmittels ist empirisch oder
durch Berechnung festzustellen. Denn nur die ermittelte
Kühlmengendifferenz an der Brennkraftmaschine bei unter
schiedlichen Drehzahlen kann als realer Regelbereich
herangezogen werden.
Das Arbeitsmittel wird mengenmäßig und artmäßig mit der
Auslegung der Wärmekraftmaschinenanordnung festgelegt,
und von der Einspritzpumpe in flüssiger Form in die
Wärmekraftmaschinenanordnung eingespritzt. Dort ver
dampft das Arbeitsmittel und kühlt das Element. Der Medien
strom nimmt den gesättigten Dampf auf und transportiert
ihn weiter bis zum Expansor.
Die verwendeten Einspritzdüsen sollten bis nah an den Ein
spritzort hin isoliert sein, um ein vorzeitiges Verdampfen
zu vermeiden.
Das Material für die einzelnen Pumpenelemente muß den ein
zuspritzenden flüssigen Medien angepaßt ausgeführt sein.
Das Kälte- bzw. Kühlmittel wird pro Verdichtungshub
mindestens einmal in den Verdichtungsraum gespritzt.
(kontinuierlich oder diskontinuierlich)
Die Menge an Kälte- bzw. Kühlmittel wird über die schräge
Steuerkante des Druckkolbens dosiert. Durch Verstellen
der Regelstange und Verdrehen des Druckkolbens und somit
Verändern des Nutzhubes, wird der Verdichtungsaufwand für
den Kompressor der Wärmekraftmaschinenanordnung verändert,
was eine Drehzahländerung zur Folge hat, da der Leistungs
überschuß der Gesamtanordnung verändert wird.
Die Einspritzdauer wird über die Nockenform der Antriebs
welle bestimmt und kann bis zu ca. 180° Kurbelwinkel be
tragen. Der Regelbereich der Kälte- bzw. Kühlmittelmenge
wird nach empirischer Erprobung festgelegt.
Da die Temperatur des angesaugten Arbeitsmediums unter
anderem von der Außentemperatur abhängt, ist die betriebs
mäßig nachfolgend eingespritzte Kühl- bzw. Kältemittel
menge daraufhin abzustimmen.
Dies kann geschehen z.B. durch ein zusätzliches Einspritz
ventil, welches temperaturabhängig Kälte- bzw. Kühlmittel
in den Ansaugkanal des Verdichters spritzt. Durch diese
Maßnahme saugt der Verdichter Arbeitsmedium gleicher
Temperatur an, unabhängig von der Außentemperatur.
Die Mengenregulierung des Kälte- bzw. Kühlmittels in den
Verdichter arbeitet somit proportional der Regelstangen
stellung, unabhängig von der Außentemperatur.
Die vorerwähnte Einspritzpumpe muß den einzelnen Einsatz
arten angepaßt ausgeführt sein. Sie übernimmt die Haupt
funktion der Regelung und Dosierung der unterschiedlichen
Medien. Die einzelnen voneinander getrennten Elemente
der Einspritzpumpe können sowohl gemeinsam auf einer An
triebswelle und in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht
werden, als auch jedes als eigenständiges Aggregat an
unterschiedlichen Stellen innerhalb der Wärmekraftmaschinen
anordnung, jedoch mit eigenen Antrieben.
Nach der Art des Energielieferanten lassen sich grund
sätzlich vier Hauptgruppen der Wärmekraftmaschinenan
ordnungen und deren Kombinationen untereinander unter
scheiden. lnsbesondere diese vier Hauptgruppen geben in
etwa Richtungen an, mit welchen Kraft- und Wärmequellen
die Wärmekraftmaschinenanordnungen betrieben werden können.
Sie erheben nicht den Anspruch auf Vollständigkeit.
Dazu sind die Kombinationen von bekannten Brennkraft
maschinen mit Wärmekraftmaschinenanordnungen zu berück
sichtigen.
Die erste Hauptgruppe der Wärmekraftmaschinenanordnungen
wird von den flüssigen Kraftstoffen, wie Benzin, Diesel,
Alkohole usw. gebildet;
die zweite Hauptgruppe von den gasförmigen Kraftstoffen, wie Methan, Propan, Butan usw.;
die dritte Hauptgruppe von den festen Kraftstoffen, wie Kohle, Holz, brennbare Stäube, Mehl usw.;
die vierte von den Hauptgruppen ist der Antrieb mit Strahlungswärme, wie Solarstrahlung, Verbrennungsstrah lung, usw.
die zweite Hauptgruppe von den gasförmigen Kraftstoffen, wie Methan, Propan, Butan usw.;
die dritte Hauptgruppe von den festen Kraftstoffen, wie Kohle, Holz, brennbare Stäube, Mehl usw.;
die vierte von den Hauptgruppen ist der Antrieb mit Strahlungswärme, wie Solarstrahlung, Verbrennungsstrah lung, usw.
Wie bereits in der Beschreibung der allgemeinen Kühlung
der Wärmekraftmaschinenanordnung erwähnt, fällt bei der
allseitigen Ummantelung mit Kühlflüssigkeit Dampf an,
welcher dem Medienstrom zur weiteren Verwendung über
geben werden muß. Der anfallende Dampf wird in einem
Zwischenraum gespeichert.
Für das dosierte Zumessen des Dampfes in den Medien
strom bietet sich eine Kolbenpumpe an, die analog einer
Flüssigkeitspumpe den Nutzhub variabel verändern kann.
Mittels einer schrägen Steuerkante am Kolben wird die
Volumenmenge in festgelegten Grenzen verändert. Der Auf
bau dieser Dosierkolbenpumpe ist an den Aufbau einer
Flüssigkeitspumpe angelehnt, und hat die Aufgabe den
Dampf aus dem Zwischenraum dosiert dem Medienstrom zu
zuführen, um ihn im nachfolgenden Expansor zu entspannen.
Da sich der Dampf oder das Gas volumenmäßig verdichten
läßt, ist zu berücksichtigen, an welcher Stelle inner
halb der Wärmekraftmaschinenanordnung diese Dampfmenge
dem strömenden Arbeitsmedium zugeführt wird.
Der Dampfdruck sollte nur wenig über dem Arbeitsmediumdruck
des Wärmesystems liegen. Die Öffnung in den Wärmekreis ist
mit einem gesteuerten Ventil vorgesehen. Durch Verstellen
der Regelstange und damit Verdrehen des Nutzhubes wird die
Dampfvolumenmenge am Kolben dosiert vom Zwischenraum abge
nommen.
Diese Dampfdosierung wurde aufgrund der unterschiedlichen
Kühlmethoden notwendig und ist parallel zu den Flüssig
keitseinspritzpumpen zu betreiben.
Die einzelnen Einspritzpumpenelemente sind einzeln oder
zusammen kombinierbar mit Vergaser, Einspritzsystemen und
Feststoffdosierungen.
Die Mengenregelung geschieht über eine gemeinsame Regel
stange oder einzeln und getrennt z.B. mittels Stellmotor,
Bimetall oder mechanisch.
Der Regler und der Spritzversteller, wie bei den Diesel
einspritzpumpen, gehören zu den Einspritzpumpenelementen
dazu.
Aufgrund dieser Tatsache, ist es günstig, alle Pumpen
elemente der Einspritzpumpe axial ausgerichtet hinter
einander anzuordnen. Auch der Antrieb für diese Elemente
ist dann nur einmal erforderlich.
Die Schmierung der Antriebswelle kann in einem Schmier
kreislauf erfolgen, der getrennt von den anderen Schmier
kreisläufen arbeitet.
Die hermetische Abdichtung der geförderten Medien von der
Antriebswelle und deren exakten Trennung voneinander wird
vorausgesetzt.
Bei der Dampfmengendosierung kann in Abhängigkeit vom vor
handenen Dampfdruck eine nahezu konstante Dampfmenge dosiert
werden.
Durch eine Regelfeder, welche an der Regelstange angreift,
wird bei hohem Dampfdruck der Kolben 380 auf ein geringeres
Fördervolumen gestellt. Der Dampfdruck wirkt direkt oder
über einen Signalverstärker (oder Signalveränderer) auf die
Regelstange und somit auf das Fördervolumen der Dosierpumpe
ein.
Bei nachlassendem Speicherdruck (Dampfdruck) verstellt die
Regelfeder über die Regelstange das Fördervolumen der
Dosierpumpe in Richtung größeres Volumen.
Davon unabhängig bleibt die Mengenänderung des Dampfes,
welcher bei unterschiedlichen Lastzuständen durch Ver
stellen der Regelstange eingestellt werden kann.
Bei großen Volumenänderungen (druckabhängig und lastab
hängig) können auch mehrere Dosierpumpen parallel zuge
schaltet werden oder gemeinsam ständig parallel arbeiten.
Um z.B. nach einem längeren Stillstand die Wärmekraft
maschine wieder anzuwerfen, sind die erstarrten Flüssigkeiten
wieder zu verflüssigen.
Innerhalb der Einspritzpumpe läßt sich dies beispielsweise
durch Aufheizen der Pumpenzylinder 385 mittels Heizelemente
400 erreichen.
Der Kolben 380 läßt sich erst dann wieder bewegen, wenn sein
Umfeld die entsprechende Temperatur angenommen hat.
Fig. 30 zeigt eine abgeänderte Reiheneinspritzpumpe von
Fa. Bosch mit eingearbeiteten Heizelemente 400.
Wichtig ist, daß die Wärmekraftmaschinenanordnung erst
dann gestartet wird, wenn alle erstarrten Flüssigkeiten
verflüssigt sind. Mittels Regelstange 390 läßt sich dann
der nutzbare Kolbenhub des Kolbens 380 verstellen.
Heutige Otto- Brennkraftmaschinen lassen sich durch Unter
brechen des Zündkontaktes abstellen und mit der Drossel
klappe quantitativ regeln. Diesel- Brennkraftmaschinen
werden durch Abstellen der Kraftstoffzufuhr angehalten
und qualitativ über die Kraftstoffmenge geregelt.
Brennkraftmaschinen mit äußerer Verbrennung werden durch
Verändern des arbeitenden Massenstromes in der Drehzahl
und Leistung geregelt.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschinenanordnung arbeitet
wie schon beschrieben auch mit äußerer Verbrennung. Um sie
den unterschiedlichen Anforderungen anzupassen, ist ihre
Leistung und Drehzahl entsprechend zu verändern.
Allgemein wird heute bei Brennkraftmaschinen die Leistung
durch Anpassen der Drehzahl erzeugt.
Die neue Wärmekraftmaschinenanordnung bietet in vorteil
hafter Weise neben der Drehzahlveränderung auch die Möglich
keit der Wirkungsgradveränderung, die sich auf die abge
gebene Leistung auswirkt.
Angestrebt bei der Leistungsregelung wird eine Regelmög
lichkeit, welche den Wirkungsgrad möglichst wenig beein
flußt. Eine Drehzahlsteigerung der Wärmekraftmaschinen
anordnung wird erzielt, wenn die nutzbare Arbeit je Ar
beitsspiel steigt, oder wenn je Zeiteinheit mehrere Ar
beitsspiele ausgeführt werden.
Der Antrieb des Ansaugtraktes erhöht seine Drehzahl
z.B. durch einen stufenlos geregelten Elektro- Motor,
so daß mehr Luft in den Brenner gelangt. Gleichzeitig
und synchron wird mit der Einspritzpumpe mehr Kraft
stoff in den Brenner gepumpt. Dies wird durch Verstellen
des Nutzhubes mittels Regelstange an der Einspritzpumpe
bewirkt. Die Temperatur im Brenner erhöht sich. Dies hat
zur Folge, daß die vorgewärmte Verbrennungsluft heißer in
in den Brenner gelangt, so daß die Temperatur im Brenner
nochmals steigt. Die Brennertemperatur wirkt verstärkend
auf sich selbst zurück.
Gleichzeitig mit der Mengenerhöhung des Kraftstoffes wird
in den Verdichter mehr Kälte- bzw. Kühlmittel eingespritzt.
Dies geschieht durch erhöhen des Nutzhubes mittels Regel
stange an der Einspritzpumpe. Somit fällt der Verdichtungs
aufwand je Arbeitstakt für das Wärmesystem.
Zeitgleich oder geringfügig später mit Einspritzen einer
erhöhten Menge an Kraftstoff in den Brenner wird auch die
Arbeitsmittelmenge zur Kühlung des Brenners erhöht. Ein
weiterer Kühlfaktor für den Brenner ist das Arbeitsmedium,
welches durch den Regenerator vorgewärmt um den Brenner
strömt. Auch das Arbeitsmedium erhöht seine Temperatur
aufgrund der heißeren Brennertemperatur. Das heißere Ar
beitsmedium und der heißere und vermehrte Arbeitsmittel
dampf strömt nach einigen Umdrehungen der Wärmekraft
maschinenanordnung in den Vorraum des Expansors.
Der Expansor expandiert im nächsten Arbeitstakt auf
höherer Temperatur und erfährt eine höhere Wärmezufuhr
aufgrund der vermehrten Dampfmenge. Auch die Expansions
endtemperatur liegt höher, so daß das Arbeitsmedium heißer
in den Regenerator einströmt. Dies bewirkt wiederum eine
stärkere Aufheizung des frischen Arbeitsmediums. Das Ar
beitsmedium wirkt auch auf sich selbst verstärkend zu
rück.
Durch den vermehrten Volumenstrom der angesaugten Luft
und der erhöhten Kraftstoffmenge entsteht ein größerer
Abgasvolumenstrom. Die in den Abgasstrom geschaltete Ab
gasturbine dreht schneller. Der auf gleicher Welle ange
ordnete Turboverdichter ist in den Wärmestrom geschaltet
und verdichtet das Arbeitsmedium zunehmend. Der Transport
des Arbeitsmediums wird dadurch erleichtert. Die Dreh
zahl steigt, da der Leistungsüberschuß der gesamten
Wärmekraftmaschinenanordnung zunimmt.
Die Kraftstoffmenge, die Arbeitsmittelmenge, das Kälte
mittel sowie der Antrieb für den Luftvorwärmetauscher
werden jeweils zwischen Leelauf und Vollast verstellt
und mit dem Regler der Einspritzpumpe so variiert, daß
die Drehzahl der Gesamtanordnung pro Fußpedalstellung
und Leistungsbedarf konstant bleibt.
Für die Auslegung der Strömungsquerschnitte der neuen
Wärmekraftmaschinenanordnung ist zu beachten, daß die
Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums reell unter
der Schallgeschwindigkeit des strömenden Mediums bleibt,
da bei örtlicher Überschreitung der Schallgeschwindig
keit Verdichtungsstöße auftreten. Durch den sog. "Über
schallknall" verliert das strömende Arbeitsmedium an
Exergie, was dem Sinn dieser Wärmekraftmaschinenanordnung
zuwiderläuft. Die Mach-Zahl für die Strömung sollte bei
jeder Drehzahl unter 1,0 liegen.
Eine Drehzahlsenkung läuft entsprechend umgekehrt ab, wie
die beschriebene Drehzahlsteigerung.
Stehen bleibt die Wärmekraftmaschinenanordnung, wenn der
Verdichtungsaufwand und entsprechende Reibungswiderstände
höher werden als der Arbeitsgewinn, welchen der Expansor
abgibt. Dies ist der Fall, wenn die Wärmekraftmaschine
dazu tendiert in eine Wärmearbeitsmaschine überzugehen.
Die beschriebenen Regelungsarten für den Wärmekreis
können auch nur teilweise oder in Kombination mit bekannten
Regelungsmethoden wie der Volumenmengenregelung gekoppelt
werden.
Beim vorbeschriebenen Kompressor ist zu beachten, daß die
Temperatur des Arbeitsmediums gemischt mit Kältemittel
dampf bestimmte Grenzen nicht überschreiten darf, da das
mitgeführte Kältemittel sich zersetzt oder der nachge
schaltete Kühler das Gemisch nicht vollkommen konden
sieren kann. Die Bemessung des Kühlers hat unter Berück
sichtigung der unterschiedlichen Eingangstemperaturen stets
das Gemisch so stark zu unterkühlen, daß das gesamte Kälte
mittel im Arbeitsmedium kondensiert und die Unterkühlung
so groß ist, daß nachgeschaltete Filter mit ihren Strö
mungsverlusten nicht zum Überschreiten des Verdampfungs
punktes führen, während das Arbeitsmedium vom Kältemittel
getrennt wird. Bei Nichtbeachtung dieser Gegebenheit, zer
setzt sich das Kältemittel und verunreinigt das Arbeits
medium.
Bei der Kombination der Wärmekraftmaschinenanordnung mit
herkömmlichen Brennkraftmaschinen erweitern sich die
Regelungsmöglichkeiten mit den heute bekannten Verfahren
der Motorenregelung.
Die Regelung der Wärmekraftmaschinenanordnung mit Solar
antrieb erfolgt analog der bereits beschriebenen Regelung.
Nicht die Kraftstoffmenge, sondern die eingestrahlte
Leistungsmenge wird durch abblenden, wegspiegeln oder zer
streuen vor dem Solarabsorber den Erfordernissen ange
paßt. Unabhängig von dieser Leistungsregulierung sind
über Temperaturmeßfühler, welche am Solarabsorber ange
bracht sind, die Stellung der Regelstange an der Einspritz
pumpe entsprechend zu korrigieren, da Änderungen in der
Strahlungsdichte auch Änderungen innerhalb der Wärmekraft
maschinenanordnung nach sich ziehen.
Der Vorteil der solarbetriebenen Wärmekraftmaschinenan
ordnung liegt in der hohen Exergieausbeute der Wärme
strahlen und der zusätzlichen Nutzung der Kühlerabwärme
für eine Niedertemperaturheizung.
Die Größe des konzentrischen Kollektors hängt neben der
Strahlungsdichte vor allem an der zu erwartenden Leistung
der Wärmekraftmaschinenanordnung ab.
