EP2179141B1 - Wärmekraftmaschine - Google Patents
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- F23C2900/03005—Burners with an internal combustion chamber, e.g. for obtaining an increased heat release, a high speed jet flame or being used for starting the combustion
Definitions
- the present invention relates to a propellant gas generating device for generating a propellant gas under pressure for performing mechanical work and a method for operating such a propellant gas generating device. Furthermore, the invention relates to a heat engine for generating a mechanical movement using a fuel comprising a propellant gas generating device and an expansion machine.
- Heat engines are generally known. Here, heat and a propellant gas are generated at high pressure by burning a fuel. This high pressure propellant is converted into a mechanical movement.
- the mechanical efficiencies i.e. the ratio of mechanical energy contained in the mechanical movement to the energy that Due to the combustion as heat and pressure in the propellant gas, it is relatively sluggish and is likely to maintain below 60% or above.
- WO 2005/012818 A1 relates to a heating process, a heating device and a heating system.
- the process described here relates to the sprinkling of a fuel. This heats water so that the steam is generated.
- the steam and the gases generated by the combustion of the fuel are mixed and used for heating.
- document FR 2 474 648 relates to a steam generator, in particular for a steam engine, which has a combustion chamber for burning a mixture of fuel and an oxygen carrier.
- the generator has a heat exchanger on the heat exchange between the burned Gemiach and a coolant.
- a steam power plant is out of the document GB 1 470 527 known.
- the steam power plant consists of a boiler for generating high pressure steam and a drive machine which is operated by the high pressure steam.
- the object of the present invention is therefore to solve the problems described as far as possible, or at least to reduce them.
- the object of the present invention is to propose a heat engine which, in principle, enables better efficiency. At least an alternative machine should be pre-installed.
- a propellant gas generating device according to claim 1 is proposed.
- Such a propellant gas generating device comprises a propellant gas pressure container for generating the propellant gas therein, and a combustion chamber for burning a fuel for generating a fuel gas in which heat is generated by the combustion.
- the fuel gas can then get from the combustion chamber into the propellant gas pressure container, in which secondary fuel, in particular water, is additionally added in order to absorb heat from the fuel gas.
- secondary fuel in particular water
- Liquid water, steam, compressed air or another suitable gas can be used as the secondary fuel.
- the secondary fuel can also be referred to as a coolant, and the process described can be referred to as cooling, with cooling in the sense of heat dissipation from the system not taking place, but cooling by mixing.
- the fuel gas together with the supplied secondary fuel then forms the propellant.
- This propellant gas can then be passed on from the propellant gas generating device for further use, namely conversion into mechanical movement, in particular while maintaining a pressure, at least part of its pressure.
- the propellant gas generating device in particular the propellant gas pressure container, has at least one propellant gas outlet.
- the secondary fuel is thus fed directly to the fuel gas and mixed with it.
- the secondary fuel then forms part of the propellant gas.
- thermal energy is transferred from the fuel gas to the secondary fuel, this thermal energy transferred to the secondary fuel being retained in the propellant gas because the secondary fuel remains part of the propellant gas.
- the propellant gas generating device has a second secondary fuel supply for supplying a further secondary fuel.
- compressed air can be provided as a first secondary fuel and water or water vapor as a second secondary fuel.
- the secondary fuels are intended to be fed into the propellant gas pressure vessel.
- Sekun. Hard fuels are to be distinguished from combustion air which is introduced into the combustion chamber for burning with the fuel.
- the secondary fuels should not take part in the combustion, but should be introduced afterwards and increase the volume of the propellant gas.
- the introduction of further secondary fuels can also be provided.
- the combustion chamber is preferably arranged in the propellant gas pressure container or it forms part of the propellant gas pressure container. Accordingly, in one case the combustion chamber can be designed as an essentially closed space with corresponding combustion chamber walls, which is arranged in the propellant gas pressure vessel. The chamber outer walls are then in contact with an interior in the propellant gas pressure vessel. The combustion chamber then has an opening to the interior of the LPG container so that fuel gas can flow from the combustion chamber into the LPG container. The heat of the combustion chamber can also be radiated into the LPG container through the chamber walls.
- the combustion chamber forms part of the propellant gas pressure vessel.
- an interior of the combustion chamber basically flows smoothly into the interior of the propellant gas pressure vessel.
- the burner can be arranged, for example, at one end of a room and the secondary fuel supply can be arranged at a certain distance from the burner.
- An outlet opening for passing on the propellant gas is then arranged at a further distance from the burner.
- the combustion chamber therefore basically flows smoothly into the propellant gas pressure vessel or its interior.
- the combustion chamber with burner have a fuel supply for supplying the fuel and an air supply for supplying air.
- air is to be understood in general to mean a substance which, together with the fuel, leads to combustion or promotes combustion after ignition. Air is an easily available variant.
- pure oxygen or another suitable gas, especially oxygen could also be used.
- a liquid and / or gaseous fuel is preferably used as fuel, such as gas, such as, for example, biogas, natural gas, oil and other oil products such as diesel, gasoline or kerosene, to name just a few examples.
- Other examples of fuels are combustible suspensions, emulsions and coal dust.
- the burner is prepared to mix the air and the fuel, in particular to swirl it and to start combustion in the combustion chamber.
- the propellant gas generating device preferably uses compressed air, which is thus supplied under pressure with the burner and thus the combustion chamber.
- a compressor or air compressor is used, which generates and provides such compressed air.
- the air compressor can be part of the propellant gas generating device or the compressed air can be provided externally by a compressed air supply.
- An air quantity control valve is optionally provided for controlling the pressure and / or for controlling the quantity of the compressed air provided. As a result, the combustion process can be regulated by appropriately controlled addition of the compressed air.
- a fuel pump and / or a fuel compressor is provided in order to supply fuel to the combustion chamber and / or the burner, in particular under pressure.
- a fuel quantity control valve is preferably provided for controlling the quantity of fuel to be supplied.
- the combustion in the combustion chamber can be controlled accordingly, in particular together with the control of the supply of air.
- the fuel pump and / or the fuel compressor is preferably connected to a fuel pressure accumulator in order to generate a pressure supply for the fuel.
- a secondary fuel pump in particular a water pump, is preferably provided in order to provide the secondary fuel or water at the secondary fuel supply under pressure in order to introduce it under pressure into the propellant gas pressure container.
- a water quantity control valve can optionally be provided for controlling the quantity of secondary fuel or water to be supplied. This also makes it easier to regulate the generation of the propellant gas by regulating the amount of secondary fuel to be supplied, in particular the amount of water, in order to thereby control the process of propellant gas generation and / or the composition of the propellant gas.
- the burner and thus also the LPG pressure vessel work under atmospheric pressure. Accordingly, the media to be supplied must be supplied with at least this pressure.
- a control unit for controlling the propellant gas generating device, in particular for controlling the fuel supply, the air supply and / or the secondary fuel supply.
- a control unit which can also be referred to as a measuring, control and regulating unit, evaluates relevant inputs such as operator inputs and actual values and carries out corresponding controls by preferably giving appropriate control commands to control units.
- Preferred input values are operator input, in particular output specification, and various measured values such as temperature values, for example in the combustion chamber and / or in the pressure gas container, pressure values and, in the case of a connected expansion machine which converts the energy in the propellant gas into a rotary movement, a speed measurement.
- the output is formed by control commands or control signals for one or more air quantity control valves, one or more fuel quantity control valves and one or more control valves for secondary fuels, in particular water quantity control valves.
- its actuators can also be supplied with control commands or control signals. This can include a filling valve for supplying the propellant gas to the expansion machine and an outlet valve for discharging propellant gas from the expansion machine.
- this control unit in particular the numerical, measuring, control and regulating unit, is to calculate the best possible propellant gas generation on the basis of a basic program and depending on the variable inputs and to control this accordingly.
- the volume, pressure, temperature and environmental values are particularly important here.
- a secondary fuel line is provided for guiding the secondary fuel to the secondary fuel supply, which runs along at least one wall of the propellant gas container in order to preheat the secondary fuel by heating the propellant gas container.
- the supply of secondary fuel in particular water, preferably has the purpose that cooling the fuel gas leads to heating of the secondary fuel and in particular to a volume expansion of the secondary fuel.
- a strong volume expansion of the propellant gas is sought overall. It is not essential that the secondary fuel is fed as cold as possible to the LPG tank. Rather, it has proven to be advantageous to cool the container walls in such a way that they do not suffer any thermal damage. This can be done by guiding the secondary fuel through secondary fuel lines along at least one wall of the propellant gas pressure container.
- the wall of the propellant gas pressure vessel is thereby cooled and the secondary fuel, in particular water, is heated.
- This heated secondary fuel, especially water can then in the heated form in the flow direction of the water after the described secondary fuel lines are introduced into the LPG container.
- the temperature can preferably be so high that the water is already in vapor form, that is to say is supplied as water vapor. This water can then take thermal energy from the fuel gas and contribute to an increase in volume and / or pressure of the propellant gas.
- a further preferred embodiment provides that the propellant gas pressure vessel is at least partially double-walled and that the secondary fuel and / or the air for supply to the pressure gas vessel or the combustion chamber is guided between two walls.
- the propellant gas pressure vessel in particular if the combustion chamber forms part of it, different temperatures are to be expected at different points. The highest temperature is due to the function in the area of the burner and thus the combustion chamber and it will decrease towards the propellant gas outlet.
- a triple wall can be provided in the area of the combustion chamber.