Bei der Kombination der neuen Wärmekraftmaschinenanord
nung mit einer Brennkraftmaschine ist zu beachten , daß
das geschlossene Wärmesystem zur Kühlung des offenen
Prozesses dient. Die Hauptdrehzahlregelung geschieht her
kömmlich über den offenen Prozeß. Die Arbeitsmittelmenge
ist nur in engen Grenzen variierbar, da sie zur Kühlung
der Zylinder pro Takt benötigt wird. Ein starkes Ver
ändern dieser Menge würde sonst zu einem Überhitzen der
Brennkraftmaschine führen. Die Grenzen der Arbeitsmittel
menge zur Kühlung sind empirisch festzustellen. Analog
dem bereits beschriebenen Abgasturbolader, ist dies auch
in der Kombination mit einer Brennkraftmaschine realisier
bar. Der auf gleicher Welle wie die Abgasturbine ange
ordnete Turbo- Lader ist in das Wärmesystem geschaltet
und bewirkt eine zusätzliche Verdichtung des Wärmesystems.
Nach Abfall des Abgasstromes wird auch weniger Verdichter
leistung im Wärmesystem zur Verfügung gestellt, was zu
einem Bremseffekt des Medientransportes führt. Der Lader
wird auf Vollast ausgelegt und das zu transportierende
Volumen entsprechend nach dem Lader verringert. Nach Ab
weichen von der Vollast- Drehzahl übernehmen die Medien
verdränger die zusätzliche Verdichtung des Arbeitsmediums,
was zum Bremsen des Medientransportes führt.
Der Kombinationsmotor wird durch Abschalten der Kraft
stoffzufuhr, sowie durch Unterbrechen der Arbeitsmittel
bzw. Kältemitteleinspritzung angehalten.
Die fehlende Arbeitsmitteleinspritzung führt zu einer
verminderten Energiezufuhr im Expansor und somit zu einer
rapiden Abnahme der nutzbaren Arbeit.
Die fehlende Kältemitteleinspritzung führt zu einer
rapiden Zunahme der Verdichterarbeit.
Die Wärmekraftmaschinenanordnung steht still, da die
nutzbare Arbeit geringer als der Aufwand ist.
Um eine vollkommen kalte Wärmekraftmaschinenanordnung
zum Laufen zu bringen, sind verschiedene Maßnahmen not
wendig, die nacheinander oder teilweise parallel vor dem
Start des Wärmesystems zu erfolgen haben.
Der Verdichter und der Expansor haben eigene Schmier
kreisläufe. Da das Arbeitsmittel, vorzugsweise auch als
Schmiermittel verwendet wird, ist dieses erst mittels
Heizelementen z.B. Heizspiralen zu verflüssigen. Diese
Maßnahmen sind notwendig, wenn das Arbeitsmittel bei
Umgebungstemperatur starr ist.
Etwa zur gleichen Zeit wird der Kraftstoff aufbereitet
bzw. an den Brenner gefördert, um mit der Zündspule
(Kerze) anschließend gezündet zu werden.
Der elektrische Antrieb für die Luftverdränger läuft an
und saugt frische Luft von der Umgebung durch den Ein
gangfilter an. Die noch kalte Luft wird über die einzelnen
Wärmetauscherschleusen weiterbefördert und gelangt in den
Brenner im kalten Zustand. Mittel einer elektrischen
Zündspule (Kerze) wird der anschließend eingespritzte
Kraftstoff mit der geförderten Luft verbrannt. Das heiße
Abgas wird über den Luftvorwärmetauscher geleitet und
gibt seine Wärme an die frische Verbrennungsluft ab,
welche dadurch isochor verdichtet wird. Der offene Pro
zeß wird solange gefahren, bis der Brenner seine Betriebs
temperatur erreicht hat. In der Zwischenzeit ist auch
das Arbeitsmittel verflüssigt. Eine gesondert angetrie
bene Schmiermittelpumpe drückt das flüssige Arbeits
mittel an die Schmierstellen des Expansors, bis auch die
Expansorkolben etwa die Temperatur des aufgeheizten Ar
beitsmittels angenommen haben. Auch die Leitungen zur
Einspritzpumpe werden mit flüssigem Arbeitsmittel gefüllt.
Nach Erreichen der Betriebstemperatur im Brenner und der
Vorheizung des Expansors wird die Wärmekraftmaschinenan
ordnung gestartet. Der Schleppbetrieb mit einem herkömm
lichen Anlasser muß solange aufrecht erhalten werden, bis
heißes Arbeitsmedium, gemischt mit Arbeitsmitteldampf, in
den Expansor strömt, um dort Leistung abzugeben.
Erst nach Arbeitsabgabe des Expansors läuft die Wärme
kraftmaschinenanordnung selbständig und kann anschlie
ßend in der Drehzahl geregelt werden. Die Wärmekraft
maschinenanordnung ist einsatzbereit.
Analog der bereits beschriebenen Startvorgänge für die
Wärmekraftmaschinenanordnung allgemein finden diese auch
hier Anwendung.
Das Vorheizen entfällt, da lediglich die Abdeckblenden ab
genommen werden muß und der konzentrische Spiegel nach der
Sonne ausgerichtet wird. Die Sonnenstrahlen werden über den
Spiegel eingefangen und konzentriert auf den Solarabsorber
gelenkt. Dies wird erst vorgenommen, wenn das Arbeitsmittel
verflüssigt ist und zu den einzelnen Lagerstellen gepumpt
wurde.
Ist der Wärmemotor startbereit, so wird die Abdeckung ent
fernt und gestartet. Der Startvorgang ist solange aufrecht
zu erhalten, bis das erste verdampfte Arbeitsmittel den Vor
raum des Expansors erreicht hat. Der darauffolgende Takt
expandiert das Gemisch. Die Arbeitsabgabe des Gesamtkreises
übertrifft den Aufwand. Der Startvorgang ist beendet. Das
Wärmesystem läuft selbständig. Die Größe des konzentrischen
Spiegels hängt neben der Einstrahlungsdichte auch von der
zu erwartenden Leistung der Wärmekraftmaschinenanordnung ab.
Das eingespritzte Arbeitsmittel im Solarabsorber dient zum
Kühlen des Wärmetauschers und zur besseren Wärmeabfuhr im
Absorber. Um eine möglichst hohe Leistungsausbeute zu er
zielen, ist es angebracht, den konzentrischen Spiegel in
bekannter Weise der Sonne nachzuführen.
Ist die Wärmekraftmaschinenanordnung nach Fig. 3a mit
einem Speicher ausgestattet, so ist dieser folgender
maßen zu betreiben.
Die Wärmekraftmaschinenanordnung steht still, das Arbeits
mittel wird über Heizelemente verflüssigt. Der noch kalte
Solarabsorber wird anschließend mit flüssigem Arbeitsmittel
in den Kühlkammern gefüllt. Die Abblendung bzw. Abdec
kung des konzentrischen Spiegels wird entfernt. Der Solar
absorber beginnt sich aufzuheizen. Das flüssige Arbeits
mittel (z.B. Blei) wird weiter erhitzt. Das nachfolgende
Verdampfen des Arbeitsmittels kühlt den Solarabsorber von
außen. Die Dampfblasen steigen nach oben und erhöhen den
Druck in der geschlossenen Kühlkammer. Ein einstellbares
Druckventil läßt den überschüssigen Dampf in einen nach
geschalteten Druckspeicher abströmen. Mittels einer Pumpe
wird das flüssige Arbeitsmittel in den Kühlkammern auf
konstantem Niveau gehalten. Dieser Ladevorgang des Speichers
wird solange fortgesetzt, bis der Speicher voll ist.
Die Lichtstrahlen werden danach abgeblendet bzw. abgedeckt.
Die seitlichen Kühlkammern des Solarabsorbers werden wieder
leergepumpt. Die Wärmekraftmaschinenanordnung kann nach
Bedarf zugeschaltet werden.
Diese Schaltung der Wärmekraftmaschinenanordnung eignet
sich besonders für Nachtbetrieb oder Tage geringer Strah
lungsintensität. Analog der bereits beschriebenen Vor
gehensweise wird zuerst das Arbeitsmittel verflüssigt.
Anschließend werden die leeren Leitungen mit Arbeitsmit
tel gefüllt. Wie auch in Fig. 3a dargestellt werden die
beiden Arbeitsmitteleinspritzpumpenelemente auf konstante
Nullförderung gestellt oder entkuppelt. Die Dampfdosier
pumpe wird an die Einspritzpumpe gekuppelt. Der Zufluß
und der Abfluß des Solarabsorbers wird auf den Solar
speicher umgestellt. Der Anlasser schleppt die Wärme
kraftmaschinenanordnung solange, bis das Gemisch aus Ar
beitsmedium und Arbeitsmitteldampf den Vorraum des Ex
pansors erreicht hat. Beim nachfolgend expandierenden Ar
beitstakt überwiegt bereits der Arbeitsgewinn den Aufwand.
Die Wärmekraftmaschinenanordnung ist einsatzbereit.
Wie bereits beschrieben wird das Arbeitsmittel zuerst
verflüssigt. Anschließend werden die Leitungen und die
Lager (Expansor) mit flüssigem Arbeitsmittel gefüllt.
Da beim Kombinationsmotor die eingesetzten Arbeitsmittel
zur Kühlung der Brennkraftmaschine dienen, sind diese
erst nach Erreichen der entsprechenden Verdampfungs
temperaturen zuzuschalten. Dies geschieht z.B mittels
einer temperaturgesteuerten Viskokupplung.
Gestartet wird der Motor herkömmlich über die Brenn
kraftmaschine.
Der Arbeitsüberschuß der Brennkraftmaschine dient zum
Antrieb der auf gleicher Kurbelwelle wirkenden Wärme
kraftmaschinenanordnung. Diese wird durch die Brenn
kraftmaschine solange geschleppt, bis die Verdampfungs
temperatur außen an der Brennkraftmaschine erreicht ist
und Arbeitsmittel zur Kühlung eingespritzt wird.
Dieses Arbeitsmittel verdampft und vermischt sich mit
dem heißen Arbeitsmedium. Nach einigen Umdrehungen ist
dieses Gemisch im Expansor angelangt. Das Arbeitsmittel
kondensiert. Die Wärmekraftmaschinenanordnung läuft mit
Arbeitsüberschuß, angetrieben von den Abwärmen der Brenn
kraftmaschine. Nach einigen Umdrehungen sind auch die
Expansoren auf Betriebstemperatur. Der Kombinations
motor kann eingesetzt werden.
Heutige Verbrennungsmotoren arbeiten entweder nach dem
4-Takt oder nach dem 2-Takt-Prinzip. Für jeden Ar
beitszyklus wird ein und derselbe Zylinder verwendet. Er
verdichtet das Arbeitsmedium und expandiert es.
Dieser Vorgang widerspricht jedoch der allgemeinen Lehre,
bei der Verdichtung Wärme zu entziehen und bei der Ex
pansion Wärme zuzuführen.
Die beschriebene Wärmekraftmaschinenanordnung trennt den
kalten und den heißen Raum, um deren Wirkung im zwischen
geschalteten Wärmetauscher gegenseitig arbeiten zu lassen.
Die Expansion geschieht im heißen Raum und die Verdichtung
im kalten Raum.
Pro Kurbelwellenumdrehung werden ein Verdichtungs- und ein
Expansionstakt ausgeführt. Die kleinste Zylindereinheit
einer Wärmekraftmaschinenanordnung ist eine 2-Zyl.-
Maschine.
Die Fig. 22a und 22b zeigen schematisch jeweils
zwei Zylinder in ihren unterschiedlichen Totpunkt
stellungen. Für den Expansor 250 werden zwei Vorräume
nötig, wenn die Phasenverschiebung von Verdichter und
Expansor etwa 180° betragen. Diese Phasenverschiebung
erleichtert den Medientransport innerhalb des Wärme
systems, da der Expansor genau dann ausschiebt, wenn
der Verdichter ansaugt. Bei Phasengleichheit würde das
Medium im Wärmetauscher gestaut.
Fig. 22a zeigt die Stellung, der kleinsten Zylinder
einheit, wo Expansion und Verdichtung eben beginnen.
Der Verdichter 255 schiebt das Medium kurz vor Ende dieses
Hubes aus und lädt einen der Vorräume 251 des Expansors
250. Die Vorräume 251 werden abwechselnd angesteuert.
Die Fig. 22b zeigt den Expansor 250 beim Ausschieben
des entspannten Mediums, welches vom Verdichter 255 ge
rade angesaugt wird. Aus Vereinfachungsgründen wurde der
Wärmetauscherteil mit den Medientrenner hier nicht dar
gestellt.
Bei der Kombination der Wärmekraftmaschinenanordnung
mit einer Brennkraftmaschine ist die kleinste Zylinder
einheit zweckmäßig eine 3-Zyl.-Maschine. Die Lei
stung des Aggregates wird über Hubvolumen und Drehzahl
festgelegt.
Expansor und Verdichter arbeiten nach dem gekoppelten
2-Takt-Prinzip. Die Verdichtung bzw. der Ausschub
des Mediums geschieht während eines Hubes, das An
saugen während des darauffolgenden Hubes.
Der Expansor expandiert während eines Hubes und schiebt
im darauffolgenden Hub das entspannte Medium aus.
Die Nachladung des Expansorvorraumes 251 geschieht in
der Ausschubphase oder in der Expansionsphase, je nach
Anzahl der Vorräume 251. Zwecks gleichmäßigen Dreh
momentenverlaufes werden Verdichtung und Expansion
gleichzeitig ausgeführt.
Die Fig. 23a und 23b zeigen den entsprechenden Sach
verhalt wie die Fig. 22a und 22b, jedoch mit jeweils
2 Zylindern.
Fig. 23a zeigt die beiden Verdichter 255 und 256,
welche zueinander phasenverschoben etwa 180° arbeiten,
ebenso die Expansoren 257 und 258.
Fig. 23b zeigt das Aggregat um 180° weitergedreht.
Die Vorräume der Expansoren 257 und 258 werden ab
wechselnd geladen. Dies geschieht über die Steuerung
der Ein/Auslässe der Expansoren 257 und 258. - Der
zwischen kaltem und heißem Raum jeweils angeordnete
Wärmetauscher ist in den Fig. 22a und 22b sowie
23a und 23b aus Vereinfachungsgründen nicht darge
stellt.
Das Arbeitsmedium durchläuft einen Kreislauf und wird
im Takt weitertransportiert. Die hierbei notwendige
äußere Energiezufuhr kann durch einen Verbrennungs
motor oder Brenner erfolgen.
Bei Mehrzylindermaschinen, welche alle mit einem Wärme
tauscher arbeiten, sind diese möglichst symetrisch pro
Kurbelwellenumdrehung zu verteilen, damit der Wärme
tauscher gleichmäßig beschickt wird.
Heutige Brennkraftmaschinen gelten als schadstoffarm,
wenn bestimmte Grenzwerte an CO, CH, NO x , Feststoffe
nicht überschritten werden.
Mittels Katalysator, Rußfilter oder Nachbrenner werden
diese Grenzwerte unterschritten. Das Problem der Brenn
kraftmaschinen liegt in der sehr kurzen Verbrennungszeit,
der komplexen inneren Oberflächenstruktur und den unter
schiedlichen Temperaturniveaus während der Verbrennung
im Motorzylinder.
Da diese Einflußfaktoren schwer zu beeinflussen sind,
wird das Abgas nachbehandelt. Günstiger wäre eine Brenn
kraftmaschine, welche diese vorgenannten unerwünschten
Bestandteile in dieser Menge erst gar nicht produzieren
würde!
Bei der beschriebenen Wärmekraftmaschinenanordnung fällt
mengenmäßig weniger Abgas an, da der Wirkungsgrad ent
sprechend höher ist. Auch bei der Kombination der Wärme
kraftmaschinenanordnung mit heutigen Brennkraftmaschinen
fällt mengenmäßig weniger Abgas an, da die Abwärmen aus
Kühlung und Abgas nochmals genutzt werden.
Der geschlossene Kraftprozeß der Wärmekraftmaschinenan
ordnung erzeugt kein Abgas. Der offene Verbrennungs
prozeß dagegen erzeugt Abgas.
Die innere Energie des Abgases wird der frischen Ver
brennungsluft zugeführt. Das Abgas wird hierbei unter
den Taupunkt gekühlt. Saure Bestandteile kondensieren
und reinigen das Abgas. Die ausgefallenen Kondensate
können aufgefangen, gereinigt und industriell verwendet
werden.
Aufgrund der sehr hohen Verbrennungstemperaturen laufen
die chemischen Reaktionen rascher ab. Unvollständig ver
brannte Kohlenwasserstoffe reagieren mit Sauerstoff. Die
Zeit für die Verbrennung ist deutlich länger, da die Ver
brennung nicht durch Steuerventile beendet wird.
Die ausgeführte Länge des Brenners ist dem Brennstoff
anzupassen.
Das Temperaturniveau innerhalb des Verbrennungsraumes
liegt hoch und die Verbrennung erfolgt quasi kontinuier
lich, je nach der Ausbildung der Verdrängerkörper.
Welche Bestandteile das Abgas enthält und in welcher
Menge, läßt sich erst an einem Versuchsmotor zeigen.
Die Verbrennung vollzieht sich auf hohem Niveau und das
entstehende Abgas gibt seine gesamte Wärme an die frische
Luft ab. Durch das Abkühlen unter den Taupunkt konden
sieren die flüssigen Bestandteile und reinigen das Ab
gas erheblich. Das auf Umgebungstemperatur abgekühlte
Abgas läßt sich zusätzlich durch Besprühen mit Wasser
auswaschen.
Bei Verwendung von reinem Sauerstoff als Brennstoff, ist
der NO x -Anteil im Abgas gleich Null.
Moderne Brennkraftmaschinen werden nicht direkt, sondern
lediglich indirekt gekapselt. Eine direkte thermische
Kapselung wird wegen der entstehenden Kühlprobleme nicht
durchgeführt.
Die beschriebene Wärmekraftmaschinenanordnung benötigt
eine direkte thermische Kapselung, um die entstehenden
Abstrahlungsverluste möglichst gering zu halten. Da die
Temperaturen innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung
Werte erreichen, welche an die Schmelztemperatur des
Materials reichen kann, ist eine besondere thermische
Isolation notwendig, da gängiges lsoliermaterial schmelzen
könnte.