- a double wall and finally, towards the propellant gas outlet a single wall can be provided, to name just one example.
- the triple wall can be used to guide air in an area between two walls for supply to the LPG container or to the combustion chamber.
- the secondary fuel in particular water
- the secondary fuel can be conducted in another intermediate area and towards the double wall area of the pressure gas container.
- a single wall can then be provided towards the propellant gas outlet.
- Another embodiment proposes a heat exchanger for heating at least one secondary fuel from the heat of the propellant gas and / or from the heat of another medium.
- the first, second and / or further secondary fuel is heated, so that the relevant secondary fuel can be introduced into the propellant gas pressure container in a preheated state in a simple manner.
- Heat of the propellant gas can be used for heating by supplying propellant gas to the heat exchanger.
- the propellant gas can be used for this purpose, for example, after leaving an expansion machine downstream of the propellant gas generating device.
- Propellant gas which has left the propellant gas generating device immediately, or a combination can also be used.
- Other heat-conducting media such as gas obtained geothermally, are also suitable for use in the heat exchanger.
- a method according to claim 8 is proposed for operating a propellant gas generating device.
- This method is thus used to generate a propellant gas under pressure that can be used to do mechanical work.
- a propellant gas generating device which has a propellant gas pressure container, a combustion chamber and a secondary fuel supply.
- the following steps are proposed, which are carried out essentially simultaneously, in particular continuously and thus in parallel.
- a fuel is burned in the combustion chamber to generate a fuel gas.
- This fuel gas has a high heat, as well as a certain overpressure, which is also due to the construction of a closed combustion chamber.
- a closed combustion chamber is also to be understood as an open combustion chamber which is arranged in an essentially closed propellant gas pressure container.
- the fuel gas is passed into the LPG tank. This is done, for example, by removing a propellant gas generated and continuing to operate the burner, so that fuel gas follows.
- Secondary fuel in particular water
- Secondary fuel is introduced into the propellant gas pressure vessel and thus into the fuel gas. This leads to cooling of the fuel gas and thereby heating of the secondary fuel, in particular the water, and consequent expansion of the secondary fuel or water.
- the result is the propellant gas in the propellant gas pressure container, which has a correspondingly high pressure and can lead to a corresponding increase in volume of the propellant gas.
- the secondary fuel is atomized and / or introduced as water vapor. As far as possible, the introduction takes place in such a way that the fuel gas and the secondary fuel are mixed with the propellant gas in the most favorable manner.
- the secondary fuel is also supplied under pressure.
- a propellant gas generating device according to the invention is preferably used in this method.
- the fuel is burned to the fuel gas with the addition of air, and water is supplied as a secondary fuel in liquid form in such a way that it evaporates when the fuel gas is cooled and thus leads to an increase in volume or already is supplied as water vapor and / or the propellant gas has fuel gas and water vapor, in particular is a mixture of fuel gas and water vapor.
- the combustion of the fuel is promoted by the supply of air, which here also exemplifies other additives such as oxygen, and in particular is more controllable.
- the propellant gas is preferably generated so that the combustion takes place under excess pressure. This is a characteristic of the burner and requires appropriate precautions such as in particular the fuel and, if necessary, the air under pressure.
- the secondary fuel is to be supplied to the pressurized gas container under pressure.
- compressed air is supplied to the combustion chamber, which is provided by a compressed air compressor, preferably using a compressed air control valve and controlling the pressure and / or the amount of compressed air. It is also favorable to supply fuel to the combustion chamber and / or the burner by means of a fuel pump and / or a fuel compressor, a fuel quantity control valve preferably being used and the fuel quantity to be supplied being controlled.
- a gaseous fuel monitoring of the pressure, the temperature and / or the volume and / or mass flow of the supplied fuel is proposed for controlling the fuel quantity valve.
- water is preferably supplied as a secondary fuel to the propellant gas pressure container by means of a water pump and optionally a water control valve is used, the water is supplied under pressure and the amount of water supplied is controlled.
- the control of the pressure and / or the amount of water can optionally be carried out directly via the water pump.
- the supply of a gaseous secondary fuel can be carried out similarly to the supply of a gaseous fuel or the compressed air.
- the method is preferably used as a flowable fuel, that is to say a liquid or gaseous fuel, such as in particular gas, oil, gasoline and diesel, to name just a few examples.
- preheated water can be used as the secondary fuel and / or water can be fogged into the propellant gas pressure vessel under pressure. This makes it possible to use the water beforehand to cool the propellant gas pressure vessel or also other components of the propellant gas generating device or other components of a heat engine. The heat extracted for preheating is retained in the system by supplying the preheated water to the fuel.