Entscheidend für die Isolierung ist, daß das sehr hohe
Temperaturniveau sich vorzugsweise nur in einer be
stimmten Richtung ausbreitet. Große Abstrahlverluste
in die Umgebung sollen vermieden werden. Die Isolier
ung der sehr heißen Teile innerhalb der Wärmekraft
maschinenanordnung geschieht mittels einer doppelten
Vakuumtrennwand.
Die Fig. 24a, 24b bzw. Fig. 25a, 25b, 25c, zeigen
zwei Möglichkeiten, diese Tennwände auszubilden.
Fig. 24 a zeigt einen Querschnitt durch die doppelte
verspiegelte Vakuumwand. Mit 270 ist ein Stück heißes
Kurbelgehäuse bezeichnet, welches zur Umgebung hin
isoliert ist. Über eine Schräge 276 am Kurbelgehäuse 270
ist die temperaturfeste und schlecht wärmeleitende Auf
lage 271 der Isolierung angebracht.
Die Auflageoberfläche 276 ist entsprechend fein auszu
führen, um das in noch zu beschreibende Weise vorgesehene
Vakuum 273 nicht zu zerstören. Es ist eine Vakuumwanne
272 vorgesehen, welche insbesondere den heißen Teil des
Kurbelgehäuses 270 in einem Stück umfaßt.
Die Innenseite der Vakuumwanne 272 ist zur heißen Seite
hin verspiegelt, um ankommende Strahlung zu reflektieren.
Da bei Verwendung entsprechender Werkstoffe das Tempera
turniveau sehr hoch sein kann, sind zweckmäßig mehrere
verspiegelte Vakuumwände hintereinander anzubringen, bis
die Außenwand mit preisgünstigem Isoliermaterial verklei
det werden kann. Die Vakuumkammern 273 sind voneinander
unabhängig, getrennt und in sich geschlossen ausgebildet.
Der äußere Luftdruck verschließt das Vakuum in den Kammern
273 zusätzlich durch erhöhte Auflagenkraft. Vorgesehen ist
ein Anschluß eines Vakuummeters, um den Innendruck anzu
zeigen und gegebenenfalls das Vakuum wieder herzustellen.
Fig. 24a zeigt schematisch das Hintereinanderreihen von
mehreren in sich getrennten Vakuumkammern 273, die jedoch
nicht nur auf zwei beschränkt sind.
Fig. 24b zeigt die Ausgestaltung eines Durchbruchs
durch die Isolierung (z.B. Kurbelwelle, Ein- Auslaß)
Man erkennt deutlich die Formtrennung 280 und die um
laufende Schräge 276. Der Expansor (E) ist innerhalb der
Vakuumisolierung abgestützt und doch mit den einzelnen
Elementen der Wärmekraftmaschinenanordnung verbunden.
Am Expansor (E) sind Ein- und Auslässe für das Arbeits
medium vorgesehen; die gemeinsame Kurbelwelle bzw. Nocken
welle verbindet Expansor und Verdichter. Die Isolierung
weist an den entsprechenden Stellen Durchbrüche auf.
Fig. 24b zeigt beispielweise einen Durchbruch in Ansicht.
Um die Isolierung nachträglich montieren zu können, ist sie
mittig zum Durchbruch geteilt. Um den Expansor (E) voll
kommen zu isolieren, sind mindestens 1 Bodenisolierung,
1-2 Mantelisolierungen und 1 Kopfisolierung notwendig.
Die Teilung der Isolierung ist jeweils in der Mitte des
Durchbruches anzubringen.
Die Fig. 25a, 25b, 25c zeigen weitere Möglichkeiten
der lsolation für den sehr heißen Teil. Auch hier wird
mittels doppelter Vakuumwand die lsolierung vorgenommen.
Aufgebaut ist die Isolation aus einem Trägergerüst 285
an dessen schrägen Auflageflächen 285 a die Platten 286
dicht angeordnet sind, um das Vakuum geschlossen zu halten.
Die Innenflächen sind jeweils verspiegelt.
Fig. 25c zeigt einen Querschnitt durch eine derartige
Isolationsanordnung.
Fig. 25c zeigt eine Ecke der Isolation und jeweils die
schrägen Auflageflächen 285 a für die Platten 286.
Fig. 25a zeigt ein Trägergerüst 285 mit den eingelegten
Platten 286. Durchbrüche durch die lsolation werden am
Trägergerüst oder an den Platten 286 vorgenommen, welche
entsprechend ausgespart sind. Der Luftdruck drückt auf die
einzelnen Platten und dichtet somit das Vakuum ab.
Die Ausführung der Schräge 285 a am Trägergerüst 285 ist
entsprechend genau und sorgfältig auszuführen.
Dieses insbesondere nach Fig. 25 dargestellte System
hat unter anderem den Vorteil, daß die einzelnen Elemente
sich infolge Temperaturdehnung ausdehnen können, ohne
das Vakuum 287 zu zerstören. Die einzelnen Elemente sind
für sich allein leichter herstellbar.
Vorgesehen ist, nur die sehr heißen Teile der Wärmekraft
maschinenanordnung mit der doppelten Vakuumisolierung aus
zustatten. Für Teile mit nur heißer Temperatur reicht eine
einfache Vakuumisolierung.
Die Wärmekraftmaschinenanordnung ist als Gesamtheit zur
Umgebung hin zu isolieren, um unnötige Verluste zu ver
meiden. d. h. über die doppelte Vakuumisolierung hinaus
werden die Elemente insgesamt nochmals isoliert.
Mit der akkuraten thermischen Isolierung werden vorteil
haft auch die akustischen Lärmquellen gedämmt.
Durch die thermische Kapselung der Wärmekraftmaschinenan
ordnung bleibt für eine eventuelle Fahrgastraumheizung
lediglich der Kühlluftstrom, welcher durch den Kühler
streicht. Die Kühlwärme ist Wärme, die für den Kreis
prozeß nicht weiter verwendet werden kann. Ihr Anteil ist
umso höher, je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen
kaltem und heißen Raum ist.
Bei der Kombination mit einer herkömmlichen Brennkraft
maschine können die Schalldämpfer wegfallen, da das Ab
gas vom Verbrennungsmotor entsprechend oft umgelenkt
wird und somit keinen Schall nach außen transportiert.
Heutige Verbrennungsmotoren verbrennen den Kraftstoff
bzw. das Gemisch innen im Verbrennungsraum.
Lediglich der Stirling-Motor verbrennt außerhalb.
Für die innere Verbrennung können nur Kraftstoffe zum
Einsatz kommen, die vollkommen ohne Aschebildung ver
brennen.
Eine Aschebildung im Verbrennungsraum führt zu er
höhtem Verschleiß zwischen Kolben und Zylinder und
schließlich zum "Fressen". Die Lebensdauer des Motors
ist nur sehr gering. Daher werden Dieselöle, Benzine
und Gase verwendet, welche aschefrei verbrennen.
Um auch andere Energieträger, wie Kohle, Stäube, Holz,
Papier für den Antrieb eines vorstehend beschriebenen
Kreisprozesses zu nutzen, ist ein Brenner notwendig, der
angepaßt an diese Energieträger arbeitet.
Die unter Aschebildung verbrennenden Energieträger können,
wie schon erläutert, nur außerhalb der Kolbenkraftmaschine
in einem speziell ausgelegten Brenner verbrannt werden.
Für die Wärmekraftmaschinenanordnung wird der Brenner
benötigt, um das sehr hohe Temperaturniveau zu erzeugen
und zu halten. Um hierzu möglichst wenig Energie aufzu
wenden, wird die Verbrennungsluft mit der inneren Energie
des Abgases vorgeheizt. Die Verbrennungsluft wird durch
den Luftfilter angesaugt und anschließend um den kalten
Kompressorteil gelenkt, wo sie unterkühlt wird.
Mittels Drehschleusen wird die Luft weiterbefördert.
Sie strömt in den Luftvorwärmer, wo sie isochor ver
dichtet wird. Die Drehschleusen verhindern den Druck
ausgleich entgegen der Strömungsrichtung. Die Ver
brennungsluft wird solange im Luftvorwärmer geleitet,
bis die Luft annähernd die Temperatur des Abgases ange
nommen hat. Erst nach Durchlaufen der letzten Drehschleu
se gelangt die Luft hocherhitzt in den Brennraum. Dort
wird im richtigen Verhältnis Kraftstoff oder Brennstoff
zugeführt. Dieser entzündet sich sofort und reagiert mit
Luft zu CO2, NO x , SO2, usw.
Fig. 27 zeigt einen Querschnitt, Fig. 28 einen Längs
schnitt durch den vorerwähnten Brenner.
Die Zündspule 301 zündet den Brennstoff mit der Luft
beim Anfahren des Brenners. Die heißen Abgase des Brenners
wirken auf die kühle Verbrennungsluft zurück und geben
ihre innere Energie ab.
Die Strömungsenergie wird, wie schon erwähnt, mittels einer
Abgas-Turbine aufgefangen und genutzt.
Damit der Brennstoff 302 nicht bereits in der Zuführlei
tung verdampft, ist dieser mit einer Vakuumisolierung 307
versehen. Das brennende Gemisch wird im spiralförmigen
Brennraum 300 weiterbefördert. Damit die Brennraumwand
305 nicht durchschmilzt, wird über Einspritz-Ventile
304 Arbeitsmittel eingespritzt. Das Arbeitsmittel ver
dampft an der zu kühlenden heißen Brennraumwand 305 und
wird mit dem Arbeitsmedium wegtransportiert.
Nach außen ist der Brenner mit einer zweckmäßig doppelten
Vakuumisolierung 307 ausgestattet und zusätzlich mit einer
herkömmlichen Isolierung 308, um die Abstrahlverluste so
gering als möglich zu halten.
Fig. 28 zeigt einen neuen Brenner im Längsschnitt. Die
Größe der zweckmäßig vorgesehenen Neigung des Brenners
ist abhängig vom Aschegehalt des Brennstoffes. Auf
grund der sehr hohen Verbrennungstemperatur schmilzt
die Asche und fließt mit der Brennerströmung nach unten
weg. Die Länge des Brenners ist, wie schon erwähnt, vom
verwendeten Brennstoff abhängig. Die flüssige Asche fließt
zyklonartig nach unten weg und sammelt sich im Aschekasten.
Die so erstarrte Asche läßt sich weiter als Baustoff ver
wenden. Durch diese Ausbildung des Brenners lassen sich
auch Brennstoffe mit einem relativ hohem Aschegehalt ver
brennen.
Der in den Fig. 27 und 28 dargestellte Brenner stellt
nur ein Beispiel einer Vielzahl von möglichen Ausführungs
formen dar. Die flüssige Asche fließt an der Stelle 311
in den hier nicht dargestellten Aschekasten.
Das Abgas wird über den Abzug 310 in den Luftvorwärme
tauscher 50 gelenkt. Die eingescherten Noppen 312 sollen
Ascheteilchen, welche im Abgas schweben, zurückhalten.
Der Brennstoff ist für die Verbrennung entsprechend vor
zubereiten bzw. zu mahlen, um ihn im Brenner zu verbren
nen. Das Material des Brenners ist aus hochwärmefesten
Stoffen herzustellen.
Der Brenner stellt in der Wärmekraftmaschinenanordnung
das Verbindungsstück vom offenen Verbrennungsprozeß zum
geschlossenen Kraftprozeß dar.
Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten den Brenner auf
zubauen. Die erste Möglichkeit ist die in Fig. 27 bzw.
Fig. 28 dargestellte Art, den Brennraum mittig anzu
ordnen und den geschlossenen Kühlprozeß außen herumzu
leiten. Die zweite Möglichkeit ist die Umkehrung dieser
Anordnung, also den Brenner außen und die Kühlung innen.
Die stetig nachschiebende Luft drückt das brennende heiße
Gemisch durch den spiralförmigen Brennraum. Die Verbren
nung vollzieht sich kontinuierlich. Die Verbrennungsluft
wird nur bis zum Brennraum 300 mittels aufeinander abge
stimmter Drehkolben weiterbefördert.
Im Gasstrom nach dem Brennraum werden Drehschleusen nicht
benötigt, weil Strömungsrichtung und Druckgefälle über
einstimmen.
Die Strömungsführung des offenen Verbrennungsprozesses
ist zwangsläufig. Ein Betreiben des Brenners entgegen der
Strömungsrichtung würde zur Zerstörung der Wärmetauscher
für die Luftvorwärmung führen.
Wie schon beschrieben, läßt sich die Brenneraußenwand
mit einem Flüssigkeitsmantel umgeben. Das Arbeitsmittel
verdampft und sammelt sich an der oberen Stelle, wo es
taktabhängig abgesaugt und dem Arbeitsmedium an geeig
neter Stelle zugeführt wird. Zur Kühlung der Brenneraußen
wände tragen neben der verdampfenden Flüssigkeit auch
das Arbeitsmedium bei, welches sich entsprechend aufheizt.
Durch die Trennung von geschlossenem Kraftprozeß und
offenem Verbrennungsprozeß, kann die Asche nicht zum
Verschleiß und Stillstand der Kolbenmaschine führen.
Da eventuelle Ascheteilchen im Abgasstrom mitgeführt
werden, verlassen diese den Wärmetauschertrakt auch
mit dem Abgas. Die Drehkolbenschleusen befinden sich
auf der Ansaugseite des Brenners und werden deshalb
von eventuellen Ascheteilchen nicht beaufschlagt.
Das brennende Gemisch im Brennerraum wird zyklonartig
durch die Luft weitertransportiert und erfährt eine
stetige Umlenkung der Flammenfront durch die Außenwand.
Die Wärmeübertragung auf den geschlossenen Kreis ist
entsprechend gut.
Durch das feine Zersprühen des Arbeitsmittels auf die
Brennerwand, verdampft dieses großflächig und verhindert
ein Durchbrennen. Brennstoffmenge und Arbeitsmittelmenge
verhalten sich zueinander linear proportional.
Bei Wärmekraftmaschinenanordnungen, welche mit festen
Brennstoffen oder mit Brennstoffen mit hohem Aschegehalt
betrieben werden, entsteht sehr heiße bzw. flüssige Asche,
die im Aschekasten aufgefangen wird.
Um diese Energie nicht ungenutzt entweichen zu lassen,
ist vorgesehen, den Aschekasten zu kühlen und entsprechend
zu isolieren. Es ist vorgesehen als kühlendes Medium das
Arbeitsmedium zu verwenden, welches bereits vorerhitzt den
Regenerator durchströmt hat.
Die zusätzlich aufgenommene Wärme braucht dem Brenner
(heißer Teil) nicht mehr zugeführt werden.
Fig. 31 zeigt einen Schnitt durch einen Aschekasten. Die
flüssige Asche 411 sammelt sich am Boden des Aschekastens
414. Der Aschekasten 414 ist von einem temperaturbeständigen
Material 412 umgeben, welches die Kühlrohre 410 umschließt
und den Wärmeübergang zum Kühlmedium 415 verbessert.
Das gesamte Gehäuse ist noch mit einer temperaturbeständigen
Isolierung 413 umgeben.
Der Aschekasten 414 muß natürlich nach einer bestimmten Be
triebszeit entleert werden. Durch eine Klappe (nicht darge
stellt) läßt sich dieser nach vorne herausnehmen.
Um die verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten der Bren
ner zu benennen, sind die Elemente aufzuzeigen. Diese
lauten: Aufbau; Anordnung; Verbrennungsmedium; Zu
führung Verbrennungsmedium; Aggregatzustand des Energie
trägers; Zuführung Energieträger; Kühlung; Zustand Energie
träger.
Jedem Element sind Merkmale zugeordnet. Die Brennerkom
binationen ergeben sich, wenn zumindest ein Merkmal je
Element angewandt wird.
Für das Element "Aufbau" lauten die Merkmale:
- - Brenner (offener Prozeß), Kühlung geschlossener Prozeß;
- - Brenner (offener Prozeß), Kühlung offener Prozeß;
- - Brenner (geschlossener Prozeß), Kühlung geschlossener Prozeß;
- - Brenner (geschlossener Prozeß), Kühlung offener Prozeß;
- - Brenner teilweise offener, teilweise geschlossener Prozeß, Kühlung teilweise offener, teilweise geschlos sener Prozeß;
- - Brenner (offener Prozeß), Kühlung teilweise offener, teilweise geschlossener Prozeß;
- - Brenner (geschlossener Prozeß), Kühlung teilweise offener, teilweise geschlossener Prozeß;
- - Brenner (offener Prozeß), ohne Kühlung;
- - Brenner (geschlossener Prozeß), ohne Kühlung;
- - Brenner teilweise offener, teilweise geschlossener Prozeß, ohne Kühlung;
- - Brenner teilweise offener, teilweise geschlossener Prozeß, Kühlung offener Prozeß;
- - Brenner teilweise offener, teilweise geschlossener Prozeß, Kühlung geschlossener Prozeß;
- - Brenner betrieben als Kombination aus ein oder mehreren der beschriebenen Merkmale, und die Kühlung betrieben als Kombination aus ein oder mehreren der beschriebenen Kühl arten, beides dargestellt in den vorgenannten Merkmalen;
Ein weiteres Merkmal des nachfolgend aufgeführten Elementes
Anordnung lautet:
- - Anordnung des Brenners und dessen Kühlung als Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Merkmale, aufge führt in den nachfolgenden Merkmalen;
Ein weiteres Merkmal des nachfolgend aufgeführten Elementes
Verbrennungsmedium lautet:
- - Zustand des Verbrennungsmediums für den Brenner dargestellt als eine Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Arten, aufgeführt in den nachfolgenden Merkmalen;
Ein weiteres Merkmal des nachfolgend aufgeführten Elementes
Zuführung des Verbrennungsmediums lautet:
- - Zuführung des Verbrennungsmediums in den Brenner aus einer Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Zuführ arten, dargestellt in den nachfolgenden Merkmalen;
Ein weiteres Element ist die Anordnung, welche sich in
folgende Merkmale unterteilt:
- - Brenner innen, Kühlung außen;
- - Brenner außen, Kühlung innen;
- - Brenner außen, Kühlung innen und außen;
- - Brenner ohne Kühlung (weder innen noch außen)
- - Brenner innen mit Brennraumkühlung;
- - Brenner innen mit Brennraumkühlung, Kühlung außen;
- - Brenner außen mit Brennraumkühlung;
- - Brenner außen mit Brennraumkühlung, Kühlung außen;
- - Brenner außen mit Brennraumkühlung, Kühlung innen;
- - Brenner außen mit Brennraumkühlung, Kühlung innen und außen;
Ein weiteres Element ist das Verbrennungsmedium, welche
folgende Merkmale beinhaltet:
- - regenerativ vorgewärmt (durch heißes Abgas)
- - vorgewärmt durch gesonderten Wärmekreis
- - nicht vorgewärmt
- - regenerativ vorgewärmt und verdichtet
- - vorgewärmt und verdichtet (durch gesonderten Wärmekreis)
- - nicht vorgewärmt und nicht verdichtet
- - gekühlt (Normaldruck)
- - gekühlt und verdichtet
- - gekühlt (Unterdruck)
Ein weiteres Element ist die Zuführung des Verbrennungs
mediums, welche folgende Merkmale aufweist:
- - geregelte Zuführung
- - kontinuierliche Zuführung
- - diskontinuierliche Zuführung
Ein weiteres Element ist der Aggregatzustand des Energie
trägers. Dieser kann sein:
fest, flüssig, gasförmig, dampfförmig, oder eine Kombi nation der vorgenannten Zustände.
fest, flüssig, gasförmig, dampfförmig, oder eine Kombi nation der vorgenannten Zustände.
Ein weiteres Element ist die Zuführung des Energieträgers.
Die Merkmale lauten:
kontinuierlich, diskontinuierlich, geregelt, oder eine Kombi nation der vorgenannten Merkmale.
kontinuierlich, diskontinuierlich, geregelt, oder eine Kombi nation der vorgenannten Merkmale.
Ein weiteres Element ist die Kühlung (Energieabfuhr) des
Brenners. Die dazugehörenden Elemente und Merkmale sind
unter Energieabfuhr gesondert beschrieben.
Ein weiteres Element des Brenners ist der Zustand des
Energieträgers. Die Merkmale sind:
vorgewärmt, gekühlt, nicht vorgewärmt und nicht gekühlt, verdichtet, oder in einer kombinierten Form aus ein oder mehreren der aufgeführten Zustandsarten.
vorgewärmt, gekühlt, nicht vorgewärmt und nicht gekühlt, verdichtet, oder in einer kombinierten Form aus ein oder mehreren der aufgeführten Zustandsarten.
Heutige Brennkraftmaschinen werden nicht mit Feststoffen
betrieben. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschinenan
ordnung ermöglicht auch den Einsatz fester Brennstoffe.
Um diesen festen Brennstoff in der Menge zu dosieren, ist
eine Dosiereinrichtung notwendig, welche auf unterschied
liche Lastzustände durch proportionale Mengenänderung
reagieren kann.
Für diese Dosiereinrichtung ist die gemahlene Staubform
des Brennstoffes vorteilhaft, da dieser dann leichter
dosierbar ist.
Aus einer Vielzahl von Dosiermöglichkeiten wurde hier
die Förderschnecke gewählt, welche den Brennstoff über
verschiedene Temperaturzonen hinweg zum Brenner bringt.
Fig. 29 zeigt schematisch eine Festkörperdosierein
richtung. Infolge innerer Reibung als auch Abstrahlung
vom Brenner, durchläuft der feste Brennstoff nach Ein
füllen in den Einfülltrichter 315, an dem Verschluß
schieber 321 vorbei, in der Förderschnecke 316 ver
schiedene Temperaturzonen.
Der anfänglich feste Brennstoffstaub wird pastenförmig
und gast aus. Das entstehende brennbare Gas wird in der
Brennstoffpaste eingeschlossen und mit nach vorn ge
fördert.
Dicht vor dem Brenner wird der Brennstoff über den Spritz
kegel 317 in den Brenner gedrückt. Das eingeschlossene
komprimierte Gas dehnt sich aus und reißt den ein
strömenden Brennstoffstrom von innen auseinander. Mit
der sehr heißen Verbrennungsluft 319 entzündet sich die
Masse und verbrennt zyklonartig im Brennraum.
Die Verbrennungstemperatur ist derart hoch, daß die
Schlacke bzw. Asche schmilzt und mit dem geneigten Brenn
strom mitgerissen wird.
Der Brennstaub wird mittels Druckluft oder Förderband
aus dem Vorratsbunker geholt und in den Einfülltrichter
315 gegeben.
Über höhere Antriebsdrehzahl der Förderschnecke als auch
durch axiales Schieben in Spritzrichtung läßt sich die
eingespritzte Brennstoffmenge vergrößern.
Die Drehzahl der Förderschnecke 316 ist der Fördermenge
proportional. Die Drehzahlregelung der Förderschnecke 316
ist somit gleichzeitig auch Drehzahlregelung für den
Motor.
Beim Anfahren des Brenners wird der Brennstoff mittels
Zündspule 318 gezündet und brennt selbständig weiter.
Nach außen ist der Brenner mit einer doppelten Vakuum
isolierung ausgestattet, welche die Abstrahlung in Grenzen
hält.
Die konische Spitze 317 der Förderschnecke 316 dient
auch zum Verschließen der Einspritzöffnung 322 in den
Brenner. Beim Zurückfahren der Förderschnecke 316 ver
größert sich der Einspritzquerschnitt in den Brenner.
Beim Stillsetzen des Brenners wird der Verschlußschieber
321 vorgefahren. Die Schnecke wird noch solange gedreht,
bis sämtlicher Brennstoff aus den Schneckengängen in den
Brenner gespritzt wurde. Die Schnecke wird leergefahren,
um ein Verkleben zu vermeiden.
Die Form der Einspritzöffnung ist verschieden ausbildbar
z.B. konisch, spitz oder auch nadelförmig.
Der Wassergehalt des Brennstoffes sollte auf ein Mini
mum beschränkt bleiben, um den Brenner nicht unnötig zu
kühlen.
Die Förderschnecke hat gegenüber einer Kolbenpumpe den
Vorteil, daß sie den Brennstoff in kleineren Mengen
und dosiert dem Brenner zuführen kann.
Die Schnecke fördert den Brennstoff konstant und nicht
diskontinuierlich in den Brenner.
Bezugszeichen
1 kalter Arbeitsraum (Zylinder)
2 kalter Arbeitsraum (Zylinder)
3 heißer Arbeitsraum (Zylinder)
4 heißer Arbeitsraum (Zylinder)
5 Einlaß im Kompressor 2
6 Auslaß im Kompressor 2
7 Einspritzpumpe
8 Einspritzventil für Kältemittel
9 Kondensator
10 Kühlluft
11 Eintritt des Gemisches aus Arbeitsmedium und
Kältemitteldampf
12 Kältemittelabfluß
13 Medientrenner
14 Austritt des Gemisches aus Kondensator
15 Austritt des Kältemittels aus Medientrenner
16 Sammelbehälter Kältemittel
17 Kältemittelausfluß aus Sammelbehälter
18 Kältemittelkammer in Einspritzpumpe
19 Kältemittelkammer in Einspritzpumpe
20 Volumenverdrängereinheit
21 Regenerator
22 Zufluß Arbeitsmedium
23 Abfluß Arbeitsmedium
24 Zufluß entspanntes heißes Arbeitsmedium
25 Abfluß entspanntes Arbeitsmedium
26 Brenner
27 Zufluß des frischen Arbeitsmediums
28 Brennstoffzufuhr
29 Arbeitsmittelzufuhr
30 Abfluß Arbeitsmedium hocherhitzt mit
Arbeitsmitteldampf
31 Abgasleitung des Brenners
32 Luftzufuhr in den Brenner
33 Einlaßventil Vorraum Expansor 4
34 Vorraum zu Expansor 4
35 Einlaß Expansor 4
36 Auslaß Expansor 4
37 Medientrenner für Arbeitsmittel
38 Arbeitsmittelausfluß aus Medientrenner
39 Zufluß Arbeitsmittel in Arbeitsmittelsammel-
behälter
40 Arbeitsmittelsammelbehälter
41 Abfluß Arbeitsmittel zur Einspritzpumpe
42 Einspritzpumpenkammer für Arbeitsmittel
43 Einspritzpumpenkammer für Arbeitsmittel
44 Luftfilter
45 Lufteinlaß am Luftfilter
46 Lufteinlaß an Kompressoreinheit
47 Luftaustritt an Kompressoreinheit
48 Lufteintritt in Luftvorwärmer
49 abgekühltes Abgas verläßt den Luftvorwärmer
50 Luftvorwärmetauscher
51 Kondensat - Säureabfluß
52 vorgewärmte Luft Abfluß
53 heißes Abgas in Luftvorwärmetauscher
54 Solarabsorber
55 Absorberfläche
56 konzentrierender Sonnen- oder Strahlungs-
kollektor
57 Lichtstrahlen
60 Brennkraftmaschine 1
61 Brennkraftmaschine 2
62 Kammer für Kraftstoffeinspritzung
63 Kammer für Kraftstoffeinspritzung
65 Zwischenkühler
66 Abgasturbine
67 Einspritzdüse
68 Einspritzdüse
69 Abgasleitung
70 Erhitzer
105 Einlaß am Kompressor 1
106 Auslaß am Kompressor 1
108 Einspritzventil für Kältemittel Kreis 2
111 Eintritt des Gemisches in Kondensator 9
112 Kältemittelabfluß Kreis 2
113 Medientrenner Kreis 2
114 Austritt des Gemisches aus Kondensator
115 Austritt des Kältemittels aus Medientrenner
116 Sammelbehälter Kältemittel 2
117 Kältemittelausfluß aus Sammelbehälter
120 Volumenverdrängereinheit Kreis 2
121 Regenerator Kreis 2
122 Zufluß Arbeitsmedium Kreis 2
123 Abfluß Arbeitsmedium Kreis 2
124 Zufluß entspanntes Arbeitsmedium in
Regenerator 121
125 Abfluß entspanntes Arbeitsmedium aus
Regenerator 121
127 Zufluß Arbeitsmedium in Erhitzer
129 Einspritzung Arbeitsmittel in Erhitzer 70
133 Einlaß Vorraum 134
134 Vorraum Expansor 3
135 Einlaß Expansor 3
136 Auslaß Expansor 3
137 Medientrenner für Arbeitsmittel Kreis 2
138 Arbeitsmittelausfluß aus Medientrenner Kreis 2
139 Zufluß Arbeismittel Kreis 2 in
Arbeitsmittelsammelbehälter
140 Arbeitsmittelsammelbehälter Kreis 2
141 Abfluß Arbeitsmittel zur Einspritzpumpe
2 kalter Arbeitsraum (Zylinder)
3 heißer Arbeitsraum (Zylinder)
4 heißer Arbeitsraum (Zylinder)
5 Einlaß im Kompressor 2
6 Auslaß im Kompressor 2
7 Einspritzpumpe
8 Einspritzventil für Kältemittel
9 Kondensator
10 Kühlluft
11 Eintritt des Gemisches aus Arbeitsmedium und
Kältemitteldampf
12 Kältemittelabfluß
13 Medientrenner
14 Austritt des Gemisches aus Kondensator
15 Austritt des Kältemittels aus Medientrenner
16 Sammelbehälter Kältemittel
17 Kältemittelausfluß aus Sammelbehälter
18 Kältemittelkammer in Einspritzpumpe
19 Kältemittelkammer in Einspritzpumpe
20 Volumenverdrängereinheit
21 Regenerator
22 Zufluß Arbeitsmedium
23 Abfluß Arbeitsmedium
24 Zufluß entspanntes heißes Arbeitsmedium
25 Abfluß entspanntes Arbeitsmedium
26 Brenner
27 Zufluß des frischen Arbeitsmediums
28 Brennstoffzufuhr
29 Arbeitsmittelzufuhr
30 Abfluß Arbeitsmedium hocherhitzt mit
Arbeitsmitteldampf
31 Abgasleitung des Brenners
32 Luftzufuhr in den Brenner
33 Einlaßventil Vorraum Expansor 4
34 Vorraum zu Expansor 4
35 Einlaß Expansor 4
36 Auslaß Expansor 4
37 Medientrenner für Arbeitsmittel
38 Arbeitsmittelausfluß aus Medientrenner
39 Zufluß Arbeitsmittel in Arbeitsmittelsammel-
behälter
40 Arbeitsmittelsammelbehälter
41 Abfluß Arbeitsmittel zur Einspritzpumpe
42 Einspritzpumpenkammer für Arbeitsmittel
43 Einspritzpumpenkammer für Arbeitsmittel
44 Luftfilter
45 Lufteinlaß am Luftfilter
46 Lufteinlaß an Kompressoreinheit
47 Luftaustritt an Kompressoreinheit
48 Lufteintritt in Luftvorwärmer
49 abgekühltes Abgas verläßt den Luftvorwärmer
50 Luftvorwärmetauscher
51 Kondensat - Säureabfluß
52 vorgewärmte Luft Abfluß
53 heißes Abgas in Luftvorwärmetauscher
54 Solarabsorber
55 Absorberfläche
56 konzentrierender Sonnen- oder Strahlungs-
kollektor
57 Lichtstrahlen
60 Brennkraftmaschine 1
61 Brennkraftmaschine 2
62 Kammer für Kraftstoffeinspritzung
63 Kammer für Kraftstoffeinspritzung
65 Zwischenkühler
66 Abgasturbine
67 Einspritzdüse
68 Einspritzdüse
69 Abgasleitung
70 Erhitzer
105 Einlaß am Kompressor 1
106 Auslaß am Kompressor 1
108 Einspritzventil für Kältemittel Kreis 2
111 Eintritt des Gemisches in Kondensator 9
112 Kältemittelabfluß Kreis 2
113 Medientrenner Kreis 2
114 Austritt des Gemisches aus Kondensator
115 Austritt des Kältemittels aus Medientrenner
116 Sammelbehälter Kältemittel 2
117 Kältemittelausfluß aus Sammelbehälter
120 Volumenverdrängereinheit Kreis 2
121 Regenerator Kreis 2
122 Zufluß Arbeitsmedium Kreis 2
123 Abfluß Arbeitsmedium Kreis 2
124 Zufluß entspanntes Arbeitsmedium in
Regenerator 121
125 Abfluß entspanntes Arbeitsmedium aus
Regenerator 121
127 Zufluß Arbeitsmedium in Erhitzer
129 Einspritzung Arbeitsmittel in Erhitzer 70
133 Einlaß Vorraum 134
134 Vorraum Expansor 3
135 Einlaß Expansor 3
136 Auslaß Expansor 3
137 Medientrenner für Arbeitsmittel Kreis 2
138 Arbeitsmittelausfluß aus Medientrenner Kreis 2
139 Zufluß Arbeismittel Kreis 2 in
Arbeitsmittelsammelbehälter
140 Arbeitsmittelsammelbehälter Kreis 2
141 Abfluß Arbeitsmittel zur Einspritzpumpe
Fig. 5 Verdichter (V)
149 Auslaßventil
150 Nockenwelle Verdichter (V) für Auslaß
151 Nockenwelle Verdichter (V) für Einlaß
152 Einlaßventil
153 Verdichtungskolben
154 Kältemittelzufluß
155 Düsenhalter
156 Ölpumpe
157 Ölspiegel/Schmiermittelsumpf
158 Kühlkanal
159 Isolierung
149 Auslaßventil
150 Nockenwelle Verdichter (V) für Auslaß
151 Nockenwelle Verdichter (V) für Einlaß
152 Einlaßventil
153 Verdichtungskolben
154 Kältemittelzufluß
155 Düsenhalter
156 Ölpumpe
157 Ölspiegel/Schmiermittelsumpf
158 Kühlkanal
159 Isolierung
Fig. 6 Kondensator (K)
Fig. 7 Kondensator (K)
160 Gemisch aus Arbeitsmedium und Kältemitteldampf
161 Kühllamellen
162 Sammelstelle für Kältemittel
163 Kältemittelabfluß
164 kommunizierendes Gefäß
165 Sammelleitung
166 Kältemittelsammelbehälter
167 Strömungsquerschnitt
Fig. 7 Kondensator (K)
160 Gemisch aus Arbeitsmedium und Kältemitteldampf
161 Kühllamellen
162 Sammelstelle für Kältemittel
163 Kältemittelabfluß
164 kommunizierendes Gefäß
165 Sammelleitung
166 Kältemittelsammelbehälter
167 Strömungsquerschnitt
Fig. 8a, 8b Medientrenner (M)
Fig. 9a, 9b Medientrenner (M)
Fig. 10 Medientrenner (M)
169 Kammer
170 Gemisch aus Arbeitsmedium und Kältemittel
171 Austrittsöffnungen
172 kommunizierendes Gefäß
173 untere Bereich
174 vertikale Kältemittelabfuhrleitungen
175 Zwischenwände
176 Rillen
177 unterbrochene Zwischenwand
178 Rückwand
179 Kältemittel
Fig. 9a, 9b Medientrenner (M)
Fig. 10 Medientrenner (M)
169 Kammer
170 Gemisch aus Arbeitsmedium und Kältemittel
171 Austrittsöffnungen
172 kommunizierendes Gefäß
173 untere Bereich
174 vertikale Kältemittelabfuhrleitungen
175 Zwischenwände
176 Rillen
177 unterbrochene Zwischenwand
178 Rückwand
179 Kältemittel
Fig. 11; Fig. 12, Fig. 13, Fig. 14, Fig. 15, Fig. 16
Verdrängergebläse (G)
180 Drehkolben
181 Durchgangsloch für Dehnschrauben
182 Spannschrauben
183 Außenkante Drehkolben
Verdrängergebläse (G)
180 Drehkolben
181 Durchgangsloch für Dehnschrauben
182 Spannschrauben
183 Außenkante Drehkolben
Fig. 17, Fig. 18, Fig. 17a Wärmetauscher (W)
190 wärmeabgebendes Medium
191 wärmeaufnehmendes Medium
192 Seele des Innenrohres
193 Befestigungsfüße der Seele im Innenrohr
194 Innenrohr
195 innere Übertragungsfläche
196 Konus
197 äußere Übertragungsfläche
198 Rippen
199 doppelte Vakuumisolierwand
200 Außenisolierung
201 einzelnes Wärmetauscherelement (W)
202 Kondensatablauf (schematisch)
203 Kondensatsammelbehälter (schematisch)
190 wärmeabgebendes Medium
191 wärmeaufnehmendes Medium
192 Seele des Innenrohres
193 Befestigungsfüße der Seele im Innenrohr
194 Innenrohr
195 innere Übertragungsfläche
196 Konus
197 äußere Übertragungsfläche
198 Rippen
199 doppelte Vakuumisolierwand
200 Außenisolierung
201 einzelnes Wärmetauscherelement (W)
202 Kondensatablauf (schematisch)
203 Kondensatsammelbehälter (schematisch)
Fig. 20 Kühlung
210 Strömungskanal
211 Strömungsstege
212 Außenwand
213 Verbrennungszylinder
210 Strömungskanal
211 Strömungsstege
212 Außenwand
213 Verbrennungszylinder
Fig. 21 Expansor (E)
220 Expansor 1
221 Expansor 2
222 Vakuumisolierung
223 Heizspirale
224 Vorraum
225/225 a Abstützung der Vakuumisolierung
226/226 a/226 b/226 c Abstützung der Vakuumisolierung
227 Expansionsgehäuse
230 Bodenwanne
231 Zylinderblock
232 Zylinderkopf
233 Kopfdeckel
220 Expansor 1
221 Expansor 2
222 Vakuumisolierung
223 Heizspirale
224 Vorraum
225/225 a Abstützung der Vakuumisolierung
226/226 a/226 b/226 c Abstützung der Vakuumisolierung
227 Expansionsgehäuse
230 Bodenwanne
231 Zylinderblock
232 Zylinderkopf
233 Kopfdeckel
Fig. 26 Kolben
240 Druckstelle des Kolbens
241 Kolben
242 Kolbentragfläche
243 Arbeits-Schmiermittel
244 Einlaß Hauptstrom
245 Auslaß Hauptstrom
246 Pleuel
247 Kurbelwelle
250 Expansor
251 Vorräume
255 Verdichter
256 Verdichter
257 Expansor
258 Expansor
240 Druckstelle des Kolbens
241 Kolben
242 Kolbentragfläche
243 Arbeits-Schmiermittel
244 Einlaß Hauptstrom
245 Auslaß Hauptstrom
246 Pleuel
247 Kurbelwelle
250 Expansor
251 Vorräume
255 Verdichter
256 Verdichter
257 Expansor
258 Expansor
Fig. 24a/24b/25a/25b/25c Isolierung
270 heißes Kurbelgehäuse
271 temperaturfeste Auflage der Isolierung
272 Isolierung (Vakuumisolierung)
273 Vakuum
275 verspiegelte Innenseite
276 Oberfläche der Auflage
280 Trennung der Isolierung
281 z. B. Kurbelwelle
285 Stützen (Trägergerüst)
286 Platten
287 Vakuum
270 heißes Kurbelgehäuse
271 temperaturfeste Auflage der Isolierung
272 Isolierung (Vakuumisolierung)
273 Vakuum
275 verspiegelte Innenseite
276 Oberfläche der Auflage
280 Trennung der Isolierung
281 z. B. Kurbelwelle
285 Stützen (Trägergerüst)
286 Platten
287 Vakuum
Fig. 27 Brenner
Fig. 28 Brenner
300 Brennraum
301 Zündspule
302 Kraft- bzw. Brennstoffzufuhr
303 Kühlraum (Arbeitsmedium)
304 Einspritzventile Arbeitsmittel
305 Brennerwand
307 Isolierung (Vakuum)
308 Isolierung
310 Abgasabzug
311 Aschekasten
312 Noppen
Fig. 28 Brenner
300 Brennraum
301 Zündspule
302 Kraft- bzw. Brennstoffzufuhr
303 Kühlraum (Arbeitsmedium)
304 Einspritzventile Arbeitsmittel
305 Brennerwand
307 Isolierung (Vakuum)
308 Isolierung
310 Abgasabzug
311 Aschekasten
312 Noppen
Fig. 29 Festkörperdosiereinrichtung
315 Einfülltrichter
316 Förderschnecke
317 Spritzkegel
318 Zündspule
319 Verbrennungsluft
320 Vakuumisolierung
321 Verschlußschieber
322 Einspritzöffnung
315 Einfülltrichter
316 Förderschnecke
317 Spritzkegel
318 Zündspule
319 Verbrennungsluft
320 Vakuumisolierung
321 Verschlußschieber
322 Einspritzöffnung
Fig. 3a
350 Arbeitsmitteldampfspeicher
351 Wärmetauscher zum Erhitzen des regenerativ
vorgewärmten Arbeitsmediums
352 Arbeitsmittelpumpe
355 Kühlmantel um Solarabsorber
356 Zufluß von flüssigem Arbeitsmittel
357 Abfluß von dampfförmigem Arbeitsmittel
360 Zufluß in Druckspeicher
361 Abfluß aus Druckspeicher
365 Dampfdosierpumpe
366 Stelle, an der Arbeitsmedium mit Dampf
geimpft wird
370 wahlweiser Abfluß des Solarabsorbers bzw.
Speichers
371 wahlweiser Zufluß des Solarabsorbers bzw.
Speichers
375 Abfluß Kondensat Arbeitsmittel aus dem
Druckspeicher
Fig. 30
380 Kolben
385 Pumpenzylinder
390 Regelstange
400 Heizelemente
350 Arbeitsmitteldampfspeicher
351 Wärmetauscher zum Erhitzen des regenerativ
vorgewärmten Arbeitsmediums
352 Arbeitsmittelpumpe
355 Kühlmantel um Solarabsorber
356 Zufluß von flüssigem Arbeitsmittel
357 Abfluß von dampfförmigem Arbeitsmittel
360 Zufluß in Druckspeicher
361 Abfluß aus Druckspeicher
365 Dampfdosierpumpe
366 Stelle, an der Arbeitsmedium mit Dampf
geimpft wird
370 wahlweiser Abfluß des Solarabsorbers bzw.
Speichers
371 wahlweiser Zufluß des Solarabsorbers bzw.
Speichers
375 Abfluß Kondensat Arbeitsmittel aus dem
Druckspeicher
Fig. 30
380 Kolben
385 Pumpenzylinder
390 Regelstange
400 Heizelemente
Fig. 31
410 Kühlrohr
411 heiße Asche
412 Gehäuse des Aschekastens
413 Isolierung
414 Aschekasten
415 Kühlmedium
410 Kühlrohr
411 heiße Asche
412 Gehäuse des Aschekastens
413 Isolierung
414 Aschekasten
415 Kühlmedium
Claims (114)
1. Wärmekraftmaschinenanordnung mit zumindest einem Wär
metauscher in Verbindung mit Kolbenkraftmaschinen in
welcher zumindest ein offener Verbrennungsprozeß mit
zumindest einem geschlossenen Kraftprozeß in Wirkver
bindung steht gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- 1. die Anordnung arbeitet nach einem gekoppelten 2-Takt-Prinzip diskontinuierlich,
- 2. die Anordnung koppelt einen reinen Kompressor mit einem reinen Expansor,
- 3. Kompression und Expansion laufen räumlich vollkom men getrennt ab,
- 4. die Kopplung zwischen Kompressor und Expansor wird von einem einzigen Wärmetauscherpaket gebildet, welches der Kolbenkraftmaschine, unabhängig von deren Zylinderzahl, zugeordnet ist,
- 5. das Wärmetauscherpaket umfaßt einen Regenerator und einen Erhitzer.
- 6. das offene Verbrennungssystem dient zum Antrieb des geschlossenen Kraftsystems,
- 7. die äußere Verbrennung arbeitet regenerativ und mit besonders sauberem Abgas,
- 8. das Arbeitsmedium ist gasförmig, in der Masse und in der Art gleichbleibend und bildet eine Wärmeübertragungskette innerhalb eines geschlos senen Wirkkreislaufes mit gleichbleibender Strö mungsrichtung,
- 9. dem Kreisprozeß des gasförmigen Arbeitsmediums sind Steuerorgane zugeordnet, welche taktabhängig den Kreislauf des gasförmigen Arbeitsmediums defi niert unterbrechen,
- 10. Kältemittel wird dem Kreislauf auf niedrigem Tem peraturniveau zwecks Energieabfuhr zugeführt,
- 11. Arbeitsmittel wird dem Kreislauf des gasförmigen Arbeitsmediums auf hohem Temperaturniveau zwecks Energieabfuhr zugeführt, um an geeigneter anderer Stelle des Kreisprozesses diese wieder in Form von Energie zuzuführen,
- 12. eine Einspritzpumpe ist vorgesehen zur dosierten Einspritzung von Kältemittel innerhalb mindestens eines Kältemittelkreises und zur dosierten Ein spritzung von Arbeitsmittel innerhalb mindestens eines Arbeitsmittelkreises sowie für die Kraftstoff einspritzung für den offenen Verbrennungsprozeß,
- 13. ein Medientrenner ist jeweils an den Stellen im ge schlossenen Arbeitsmediumskreis vorgesehen, an denen das Arbeitsmedium Kälte- bzw. Arbeitsmittel in flüs siger Phase mitführt,
- 14. Leistungsveränderung erfolgt durch Änderung des Energieinhaltes an zumindest einer Stelle des im geschlossenen Kreislauf strömenden Arbeitsmediums,
- 15. ein Kondensator ist vorgesehen zur definierten Unterkühlung des Arbeitsmediums an zumindest ei ner bestimmten Stelle des Kreislaufes,
- 16. für Verwendung von festen Brennstoffen ist eine Festkörperdosiereinrichtung vorgesehen,
- 17. zur Isolierung ist eine besondere Lärm- und Wär medämmung vorgesehen.
2. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß verschiedene Kraft- und oder Ar
beitsmaschinen auf zumindest eine Kurbelwelle wirken
und daß verschieden taktende Maschinen zu einer Ma
schinenbaueinheit zusammengefaßt sind.
3. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß unterschiedliche Zustandsänder
ungen in jeweils einem Kompressor und jeweils einem
Expansor zur Anwendung gelangen.
4. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die betriebsmäßig im Vergleich zur
Umgebungstemperatur kalte Außenseite des Kompressors
zur Verwendung als Kühlelement ausgebildet ist.
5. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß für jede der in der Baueinheit zu
sammengefaßten Kraft- bzw. Arbeitsmaschinen jeweils ein
getrennter Kreislauf mit einem der jeweiligen Betriebs
temperatur angepaßten Schmiermittel vorgesehen ist.
6. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Kälte- und Arbeitsmittel je
weils in einem eigenen Kreislauf geführt ist.
7. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kreisprozeß derart ausgelegt
ist, daß sämtliche innerhalb der Wärmekraftmaschinen
anordnung vorhandenen Exergien genutzt werden können.
8. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungskette zwecks
Erzielung kleiner Schwingungseinheiten aus komprimierten
Einzelgliedern besteht, welche voneinander abhängig
innerhalb des Kreislaufes geführt sind, wobei der Kreis
lauf seinerseits in mehrere Abschnitte unterteilt ist.
9. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß innerhalb des Kreislaufes (Kreis
prozeß) gleiche Volumeneinheiten den Verdichter ver
lassen und an anderer Stelle gleiche Volumeneinheiten
in den Vorraum des Expansors strömen.
10. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß diese derart ausgebildet
ist, daß von außen herangeführte Energie insbesondere
Sonnenenergie in Exergie umwandelbar ist und daß die
Abfallwärme des Kondensators zu Heizzwecken genutzt
werden kann.
11. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kombinationsmotor gemäß Fig. 4
zur Verstärkung des 2. Kreisprozesses zur zusätzlichen
Verwertung von Solarenergie einrichtbar ist.
12. Wärmemaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das zugehörige Kühlsystem die nach
stehenden Eigenschaften aufweist:
- 1. bei bem Kältemittel (z.B. Frigen) werden sowohl die Wärmekapazität als auch die Verdampfungswärme zur Energieaufnahme verwendet,
- 2. bei dem Kühlmittel (z.B. Wasser) wird ausschließlich dessen Wärmekapazität zur Energieaufnahme herangezo gen,
- 3. das Kälte- bzw. Kühlmittel wird mittels einer ge steuerten Einspritzanlage zugeführt und zwar in den Kompressionsraum oder/und Ansaugstutzen des Kom pressors,
- 4. die Menge an einspritzendem Kälte- bzw. Kühlmittel ist in festgelegten Grenzen variierbar,
- 5. das Kälte- bzw. Kühlmittel wird während der ge samten Umdrehung der Kurbelwelle oder während eines Teilbereiches der Kurbelwellenumdrehung eingespritzt,
- 6. das Einspritzen des Kälte- bzw. Kühlmittels er folgt mittels zumindest eines Ventils, welches kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeitet.
13. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 12, da
durch gekennzeichnet, daß ein derart ausgelegter Kom
pressor folgende Eigenschaften aufweist:
- 1. es ist ein hohes Druckverhältnis pro Stufe reali sierbar,
- 2. es ist ein geringster Verdichtungsaufwand erfor derlich,
- 3. es besteht dabei keine Abhängigkeit von der je weils gefahrenen Drehzahl,
- 4. es besteht eine Regelbarkeit des Verdichtungsauf wandes über die Einspritzmenge an Kälte- bzw. Kühlmittel,
14. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1 oder 12
bzw. 13, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- 1. der Kompressor ist in Verbindung mit einem Kon densator und einem Medientrenner für offene Pro zesse geeignet,
- 2. der Kompressor ist in Verbindung mit einem Kon densator und einem Medientrenner allgemein für geschlossene Prozesse geeignet.
15. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, 12, 13
oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Kompressor das
Arbeitsmedium und der Dampf des Kältemittels und oder
die Flüssigkeit des Kühlmittels bzw. und Kältemittels
verdichtet werden.
16. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1 und 12,
oder 13, bei der der zugehörige Kompressor folgende
Merkmale aufweist:
- 1. die Steuerung der Ein- und Auslässe erfolgt mittels zwangsgesteuerter Ventile,
- 2. der Kurbelkasten ist druckdicht abgeschlossen und mit Arbeitsmedium gefüllt,
- 3. der Kompressor weist an seiner Außenseite ein ge schlossenes Kühlprofil auf, welches gegebenenfalls von einem weiteren Medium zu Kühlzwecken durch strömt werden kann,
- 4. der Kompressor saugt Arbeitsmedium unter annähernd gleichem Druck und annähernd gleicher Temperatur an,
- 5. der Kompressor ist zur Umgebung hin isoliert.
17. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß dieser anstelle eines
Durchflußkühlers ein Kondensatorsatz (K) zugeord
net ist, welcher seinerseits einen Baustein des
Kreisprozesses bildet.
18. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 17, wo
bei der Kondensator gekennzeichnet ist durch fol
gende Merkmale:
- 1. der Kondensator (K) weist in seinem betriebs mäßig unteren Bereich Auffangrillen für das Kondensat auf,
- 2. der Kondensator (K) weist eine derartige vor gegebene Führung sowohl des Arbeitsgases als auch des Kältemitteldampfes auf, daß sich das Kondensat des Kältemitteldampfes ausschließlich im unteren Bereich des Kondensators mittels Schwerkraft ansammelt,
- 3. die den Kondensator (K) durchströmende Kühl luft wird zu zumindest einem weiteren Heiz zweck weitergeleitet,
- 4. am Ausgang des Kondensators (K) ist ein kom munizierendes Gefäß (164) vorgesehen, welches mittels seiner Flüssigkeitsfüllung den Austritt von gasförmigen Arbeitsmedium verhindert,
- 5. der Kondensator (K) ist derart bemessen, daß das Gemisch aus Arbeitsmedium und Kältemittel dampf derart unterkühlt wird, daß das Kälte mittel restlos kondensiert,
- 6. der Kondensator (K) wird einerseits von einem Kühlmedium (Luft, Wasser) und andererseits von zumindest einem Kreislauf eines Wärmesystems innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung durch strömt,
- 7. der Kondensator (K) ist derart bemessen, daß das Gemisch aus Arbeitsmedium und Kältemittel derart unterkühlt wird, daß nachfolgende Bau- und -Filterelemente das Kältemittel nicht ver dampfen läßt.
19. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 17 oder
18, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (K)
ein Feinabscheider nachgeschaltet ist, welcher das
Gemisch aus Kältemittel und Arbeitsmedium elektrisch
auflädt und/oder kleinste Kältemitteltröpfchen zu
größeren Partikeln zusammenführt.
20. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß dieser ein Medientrenner
(M) zugeordnet ist, welcher das im Betrieb wirksame
Gemisch aus Flüssigkeit und Gas trennt.
21. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 20, wobei
der Medientrenner (M) gekennzeichnet ist durch fol
gende Merkmale:
- 1. der Medientrenner (M) bildet einen Baustein der Wärmekraftmaschinenanordnung bei der Trennung von betriebsmäßig auftretendem Gemisch aus Gas und Flüssigkeit in einen Strom ausschließlich aus Gas und zu einem Strom ausschließlich aus Flüs sigkeit,
- 2. der Medientrenner (M) arbeitet mittels einer relativen Bewegung bei allen auftretenden Be triebszuständen zwischen dem Gas-/Flüssigkeits gemisch und den letzteres einschließenden Ge häuse,
- 3. die Medientrennung erfolgt mittels elektrischer Anziehung,
- 4. die Medientrennung erfolgt mittels mechanischer Strömungswegvorgabe.
22. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 20 oder
21, dadurch gekennzeichnet, daß der Medientrenner
(M) diskontinuierlich arbeitet.
23. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 20, 21
oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Medien
strömung derart ausgelegt ist, daß Gas und Flüssig
keit gemeinsam zuströmen und jeweils auf getrennten
Kanälen abströmen, in der Weise, daß Gas und Flüssig
keit innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung in
eigenen Kreisläufen geschlossen geführt sind.
24. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß diese ein oder mehrere
Volumenverdränger (G) im Zuge des Gastransportes
aufweist, wodurch eine Erleichterung des Transpor
tes des Gases und/oder eine teilweise Verdichtung
des Gases bewirkt wird.
25. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 24, bei
welcher zumindest eine Volumenverdrängereinheit am
Gastransport beteiligt ist, gekennzeichnet durch
folgende weitere Merkmale:
- 1. der Volumenstrom pro Zeiteinheit ist identisch mit dem ausgeschobenen Volumen aus dem Verdichter (V) und dem eingesaugten Volumen bei dem Expan sor (E),
- 2. jeder Volumenverdränger (G) bildet mit einem nachgeschalteten Wärmetauscher (W) eine Wirk einheit, die mehrfach hintereinandergeschaltet eine Wärmekette zumindest von einem kalten zu einem heißen Raum ergibt,
- 3. die Drehkolbenpaare der hintereinandergeschal teten Volumenverdränger (G) sind rhythmisch derart abgestimmt, daß das jeweils ausgescho bene Volumen eine Volumenwelle bildet, die sich durch den Wärmetauscher (W) schiebt und an schließend von der in Stromrichtung nächsten Verdrängereinheit (G) wieder angesaugt wird,
- 4. die einzelnen Verdrängervolumina beeinflussen innerhalb der Wärmekette die örtlichen Ström ungsgeschwindigkeiten,
- 5. der Medientransport kann gleichermaßen in einem offenen wie auch in einem geschlossenen Prozeß bewirkt werden,
- 6. die den Medientransport bewirkende Volumenver drängereinheit (G) weist eine oder auch mehrere Fördereinheiten auf, welche letztere ihrerseits koaxial zueinander angeordnet sind,
- 7. jede Fördereinheit weist harmonisch und synchron zusammenwirkende beim Umlauf sich bzw. das Gehäu se jedoch nicht berührende Verdrängerkörper auf.
26. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 24 oder 25,
dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Verdränger
kolben in den Fördereinheiten innerhalb jeder Volumen
verdrängereinheit (G) voneinander abweichend ausge
bildet sein können.
27. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 24, 25
oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderein
heiten innerhalb einer Volumenverdrängereinheit (G)
aus jeweils gesonderten, der jeweils herrschenden
Temperatur widerstehenden Werkstoffen gefertigt sind.
28. Wärmekraftmaschinenanordnung nach einem der Ansprüche
von 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb
der Volumenverdrängereinheit (G) bei den Förderein
heiten die Achsen der Verdrängerkörper ein- oder
mehrteilig ausgebildet sind, wobei die mehrteilige
Ausgestaltung eine kontinuierlich oder stufenförmig
variierbare Einstellung der Verdrängerkörper der
Fördereinheiten zueinander ermöglicht wird.
29. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dessen
Wärmetauscherelement durch die folgenden Merkmale ge
kennzeichnet ist:
- 1. über die gesamte Wärmetauscherfläche besteht ein nahezu konstanter Strömungsquerschnitt,
- 2. der Wärmetauscher ist derart ausgelegt, daß bei konstantem Strömungsvolumen die Verdichtung iso chor erfolgt,
- 3. der Wärmetauscher als Ganzes umfaßt den jeweiligen Temperatur- und Druckverhältnissen werkstoffmäßig angepaßte Einzelelemente, welche im Medienstrom hintereinander geschaltet sind,
- 4. den einzelnen Wärmetauscherelementen sind jeweils Längenausgleichelemente zugeordnet.
30. Wärmekraftmaschinenanordnung mit Wärmetauscher nach
Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern
des Medienstromes ein seelenartiger Kern (192) ange
ordnet ist, welcher ohne Vergrößerung des Strömungs
querschnittes die Austauschoberfläche des Mediums
vergrößert.
31. Wärmekraftmaschinenanordnung mit Wärmetauscher nach
Anspruch 29 oder 30 dadurch gekennzeichnet, daß die
Übertragungsflächen mit besonders hoher Wärmebela
stung (z.B. Brenner, Solarabsorber usw.) eine Flüs
sigkeitsverdampfungs- Kühleinrichtung aufweisen.
32. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß auf das im geschlossenen
Kreislauf strömende Arbeitsmedium zumindest ein vom
Abgas des offenen Kreislaufes betriebener Turbover
dichter einwirkt.
33. Wärmekraftmaschinenanordnung mit Turboverdichter
nach Anspruch 32 dadurch gekennzeichnet, daß die Ver
dichterturbine eine Regeleinheit für die Strömungs
geschwindigkeit des geschlossenen Medienkreislaufes
darstellt.
34. Wärmekraftmaschinenanordnung mit Turboverdichter
nach Anspruch 32 bzw. 34 dadurch gekennzeichnet, daß
flüssiges Arbeitsmittel feinstzerstäubt und dosiert
dem Ansaugstutzen oder dem Verdichter zugeführt wird,
wodurch der Verdichter eine höhere Verdichtungswir
kung erbringt.
35. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1 da
durch gekennzeichnet, daß zur Energieabfuhr aus
Elementen mit höherem Wärmepotential (Brennkraft
maschine, Brenner, Solarabsorber) Arbeitsmittel
kontinuierlich oder diskontinuierlich zugeführt
wird.
36. Wärmekraftmaschinenanordnung mit Abfuhr von Energie
nach Anspruch 35, gekennzeichnet durch folgende Merk
male:
- 1. die Energieabfuhr erfolgt mittels Temperaturge fälle an bestimmten wärmemäßig gefährdeten Stel len örtlich außerhalb (Wandung) des höheren Wär mepotentials, jedoch innerhalb der Wärmekraft maschinenanordnung,
- 2. zur Energieabfuhr werden die spezifische Wärme kapazität des Arbeitsmediums und/oder des Arbeits mittels in seinem jeweiligen Aggregatzustand, sowie die Verdampfungswärme des Arbeitsmittels eingesetzt,
- 3. wenigstens die Mindestmenge an Arbeitsmittel zur
Energieabfuhr (Kühlung) wird zur Sicherung der
Funktion eingesetzt bei;
- a) der Brennkraftmaschine zum Erhalt eines ge schlossenen Schmierfilms über den gesamten Drehzahlbereich,
- b) dem Brenner bzw. dem Solarabsorber oder dem Wärmetauscher zum Erhalt der Trennwände,
- 4. der Zeitpunkt bzw. und/oder die Dauer der Energie abfuhr (Kühlung) ist einstellbar auf den jeweiligen momentenen Energieabfuhrbedarf,
- 5. das an der Energieabfuhr beteiligte Arbeitsmittel verbleibt in seinem jeweiligen Agqregatzustand im Kreislauf der Wärmekraftmaschinenanordnung.
37. Wärmekraftmaschinenanordnung nach einem der Ansprüche
35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Energie
abfuhr in einem zusammenhängenden geschlossenen, kon
stanten Strömungskanal, welcher das höhere Wärmepoten
tial umschließt, vollzieht.
38. Wärmekraftmaschinenanordnung mit Energieabfuhr nach
Anspruch 35, 36 oder 37 dadurch gekennzeichnet, daß die
Energieaufnahme des geschlossenen Systems eine isochore
Zustandsänderung des Arbeitsmediums und Arbeitsmittels
bewirkt und daß diese Energie im Expansor der Wärme
kraftmaschinenanordnung wieder frei wird.
39. Wärmekraftmaschinenanordnung nach einem der Ansprüche
35, 36, 37 oder 38 dadurch gekennzeichnet, daß die
Energieabfuhr (Kühlung) des Wärmepotentials (z.B. bei
einer Brennkraftmaschine) eine äußere Energiezufuhr
des geschlossenen Kreisprozesses darstellt.
40. Wärmekraftmaschinenanordnung mit Energieabfuhr nach
einem der Ansprüche 35 bis 39, dadurch gekennzeichnet,
daß das Arbeitsmittel mittels Düsen gleicher oder
unterschiedlicher Öffnungsquerschnitte zugeführt
bzw. eingespritzt wird.
41. Wärmekraftmaschinenanordnung mit Energieabfuhr nach
Anspruch 35 oder einem der folgenden, dadurch gekenn
zeichnet, daß das höhere Wärmepotential (Brennkraft
maschine, Brenner usw.) mit einem druckdichten vom
Medientrenner gespeisten Flüssigkeitsmantel umgeben
ist und dabei an oberer Stelle ein einstellbares
Druckventil vorgesehen ist, mittels welchem über
schüssiger Arbeitsmitteldampf in einem Auffangraum
abgelassen wird, welch letzterer seinerseits den
Arbeitsmitteldampf mittels Steuerorgan (z.B. Kolben)
dosiert in den Wärmekreislauf zurückführt.
42. Wärmekraftmaschinen-anordnung mit einem Expansor nach
Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- 1. der Expansor ermöglicht die Entspannung von kon stanten Volumeneinheiten bei unterschiedlicher Anzahl von Arbeitsspielen je Zeiteinheit durch Vergrößerung zumindest eines Hauptraumes;
- 2. der Expansor ist zur Entspannung eines Gemisches von einem mengenmäßig konstanten Arbeitsmedium und zumindest einem in seiner Menge veränderbaren Arbeitsmittel ausgebildet;
- 3. der Expansor weist zumindest einen volumenkon stanten Vorraum (z.B. 224) auf, der beidseitig (Einlaß bzw. Auslaß) steuerbar ausgebildet ist zum Zusammenwirken mit einem Hauptraum (z.B. 220), derart daß der Auslaß des Vorraumes (z.B. 224) den Einlaß (z.B. 244) für den Hauptraum (zB. 220) bil det, der seinerseits einen gesondert steuerbaren Auslaß (z.B. 245) aufweist;
- 4. der Expansor führt das Expansions- Arbeitsspiel nach einem 2-Takt-Prinzip aus.
43. Wärmekraftmaschinenanordnung mit einem Expansor nach
Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansor
eine ausschließlich innere Energiezufuhr aufweist,
welche mittels eines Zumeßorgans (z.B. Einspritzpumpe)
in bestimmten wählbaren Grenzen veränderbar ist.
44. Wärmekraftmaschinenanordnung mit Expansor nach Anspruch
42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, daß im Expansor die
Entspannungskurve völlig oder teilweise der Kondensa
tionskurve des jeweiligen Arbeitsmittels folgt.
45. Wärmekraftmaschinenanordnung mit Expansor nach einem
der Ansprüche 42 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß
der Expansor ein Element der geschlossenen Wärmekette
in der Wärmekraftmaschinenanordnung darstellt, sodaß
der Expansor - Vorraum durch den jeweiligen Trans
porttakt der Wärmekette gefüllt bzw. entleert wird,
wobei das Expansionsmedium wiederkehrend verwendet
wird.
46. Wärmekraftmaschinenanordnung mit Expansor nach einem
der Ansprüche 42 bis 45, gekennzeichnet durch folgende
Merkmale:
- 1. für den gesteuerten Medienstrom sind zumindest
drei Ventile (Ventil 1: Einlaß Vorraum
Ventil 2: Auslaß Vorraum
Ventil 3: Auslaß Hauptraum)
vorgesehen; - 2. die Ventile sind mittels Nocken zwangsgesteuert.
47. Wärmekraftmaschinenanordnung mit Expansor nach einem
der Ansprüche 42-46, gekennzeichnet durch folgende
Merkmale:
- 1. der Expansor ist als Hubkolbenmaschine ausge bildet;
- 2. die Leistungsabgabe erfolgt an der zugehörigen Kurbelwelle, welche gegebenenfalls mit derjenigen des in der Wärmekraftmaschinenanordnung vorge sehenen Verdichters gekuppelt ist;
- 3. die Schmierung des Expansor-Kolbens ist auf die mittlere Expansionstemperatur abgestimmt ausge bildet, derart, daß außer einem Schmierstoff auf Ölbasis auch vorzugsweise kondensierte Arbeits flüssigkeit verwendet wird, die im Expansor ihre Energie abgegeben hat;
- 4. für den Expansor ist ein gesonderter Schmier kreislauf vorgesehen, der bei Anwendung unter schiedlicher Schmier- und -Arbeitsflüssig keiten einen Flüssigkeitstrenner aufweist;
- 5. der Kolben ist ohne Ringnuten glatt ausgebildet und wird mittels eines umschließenden Flüssig keitspolsters zentriert, wobei der Schmierstoff den Ringspalt zur Zylinderwandung allseitig ab schließt;
- 6. der Kolben bewirkt ein Ausschieben sowohl des kondensierten Arbeitsmittels (z.B. flüssiges Blei) als auch von überschüssigem Schmierstoff (z.B. flüssiges Blei) und entspanntem Arbeitsmedium (z.B. Helium) aus dem Hauptraum (z.B. Expansions zylinder).
48. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß eine Einspritzpumpe vor
gesehen ist, welche unterschiedliche flüssige bzw.
gasförmige Medien dosiert und dann dem Kreisprozeß
zuführt.
49. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 48, bei
der die darin vorgesehene Einspritzpumpe durch fol
gende Merkmale gekennzeichnet ist:
- 1. die Einspritzpumpe besteht aus separaten Pumpen elementen,
- 2. der Zeitpunkt der Einspritzung je Element ist unterschiedlich,
- 3. die Dauer der Einspritzung ist je Element unter schiedlich,
- 4. die Verteilung der eingespritzten Flüssigkeit bzw. Gas im Wirkraum (z.B. Kompressor, Brenner ) ist unterschiedlich,
- 5. die Wirkung der eingespritzten Medien ist unter schiedlich, (z.B. Energiezu-Abfuhr)
- 6. der Wirkungsbeginn der eingespritzten Medien ist unterschiedlich, (z.B. Kühlung - Verbrennung)
- 7. die zugeführte Medienmenge je Grad Kurbelwinkel ist unterschiedlich,
- 8. die Gesamtmedienmenge pro Arbeitsspiel und Pumpen element ist unterschiedlich,
- 9. die Änderung der Medienmenge zwischen Leerlauf und Vollast je Pumpenelement ist unterschiedlich,
- 10. der Aggregatzustand der einzuspritzenden Medien ist zumendest für einen Teil der Pumpenelemente flüssig,
- 11. das Öffnen der Einspritzventile geschieht her kömmlich mit Druckwellen und mit fremdgesteuerten Ventilen.
50. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 49 dadurch
gekennzeichnet, daß die dabei vorgesehenen separaten
Pumpenelemente folgende Merkmale aufweisen:
- 1. die einzelnen Pumpenkolben sind speziell auf die einzuspritzenden Flüssigkeiten abgestimmt hin sichtlich von deren Druck, Temperatur, Menge, Viskosität, Schmierung,
- 2. die Pumpenelemente arbeiten für sich als separate Pumpen, jedoch nach einem exakt festgelegten Rhyth mus,
- 3. die Pumpenelemente sind thermisch voneinander isoliert,
- 4. diejenigen Pumpenelemente, deren Förderflüssigkeit bzw. Dampf bei Umgebungstemperatur erstarrt, sind mit Heizelementen versehen,
- 5. die Pumpenelemente wirken durch spritzen oder dosieren innerhalb der Wärmekraftmaschinenanord nung an unterschiedlichen Stellen ein,
- 6. zumindest ein separates Pumpenelement läßt sich innerhalb der Einspritzpumpe an- oder abkoppeln,
- 7. das Regeln der Mediennutzhübe der Pumpenelemente geschieht herkömmlich mittels Regelstange oder z.Teil abgekoppelt durch eingene Verstellmechanismen,
- 8. die Pumpenelemente sind auch für eine Kombination mit bekannten Mediendosiereinrichtungen (z.B. Ver gaser, Einspritzer, Feststoffdosiereinrichtung ) ausgebildet,
- 9. zumindest ein Pumpenelement ist für jeweils ein Medium vorgesehen.
51. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 49 dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere dabei vorgesehene sepa
rate Pumpenelemente für einen Kreisprozeß arbeiten.
52. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß darin Volumenverdränger
maschinen vorgesehen sind, welche das Arbeitsmedium
lediglich transportieren, ohne es zu verdichten oder
zu entspannen.
53. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, ge
kennzeichnet durch eine derartige Ausgestaltung, daß
die Betriebsdrehzahl durch folgende Größen beeinflußt
werden kann:
- 1. verändern des Verdichtungsaufwandes durch Mengen dosierung des Kälte- bzw. und Kühlmittels und somit verändern des Wirkungsgrades,
- 2. verändern der Energiezufuhr im Expansor durch unterschiedliche Dampfmengenzufuhr,
- 3. verändern des Temperaturviveaus im Expansor,
- 4. verändern der Energiezufuhr im Wärmetauscher (z.B.Brenner, Solarabsorber)
- 5. verändern der Arbeitsmittelmenge,
- 6. integrieren einer Strömungsmaschine in die Wärme kraftmaschinenanordnung, welche zur Verdichtungs steigerung beiträgt und vom offenen Prozeß ange trieben wird,
- 7. verändern der Brennluftmenge,
- 8. verändern der Menge an Arbeitsmedium in Kombination mit den Größen 1-3 und 5-7,
- 9. verändern des Verdichtungsverhältnisses durch die Volumenverdränger, je nach Verdichterleistung der integrierten Turbine.
54. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 51 und An
spruch 52 und 53, gekennzeichnet durch eine derartige
Ausgestaltung, daß folgende veränderbare Betriebs
größen gleichsinnig verstärkend zurückwirken, bis sich
ein Gleichgewicht einstellt:
- 1. diejenige Energiemenge, welche in den Brenner ge langt, bewirkt eine Abgastemperaturänderung, die wiederum eine gleichsinnig geänderte Frischluft temperatur zur Folge hat,
- 2. diejenige Energiemenge, welche in den Expansor ge langt, beeinflußt die Endexpansionstemperatur, welche ihrerseits gleichsinnig die Temperatur des frischen Arbeitsmediums ändert, was eine gleich sinnig geänderte Energiezufuhr in den Expansor be wirkt,
- 3. eine geänderte Energieabfuhr im Verdichter be wirkt eine gleichsinnig geänderte Ansaugtemperatur für den Verdichter.
55. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in Verbindung mit einer Brennkraft
maschine das 4-Takt-Prinzip und parallel das 2-Takt
-Prinzip angewendet wird.
56. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr des geschlossenen
Kreises durch innere und oder äußere Verbrennung erfolgt.
57. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, ge
kennzeichnet durch eine derartige Ausgestaltung,
daß der zeitliche Ablauf der Expansion und der der
Kompression pro Arbeitsspiel beliebig zueinander
versetzt und/oder überlagert ablaufen kann.
58. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, ge
kennzeichnet durch folgende Merkmale zur Erzielung
sehr sauberen Abgases:
- 1. ein sehr hoher Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschinen anordnung läßt quantitativ weniger Abgas entstehen,
- 2. die Verbrennung verläuft praktisch kontinuierlich,
- 3. die Verbrennung erfolgt bei sehr hoher Temperatur, wodurch chem. Reaktionen rascher ablaufen,
- 4. es erfolgt Nutzung der chem. und inneren Energie des Abgases sowie der Bewegungsenergie,
- 5. das Abgas wird unter Taupunkt unterkühlt,
- 6. es wird ein Besprühen bzw. Auswaschen des Abgas stromes vorgenommen,
- 7. für chem. Umsetzungen ist eine längere Reaktions zeit verfügbar,
- 8. es wird eine annähernd stöchiometrische Verbrennung ermöglicht,
- 9. es ist ein wahlweiser Betrieb mit reinem Sauerstoff (O2) vorgesehen.
59. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1 mit
einer zugeordneten Lärm- und Wärmedämmung, ge
kennzeichnet durch folgende Merkmale:
- 1. die vollständige Wärmedämmung der Kraftmaschine ist in Form einer geschlossenen Wärmekapsel aus gestaltet,
- 2. die Wärmekapsel ist abnehmbar ausgebildet,
- 3. das Isoliermaterial ist der örtlich jeweils auf tretenden Temperatur angepaßt,
- 4. es ist eine Umhüllung der sehr heißen Maschinen teile mit zumindest einer Vakuumisolierung vor gesehen.
60. Wärmekraftmaschinenanordnung mit einer Lärm- und
Wärmedämmung nach Anspruch 59 unter Verwendung einer
Vakuumisolierung, gekennzeichnet durch folgende Merk
male:
- 1. der Vakuummantel ist aus Trägerelementen und darin eingepaßte Platten aufgebaut,
- 2. der Aufbau des Vakuummantels umfaßt geschlossene Einzelsegmente
- 3. es sind innenverspiegelte Vakuumwände vorgesehen,
- 4. es ist eine Verwendung des jeweils angrenzenden Maschinenteiles als Bauelement für den Vakuum mantel vorgesehen.
61. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß ein Brenner die thermische
Wirkverbindung zwischen offenen und geschlossenem
Prozeß bildet, und daß die Strömungsführung derart
ausgebildet ist, daß der offene heißere Prozeß inner
halb und der geschlossene kühlere Prozeß außerhalb
geführt wird.
62. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß ein Brenner die thermische
Wirkverbindung zwischen offenem und geschlossenem
Prozeß bildet, und daß die Strömungsführung derart
ausgebildet ist, daß der offene Prozeß außerhalb und
der geschlossene Prozeß innerhalb geführt wird.
63. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß ein Brenner die thermische
Wirkverbindung zwischen offenem und geschlossenem
Prozeß bildet, und daß die Strömungsführung derart
ausgebildet ist, daß der offene Prozeß zum Teil
innerhalb und zum Teil außerhalb und daß der ge
schlossene Prozeß zum Teil außerhalb und zum Teil
innerhalb geführt wird.
64. Wärmekraftmaschinenanordnung mit einem Brenner nach
Anspruch 61-63, zur Verbrennung von festen, flüssigen,
gasförmigen und/oder dampfförmigen Brennstoffen, ge
kennzeichnet durch folgende Merkmale:
- 1. der geschlossene Prozeß wird zur Kühlung der Brenn kammer herangezogen,
- 2. die Brennkammer ist etwa spiralförmig ausgebildet, derart daß eine stetige Umlenkung der Flamme und ein hoher Wärmeübergang an die Außenwand bewirkt wird,
- 3. der dem Brenner zuzuführende Sauerstoff (O2) ist vorerhitzt und vorverdichtet,
- 4. die Brennkammer ist in Strömungsrichtung geneigt ausgebildet zur Erleichterung der Abfuhr von Asche teilchen,
- 5. bei dem Brenner erfolgt eine Nutzung der Abgas wärme zur Vorerhitzung des dem Brenner zuzuführenden Sauerstoffes (O2) bzw. der Luft,
- 6. bei dem Brenner ist eine Vakuumelemente aufweisende Isolierung vorgesehen,
- 7. eine Weiterführung des dem Brenner entströmenden brennenden Brennstoff-Sauerstoff/ Luft-Gemisches erfolgt durch zwangsgesteuerte Gebläse,
- 8. es wird eine pulsierende Verbrennung in Abhängig keit von dem jeweils verwendeten Gebläse erzeugt,
- 9. die Ausbildung des Gebläses erfolgt vorzugsweise in der Ansaugleitung des Brenners.
65. Wärmekraftmaschinenanordnung mit einem Brenner nach
Anspruch 61 bis Anspruch 64, wobei die Kühlung des
Brenners gekennzeichnet ist durch folgende Merkmale:
- 1. ein geschlossener Flüssigkeitsmantel ist um die Brennkammer mit Ablaßventil vorhanden,
- 2. eine kontinuierliche und / oder diskontinuierliche dosierte Einspritzung von Kühlflüssigkeit auf die Außenseite der Brennkammer in das Arbeitsmedium des geschlossenen Kreises ist vorgesehen,
- 3. eine Zwangführung des Arbeitsmediums um die Brenn kammer ist vorgesehen,
- 4. durch Nutzung der Verdampfungswärme wird ein Er höhen der inneren Energie des Arbeitsmediums bzw. Arbeitsmittels bewirkt.
66. Wärmekraftmaschinenanordnung mit einem Brenner mit
Kühlung nach Anspruch 65, wobei die Kühlung als Ein
spritzkühlung ausgebildet ist, gekennzeichnet durch
folgende Merkmale:
- 1. die Kühlung ist dosiert in Abhängigkeit vor der im Brenner durchgesetzten Brennstoffmenge,
- 2. die Kühlung ist dosiert in Abhängigkeit von der am Brenner auftretenden Temperatur,
- 3. die Einspritzung des Kühlmittels ist zeitverschoben ausgestaltet zur Bewegung der Flammenfront.
67. Wärmekraftmaschinenanordnung mit einem Brenner mit
Kühlung nach Anspruch 65 wobei die Kühlung als stetige
Kühlung ausgebildet ist, gekennzeichnet durch folgende
Merkmale:
- 1. ein einstellbares Druckventil ist vorgesehen, um die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels zu be stimmen,
- 2. die Kühlflüssigkeit umschließt den Brenner, wo durch ein hoher Wärmeübergang von der Brenner wand zum Kühlmittel erzielt wird,
- 3. die Kühlung ist derart ausgebildet, daß sich Kühl mitteldampf am Druckventil sammelt,
- 4. es ist eine Weiterverarbeitung des Kühlmitteldampfes in der Wärmekraftmaschinenanordnung vorgesehen,
- 5. in den Flüssigkeitsmantel um den Brenner erfolgt ein Zufluß von flüssigem Kühlmittel.
68. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, ge
kennzeichnet durch eine Ausgestaltung für eine be
triebsmäßige Verwendung von festen Brennstoffen, welche
mittels einer Festkörperdosiereinrichtung gesteuert
und geregelt wird.
69. Wärmekraftmaschinenanordnung mit Festkörperdosier
einrichtung nach Anspruch 68, gekennzeichnet durch
folgende Merkmale:
- 1. für die Zufuhr von staubförmiger bzw. körniger Brennstoffmasse ist ein Stetigförderer vorgesehen,
- 2. eine Mengenänderung der Brennstoffmasse erfolgt durch Verändern der Förderdrehzahl des Stetig förderers,
- 3. eine weitere Mengenänderung an Brennstoffmasse wird durch axiales Drücken des Stetigförderers bewirkt,
- 4. eine weitere Mengenänderung an Brennstoffmasse wird durch Verändern des Öffnungsquerschnittes in den Brenner bewirkt,
- 5. ein Verschließen des Feststoffbrenners wird mittels eines formschlüssigen Segmentes, welches am Stetig förderer angebracht ist, bewirkt,
- 6. innerhalb des Stetigförderers erfolgt zumindest eine Änderung des Aggregatzustandes des Brenn materials infolge hoher Innentemperatur,
- 7. der Stetigförderer ist zugleich auch für ein Aus gasen des festen Brennstoffes ausgebildet,
- 8. im Brenner wird ein Aufreißen des Brennstoffes durch eingeschlossene Gasblasen bewirkt.
70. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1 und
Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, daß die Anord
nung Energie in Form von Dampf speichern und an
anderer Stelle Dampf als Energiezufuhr verarbeiten
kann.
71. Wärmekraftmaschinen
anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
zumindest einen offenen und oder zumindest einen ge
schlossenen Kreisprozeß als Antrieb und zumindest
einen offenen und oder geschlossenen Kreisprozeß als
Abtrieb, wobei jeweils zumindest ein aufgeführtes
Merkmal oder eine Kombination der aufgeführten Merk
male von jedem Element ausgebildet und angewandt wird;
Element: Antrieb
Element: Antrieb
- 1. Antrieb durch zumindest eine offene herkömmliche Verbrennung,
- 2. Antrieb durch zumindest eine offene regenerative Verbrennung,
- 3. Antrieb durch zumindest eine teilweise regene rative Verbrennung, teilweise herkömmliche Ver brennung,
- 4. Antrieb durch zumindest eine offene Energiezu fuhr,
- 5. Antrieb durch zumindest eine geschlossene Energie zufuhr,
- 6. Antrieb durch zumindest eine geschlossene regene rative Energiezufuhr,
Element: Abtrieb - Kraftsystem
- 1. Abtrieb von zumindest einem offenen Kraftsystem, wobei Verdichtung und Expansion in einem Arbeits raum ablaufen,
- 2. Abtrieb von zumindest einem offenen Kraftsystem, wobei Verdichtung und Expansion in räumlich separaten Arbeitsräumen ablaufen,
72. Wärmekraftmaschinen
anordnung nach Anspruch 71, gekennzeichnet durch
die aufgeführten Elemente, wobei jeweils zumindest
ein aufgeführtes Merkmal oder eine Kombination der
aufgeführten Merkmale von jedem Element ausgebildet
und angewandt wird;
Element: Stoffzufuhr
Element: Stoffzufuhr
- 1. Zufuhr von Kältemittel in die Wärmekraftmaschinenanord.,
- 2. Zufuhr von Kühlmittel in die Wärmekraftmaschinenanord.,
- 3. Zufuhr von Arbeitsmittel in die Wärmekraftmaschinenan.,
- 4. Zufuhr von Energie (allgemein) in die Wärmekraftmasch.,
- 5. Zufuhr von Dampf (allgemein) in die Wärmekraftmasch.,
- 6. Zufuhr von Brennstoff in die Wärmekraftmaschinenanord.,
- 7. Zufuhr von Luft (Sauerstoff) in die Wärmekraftmasch.,
- 8. Kombination ein oder mehrer Stoffe der aufgeführten Merkmale 1 bis 7,
Element: Kühlmittel
- 1. Verwendung von Gas als Kühlmittel innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 2. Verwendung von Dampf als Kühlmittel innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 3. Verwendung von Flüssigkeit als Kühlmittel innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 4. Verwendung von Feststoff als Kühlmittel inner halb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 5. Verwendung von keinen Stoffen als Kühlmittel inner halb der Wärmekraftmaschinenanordnung
- 6. Verwendung einer Kombination ein oder mehrerer Kühlmittel, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 5, innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
Element: Arbeitsmittel
- 1. Verwendung von Gas als Arbeitsmittel innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 2. Verwendung von Dampf als Arbeitsmittel innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnug,
- 3. Verwendung von Flüssigkeit als Arbeitsmittel innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 4. Verwendung von Feststoff als Arbeitsmittel inner halb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 5. Verwendung von keinem Arbeitsmittel innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 6. Verwendung einer Kombination ein oder mehrerer Arbeitsmittel, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 5, innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
Element: Arbeitsmedium
- 1. Verwendung von Gas als Arbeitsmedium innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 2. Verwendung von Dampf als Arbeitsmedium innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 3. Verwendung von Flüssigkeit als Arbeitsmedium innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 4. Verwendung keines Arbeitsmediums innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 5. Verwendung von Feststoff als Arbeitsmedium inner halb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 6. Verwendung einer Kombination ein oder mehrerer Arbeitsmedien, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 5, innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
Element: Regelung
- 1. Regelung der Wärmekraftmaschinenanordnung über die Kältemittelzufuhr,
- 2. Regelung der Wärmekraftmaschinenanordnung über die Arbeitsmittelzufuhr,
- 3. Regelung der Wärmekraftmaschinenanordnung über die Dampfmengenzufuhr,
- 4. Regelung der Wärmekraftmaschinenanordnung über die Kraftstoffmenge,
- 5. Regelung der Wärmekraftmaschinenanordnung über die Arbeitsmediummenge,
- 6. Regelung der Wärmekraftmaschinenanordnung mittels integrierter Strömungsmaschine,
- 7. Regelung der Wärmekraftmaschinenanordnung über die Luftzufuhrmenge,
- 8. Regelung der Wärmekraftmaschinenanordnung mittels Strahlungsmenge,
- 9. Wärmekraftmaschinenanordnung ohne Regelung,
- 10. Regelung der Wärmekraftmaschinenanordnung mittels einer Kombination aus ein oder mehreren der aufge führten Regelungsarten, aufgeführt in den Merk malen 1 bis 9,
Element: Dosiersysteme
- 1. Dosierung über eine herkömmliche Einspritzpumpe (z.B. Diesel-Einspritzpumpe),
- 2. Dosierung über eine modifizierte Einspritzpumpe, wie in den Ansprüchen 48 bis 51 näher bezeichnet,
- 3. Dosierung mittels Vergaser (herkömmlich)
- 4. Dosierung mittels Niederdruckeinspritzanlagen, (z.B. Benzineinspritzung)
- 5. Dosierung von festen Brennstoffen mittels einer Festkörperdosiereinrichtung,
- 6. Dosierung von Strahlungsintensität mittels Blende,
- 7. Dosierung mittels einer Kombination aus ein oder mehreren Dosiersystemen, aufgeführt in den Merk malen 1 bis 6,
Element: Energiezufuhr
- 1. Energiezufuhr, gekennzeichnet von zumindest einer Kombination von Merkmalen, die unter dem Anspruch 73 aufgeführt sind,
- 2. Wärmekraftmaschinenanordnung ohne Energiezufuhr,
Element: Energieabfuhr
- 1. Energieabfuhr, gekennzeichnet von zumindest einer Kombination von Merkmalen, die unter dem Anspruch 74 aufgeführt sind,
- 2. Wärmekraftmaschinenanordnung ohne Energieabfuhr,
Element: Verdichter
- 1. Verdichter, gekennzeichnet von zumindest einer Kombination von Merkmalen, die unter dem Anspruch 75 aufgeführt sind,
- 2. Wärmekraftmaschinenanordnung, welche ohne Verdichter arbeitet,
Element: Kondensator
- 1. Kondensator, gekennzeichnet von zumindest einer Kombination von Merkmalen, die unter dem Anspruch 76 aufgeführt sind,
- 2. Wärmekraftmaschinenanordnung, welche ohne Konden sator arbeitet,
Element: Medientrenner
- 1. Medientrenner, gekennzeichnet von zumindest einer Kombination von Merkmalen, die unter dem Anspruch 77 aufgeführt sind,
- 2. Wärmekraftmaschinenan ordnung welche ohne Medientrenner arbeitet,
Element: Medientransport
- 1. Medientransport, gekennzeichnet von zumindest einer Kombination von Merkmalen, die unter dem Anspruch 78 aufgeführt sind,
- 2. Wärmekraftmaschinenan ordnung welche ohne Medientransport arbeitet,
Element: Brenner
- 1. Brenner, gekennzeichnet von zumindest einer Kombination von Merkmalen, die unter dem Anspruch 79 aufgeführt sind,
- 2. Wärmekraftmaschinenan ordnung welche ohne Brenner arbeitet,
Element: Expansor
- 1. Expansor, gekenneichnet von zumindest einer Kombination von Merkmalen, die unter dem Anspruch 80 aufgeführt sind,
- 2. Wärmekraftmaschinenan ordnung welche ohne Expansor arbeitet.
73. Wärmekraftmaschinenanordnung mit einer speziellen
Energiezufuhr nach Anspruch 71 und 72, gekenn
zeichnet durch die aufgeführten Elemente, wobei
jeweils zumindest ein aufgeführtes Merkmal oder
eine Kombination der aufgeführten Merkmale von
jedem Element ausgebildet und angewandt wird;
Element: Medium
Element: Medium
- 1. Flüssigkeit als Medium für die Energiezufuhr,
- 2. Feststoff als Medium für die Energiezufuhr,
- 3. Gas als Medium für die Energiezufuhr,
- 4. Dampf als Medium für die Energiezufuhr,
- 5. Strahlung als Medium für die Energiezufuhr,
- 6. Energiezufuhr mittels einer Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Medien, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 5,
Element: Energieabgabe
- 1. die Energiezufuhr erfolgt durch Energieabgabe eines kondensierenden Mediums,
- 2. die Energiezufuhr erfolgt durch Energieabgabe eines erstarrenden Mediums,
- 3. die Energiezufuhr erfolgt durch Energieabgabe eines resublimierenden Mediums,
- 4. die Energiezufuhr erfolgt durch Energieabgabe des Mediums, welches seine innere Energie ändert,
- 5. die Energiezufuhr erfolgt durch Energieabgabe des Mediums, welches sich chemisch umwandelt,
- 6. die Energiezufuhr erfolgt durch Energieabgabe des Mediums, welches strahlt,
- 7. die Energiezufuhr erfolgt mittels einer Kombi nation aus ein oder mehreren der aufgeführten Energieabgabearten, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 6,
Element: Wirkort
- 1. Energiezufuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung von innen heraus,
- 2. Energiezufuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung von außen hinein,
- 3. Energiezufuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung von innen und von außen,
- 4. Energiezufuhrort innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung aus einer Kombination aus ein oder mehrerer aufgeführter Orte, aufgeführt in den Merk malen 1 bis 3,
Element: Wirkzeit
- 1. kontinuierliche Energiezufuhr innerhalb der Wärme kraftmaschinenanordnung,
- 2. diskontinuierliche Energiezufuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 3. kontinuierliche Energiezufuhr innerhalb der Wärme kraftmaschinenanordnung, bezogen auf das Expansionsspiel,
- 4. diskontinuierliche Energiezufuhr innerhalb der Wärme kraftmaschinenanordnung, bezogen auf das Expansionsspiel,
- 5. kontinuierliche und diskontinuierliche Energiezu fuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung mit Bezug auf das Expansionsspiel,
- 6. kontinuierliche und diskontinuierliche Energie zufuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung ohne Bezug auf das Expansionsspiel,
- 7. Wirkzeit der Energiezufuhr mittels einer Kombi nation aus ein oder mehreren der aufgeführten Wirkzeitarten, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 6,
Element: Wirkmenge
- 1. Energiezufuhr mittels einer taktbezogenen dosierten Wirkmenge,
- 2. Energiezufuhr mittels einer taktbezogenen undosierten Wirkmenge,
- 3. Energiezufuhr mittels einer undosierten Wirk menge ohne Taktbezug,
- 4. Energiezufuhr mittels einer dosierten Wirkmenge ohne Taktbezug,
- 5. Energiezufuhr mittels dosierter und undosierter Wirkmengen taktbezogen,
- 6. Energiezufuhr mittels dosierter und undosierter Wirkmengen ohne Taktbezug,
- 7. Energiezufuhr mittels geregelter, taktbezogener Wirkmengen,
- 8. Energiezufuhr mittels geregelter Wirkmengen ohne Taktbezug,
- 9. Energiezufuhr mittels geregelter, dosierter und undosierter Wirkmengen taktbezogen,
- 10. Energiezufuhr mittels geregelter, dosierter und undosierter Wirkmengen ohne Taktbezug,
- 11. Energiezufuhr mittels geregelter, dosierter und undosierter Wirkmengen taktbezogen und oder teil weise ohne Taktbezug,
- 12. Energiezufuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung mittels einer Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Wirkmengenarten, aufge führt in den Merkmalen 1 bis 11.
74. Wärmekraftmaschinenanordnung mit spezieller
Energieabfuhr nach Anspruch 71 und 72, gekenn
zeichnet durch die aufgeführten Elemente, wobei
jeweils zumindest ein aufgeführtes Merkmal oder
eine Kombination der aufgeführten Merkmale von
jedem Element ausgebildet und angewandt wird;
Element: Medium
Element: Medium
- 1. Flüssigkeit als Medium für die Energieabfuhr,
- 2. Feststoff als Medium für die Energieabfuhr,
- 3. Gas als Medium für die Energieabfuhr,
- 4. Dampf als Medium für die Energieabfuhr,
- 5. Strahlung als Medium für die Energieabfuhr,
- 6. Energieabfuhr mittels einer Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Medien, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 5,
Element: Energieaufnahme
- 1. die Energieabfuhr erfolgt durch Energieaufnahme eines verdampfenden Mediums,
- 2. die Energieabfuhr erfolgt durch Energieaufnahme eines schmelzenden Mediums,
- 3. die Energieabfuhr erfolgt durch Energieaufnahme eines sublimierenden Mediums,
- 4. die Energieabfuhr erfolgt durch Energieaufnahme des Mediums, welches seine innere Energie ändert,
- 5. die Energieabfuhr erfolgt durch Energieaufnahme des Mediums, welches sich chemisch umwandelt,
- 6. die Energieabfuhr erfolgt durch Strahlung die Energieaufnahme durch ein Medium, welches Strahlung absorbiert,
- 7. die Energieabfuhr erfolgt mittels einer Kombi nation aus ein oder mehreren der aufgeführten Energieaufnahmearten, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 6,
Element: Wirkort
- 1. Energieabfuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung von innen heraus,
- 2. Energieabfuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung von außen hinein,
- 3. Energieabfuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung von innen und von außen,
- 4. Energieabfuhrort innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung aus einer Kombination aus ein oder mehrerer aufgeführter Orte, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 3,
Element: Wirkzeit
- 1. kontinuierliche Energieabfuhr innerhalb der Wärme kraftmaschinenanordnung,
- 2. diskontinuierliche Energieabfuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung
- 3. kontinuierliche Energieabfuhr innerhalb der Wärme kraftmaschinenanordnung, bezogen auf das Expansions spiel,
- 4. diskontinuierliche Energieabfuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung, bezogen auf das Expansionsspiel,
- 5. kontinuierliche und diskontinuierliche Energieab fuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung mit Bezug auf das Expansionsspiel,
- 6. kontinuierliche und diskontinuierliche Energie abfuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung ohne Bezug auf das Expansionsspiel,
- 7. Wirkzeit der Energieabfuhr mittels einer Kombi nation aus ein oder mehreren der aufgeführten Wirkzeitarten, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 6,
Element: Wirkmenge
- 1. Energieabfuhr mittels einer taktbezogenen dosierten Wirkmenge,
- 2. Energieabfuhr mittels einer taktbezogenen undosierten Wirkmenge,
- 3. Energieabfuhr mittels einer undosierten Wirk menge ohne Taktbezug,
- 4. Energieabfuhr mittels einer dosierten Wirkmenge ohne Taktbezug,
- 5. Energieabfuhr mittels dosierter und undosierter Wirkmengen taktbezogen,
- 6. Energieabfuhr mittels dosierter und undosierter Wirkmengen ohne Taktbezug,
- 7. Energieabfuhr mittels geregelter, taktbezogener Wirkmengen,
- 8. Energieabfuhr mittels geregelter Wirkmengen ohne Taktbezug,
- 9. Energieabfuhr mittels geregelter, dosierter und undosierter Wirkmengen taktbezogen,
- 10. Energieabfuhr mittels geregelter, dosierter und undosierter Wirkmengen ohne Taktbezug,
- 11. Energieabfuhr mittels geregelter, dosierter und undosierter Wirkmengen taktbezogen und oder teil weise ohne Taktbezug,
- 12. Energieabfuhr innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung mittels einer Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Wirkmengenarten, aufge führt in den Merkmalen 1 bis 11.
75. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch
71 und 72 mit einem Verdichter, gekenn
zeichnet durch die aufgeführten Elemente, wobei
jeweils zumindest ein aufgeführtes Merkmal oder
eine Kombination der aufgeführten Merkmale von
jedem Element ausgebildet und angewandt wird;
Element: Steuerung der Ein/und Auslässe
Element: Steuerung der Ein/und Auslässe
- 1. Steuerung der Ein/Auslässe einfach zwangsge steuert,(z.B. Nockenwelle)
- 2. Steuerung der Ein/Auslässe mehrfach zwangsge steuert, (z.B. zwei Nockenwellen)
- 3. Steuerung der Ein/Auslässe selbst steuernd
- 4. Ein/Auslässe ohne Steuerung,
- 5. Steuerung der Ein/Auslässe durch eine Kombi nation aus ein oder mehreren der aufgeführten Steuerungsarten, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 4,
Element: Kurbelkasten
- 1. Verdichter mit offenen (zur Atmosphäre) Kurbel kasten,
- 2. Verdichter mit verschlossenem (zur Atmosphäre) Kurbelkasten,
- 3. Verdichter mit teilweise offenen und/oder teil weise verschlossenem Kurbelkasten, (zur Atmosphäre)
- 4. Verdichter mit druckdicht verschlossenen Kurbel kasten, (zur Atmosphäre)
- 5. Verdichter ohne Kurbelkasten
76. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 71 und
72 mit zumindest einem Kondensator, gekenn
zeichnet durch die aufgeführten Elemente, wobei
jeweils zumindest ein aufgeführtes Merkmal oder
eine Kombination der aufgeführten Merkmale von
jedem Element ausgebildet und angewandt wird;
Element: Strömungsführung des wärmeaufnehmenden Teiles
Element: Strömungsführung des wärmeaufnehmenden Teiles
- 1. Kondensator mit offenem Kühlprofil,
- 2. Kondensator mit geschlossenem Kühlprofil,
- 3. Kondensator ohne Kühlprofil,
- 4. Kondensator mit teilweise offenem, teilweise, geschlossenem Kühlprofil,
Element: Strömungsführung des wärmeabgebenden Teiles
- 1. Strömungsquerschnitt innerhalb des Kondensators ist nahezu konstant,
- 2. Strömungsquerschnitt innerhalb des Kondensators ist ungleichmäßig,
- 3. Strömung führt durch ein Kondensatbad,
- 4. die Strömung führt durch ein elektrisches und oder magnetisches Feld,
- 5. die Strömung führt durch einen Filter, wie im Anspruch 77 näher aufgeführt,
- 6. die Strömung führt durch mechanische Schleusen,
- 7. die Strömungsführung wird mittels einer Kombi nation aus ein oder mehreren der aufgeführten Arten, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 6, gelenkt,
77. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 71 und
72 mit zumindest einen Medientrenner, gekenn
zeichnet durch die aufgeführten Elemente, wobei
jeweils zumindest ein aufgeführtes Merkmal oder
eine Kombination der aufgeführten Merkmale von
jedem Element ausgebildet und angewandt wird;
Element: Medien
Element: Medien
- 1. Gas als zumindest ein Teil der zu trennenden Medien,
- 2. Flüssigkeit als zumindest ein Teil der zu trennenden Medien,
- 3. Dampf als zumindest ein Teil der zu trennenden Medien,
- 4. Feststoff als zumindest ein Teil der zu trennenden Medien,
- 5. die Medientrennung vollzieht sich zwischen einer Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Medien, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 4,
Element: Trennungsarten
- 1. mechanische Trennung der gemischten Medien,
- 2. elektrische Trennung der gemischten Medien,
- 3. magnetische Trennung der gemischten Medien,
- 4. chemische Trennung der gemischten Medien,
- 5. die Medientrennung vollzieht sich mittels einer Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Trennungsarten, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 4,
Element: Trennungskraft
- 1. Medientrennung mittels Relativbewegung zwischen Mediengemisch und umfassendem Gehäuse,
- 2. Medientrennung mittels unterschiedlicher elek trischer Anziehung zwischen Mediengemisch und Gehäuse,
- 3. Medientrennung mittels unterschiedlicher mag netischer Anziehung zwischen Mediengemisch und Gehäuse,
- 4. Medientrennung mittels chemischer Bindung zu mindest eines der zu trennenden Medienteile,
- 5. Medientrennung mittels unterschiedlicher polarer Anziehungskraft zwischen Mediengemisch und Trennungsmittel,
- 6. Medientrennung mittels unterschiedlicher Schwer kraft innerhalb des Mediengemisches,
- 7. Medientrennung mittels einer Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Trennungskräfte, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 6,
Element: Trennungsort
- 1. der Medientrenner als Trennungsort innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 2. der Wärmetauscher als Trennungsort innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 3. der Expansor als Trennungsort innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 4. der Verdichter als Trennungsort innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 5. der Medientransport als Trennungsort innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 6. der Kondensator als Trennungsort innerhalb der Wärmekraftmaschinenanordnung,
- 7. der Filter als Trennungsort innerhalb der Wärme kraftmaschinenanordnung,
- 8. Medientrennung innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung mittels einer Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Trennungsorte, aufge führt in den Merkmalen 1 bis 7.
78. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 71 und
72 mit zumindest einem Medientransport, gekenn
zeichnet durch die aufgeführten Elemente, wobei
jeweils zumindest ein aufgeführtes Merkmal oder
eine Kombination der aufgeführten Merkmale von
jedem Element ausgebildet und angewandt wird;
Element: Volumenstrom pro Zeiteinheit zu Verdichter volumen
Element: Volumenstrom pro Zeiteinheit zu Verdichter volumen
- 1. Volumenstrom gleich Verdichtervolumen pro Zeit einheit,
- 2. Volumenstrom kleiner Verdichtervolumen pro Zeit einheit,
- 3. Volumenstrom größer Verdichtervolumen pro Zeit einheit,
- 4. Volumenstrom innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung setzt sich aus einer Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Volumenstrom verhältnissen zusammen, aufgeführt in den Merk malen 1 bis 3,
Element: Wirkeinheit (Gebläse - Wärmetauscher)
- 1. Wirkeinheit innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung ohne Gebläse,
- 2. Wirkeinheit innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung mit Gebläse,
- 3. Wirkeinheit innerhalb der Wärmekraftmaschinen anordnung teils mit, teils ohne Gebläse,
79. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 71 und
72 mit zumindest einen Brenner, gekennzeichnet
durch die aufgeführten Elemente, wobei jeweils
zumindest ein aufgeführtes Merkmal oder eine
Kombination der aufgeführten Merkmale von jedem
Element ausgebildet und angewandt wird;
Element: Aufbau
Element: Aufbau
- 1. Brenner betrieben als offener Prozeß und die Kühlung betrieben als geschlossener Prozeß,
- 2. Brenner betrieben als offener Prozeß und die Kühlung betrieben als offener Prozeß,
- 3. Brenner betrieben als geschlossener Prozeß und die Kühlung betrieben als geschlossener Prozeß,
- 4. Brenner betrieben als geschlossener Prozeß und die Kühlung betrieben als offener Prozeß,
- 5. Brenner betrieben als teilweise offener, teil weise geschlossener Prozeß und die Kühlung betrieben als teilweise offener, teilweise ge schlossener Prozeß,
- 6. Brenner betrieben als offener Prozeß und die Kühlung betrieben als teilweise offener, teil weise geschlossener Prozeß,
- 7. Brenner betrieben als geschlossener Prozeß und die Kühlung betrieben als teilweise offener, teilweise geschlossener Prozeß,
- 8. Brenner betrieben als offener Prozeß und ohne Kühlung,
- 9. Brenner betrieben als geschlossener Prozeß und ohne Kühlung,
80. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 71 und
72 mit zumindest einen Expansor, gekennzeichnet
durch die aufgeführten Elemente, wobei jeweils
zumindest ein aufgeführtes Merkmal oder eine
Kombination der aufgeführten Merkmale von jedem
Element ausgebildet und angewandt wird;
Element: Stoffzufuhr
Element: Stoffzufuhr
- 1. Stoffzufuhr dargestellt von einer konstanten von zumindest einer Arbeitsmediumsmenge und von einer konstanten von zumindest einer Arbeits mittelmenge,
- 2. Stoffzufuhr dargestellt von einer ungleichen von zumindest einer Arbeitsmediumsmenge und von einer konstanten von zumindest einer Arbeits mittelmenge,
- 3. Stoffzufuhr dargestellt von einer konstanten von zumindest einer Arbeitsmediumsmenge und von einer ungleichen von zumindest einer Arbeits mittelmenge,
- 4. Stoffzufuhr dargestellt von einer ungleichen von zumindest einer Arbeitsmediumsmenge und von einer konstanten von zumindest einer Arbeits mittelmenge,
- 5. Stoffzufuhr dargestellt von einer konstanten von zumindest einer Arbeitsmediumsmenge,
- 6. Stoffzufuhr dargestellt von einer ungleichen von zumindest einer Arbeitsmediumsmenge,
- 7. Stoffzufuhr dargestellt von einer konstanten von zumindest einer Arbeitsmittelmenge,
- 8. Stoffzufuhr dargestellt von einer ungleichen von zumindest einer Arbeitsmittelmenge,
- 9. Stoffzufuhr dargestellt von einer Kombination aus ein oder mehreren der aufgeführten Medien, aufgeführt in den Merkmalen 1 bis 8,
Element: Energiezufuhr
- 1. siehe hierzu Anspruch 73,
Element: Energieabfuhr
- 1. siehe hierzu Anspruch 74,
Element: Expansor - Ausbildung
- 1. Expansor - Ausbildung mit zumindest einem Haupt raum und zumindest einem konstanten Vorraum,
- 2. Expansor - Ausbildung mit zumindest einem Haupt raum und zumindest einen im Volumen veränderbaren Vorraum,
- 3. Expansor - Ausbildung mit zumindest einem Haupt raum ohne Vorraum,
- 4. Expansor - Ausbildung mit zumindest einen im Volumen veränderbaren Hauptraum und zumindest einen konstanten Vorraum,
- 5. Expansor - Ausbildung mit zumindest einen im Volumen veränderbaren Hauptraum und zumindest einen im Volumen veränderbaren Vorraum,
- 6. Expansor - Ausbildung mit zumindest einen im Volumen veränderbaren Hauptraum ohne Vorraum,
Element: Steuerung der Ein- und Auslässe
- 1. Ein- und Auslässe ohne Steuerung,
- 2. Ein- und Auslässe selbststeuernd,
- 3. zwangsgesteuerter Hauptraum und ungesteuerter Vorraum,
- 4. ungesteuerter Hauptraum und gesteuerter Vorraum,
- 5. zwangsgesteuerter Hauptraum und zwangsgesteuerter Vorraum,
Element: Isolierung
- 1. Expansor mit isoliertem Haupt- und Vorraum,
- 2. Expansor mit teilisoliertem Haupt- und teil isoliertem Nebenraum,
- 3. Expansor ohne Isolierung,
- 4. Expansor mit isoliertem Vorraum und nicht isoliertem Hauptraum,
- 5. Expansor mit isoliertem Hauptraum und nicht isoliertem Vorraum,
Element: Medientrenner
- 1. siehe hierzu Anspruch 77.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3826117A DE3826117A1 (de) | 1988-08-01 | 1988-08-01 | Waermekraftmaschinenanordnung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3826117A DE3826117A1 (de) | 1988-08-01 | 1988-08-01 | Waermekraftmaschinenanordnung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3826117A1 true DE3826117A1 (de) | 1990-02-08 |
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ID=6360027
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE3826117A Withdrawn DE3826117A1 (de) | 1988-08-01 | 1988-08-01 | Waermekraftmaschinenanordnung |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE3826117A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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