- the method is preferably carried out in such a way that the water or secondary fuel supply, the fuel supply and / or the compressed air supply takes place depending on measurements of conditions in the propellant gas generating device, in particular depending on measurements of the temperature, the volume, the pressure and / or the Composition of the propellant gas and / or depending on the temperature in the burner.
- the quantitative ratios and / or the pressure of the compressed air, the fuel and the water are preferably controlled.
- the method be controlled in such a way that the propellant gas leaves the propellant gas pressure vessel at a pressure of approximately 10 to 50 bar and a temperature in the range from 750 ° C. to 1200 ° C. The higher the pressure, the higher the temperature and vice versa.
- An expansion machine for converting an expansion of propellant gas under pressure into a mechanical movement is preferably also proposed.
- Such an expansion machine has a filling space and a propellant gas expansion space.
- the moving body is arranged and guided in the filling space such that a pressure of the propellant gas with which the filling space was filled acts on the first pressure surface and thus pushes the moving body in a first direction and thus moves it.
- This movement can result from an expansion of the filled propellant gas or, in combination, can take place together with the filling.
- the moving body can be moved directly in the first direction by filling with propellant gas.
- the moving body is also guided into the propellant gas expansion space, the second pressure surface being essentially opposite to the first pressure surface and an expansion of a propellant gas supplied to the propellant gas expansion space being moved to move the moving body in the second direction opposite to the first direction.
- the expansion machine is essentially prepared for movement of the moving body in the second direction due to expansion of the propellant gas in the propellant gas expansion space. The effect of the propellant gas in the filling space and the propellant gas expansion space are thus opposed.
- the expansion machine must be controlled accordingly so that the filling space is filled and the propellant gas is expanded in the expansion space one after the other, in particular alternately.
- the first printing area is preferably smaller than the second printing area.
- a higher pressure is therefore required in the filling space in order to exert the same force on the moving body as can be exerted in the propellant gas expansion space by a correspondingly lower propellant gas pressure.
- the forces in the direction of the first or second direction of movement are meant in each case.
- the filling space is designed as a cylinder space or annular gap and accordingly the first pressure surface is designed as a circular or annular surface, the moving body is designed as a piston and / or the propellant gas expansion space is designed as an annular gap or cylinder space and the second pressure surface as Ring or circular surface is formed.
- the use of a piston as a moving body is structurally simple.
- the first expansion part arrangement can overall be simple and essentially cylindrical.
- the filling space is an annular gap and the first pressure surface correspondingly an annular surface and the propellant gas expansion space a cylinder space with the second pressure surface as a circular surface. In this way it is also easy to realize that the first printing area is smaller than the second printing area.
- the division can be reversed, a larger ring area than the circular area can be achieved with a corresponding size division.
- the filling space and the propellant gas expansion space overlap, both of which are preferably formed in a common bore.
- a common bore can be provided as a common cylinder space in which the moving body can move, in particular as a piston, and the filling space is then formed on one side of the piston and the propellant gas expansion space on the other side.
- parts of the bore then belong to the filling chamber or to the propellant gas expansion chamber.
- the expansion machine preferably comprises at least one filling valve which is functionally connected to the first filling space for admitting propellant gas into the first filling space, at least one exhaust valve which is functionally connected to the propellant gas expansion space for releasing propellant gases from the propellant gas expansion space and / or at least one which is functionally connected to the filling space and the propellant gas expansion space
- Overflow valve for opening and closing a connection between the fill space and the propellant gas expansion space to allow propellant gas to flow from the fill space to the propellant gas expansion space.
- the filling space and the propellant gas expansion space are thus functionally connected via the at least one overflow valve.
- this expansion sub-arrangement is thus prepared for a propellant gas to flow into the filling space via the filling valve, to cause the moving body to move in the first direction, then to flow into the propellant gas expansion space via the overflow valve, to expand there and to move the moving piston into the leads in the second direction and then - preferably after complete expansion and decrease in pressure to atmospheric pressure - leaves the propellant gas expansion space.
- An expansion machine is preferably proposed for converting an expansion of propellant gas under pressure into a mechanical movement.
- This expansion machine has an expansion sub-arrangement with a double function, which is especially matched to an interaction with a propellant gas generating device.
- a propellant gas expansion space is provided which is to be filled with propellant gas and in which the propellant gas then expands in order to press the moving body in a first direction and accordingly to produce a translational movement of the moving body in this first direction.
- This moving body is also guided into a compression space and has a compression surface in order to compress a process gas, in particular air, which can be used in the propellant gas generating device. Compression takes place through a translatory movement of the moving body in the first direction, so that a movement of the moving body caused by the expansion of the propellant gas leads to compression of the process gas into the compression space.
- the pressure area is preferably larger than the compression area. In this way it can be achieved, on the one hand, that the same expansion pressure on the pressure surface can lead to compression with a higher compression pressure on the side of the compression surface. On the other hand, it is achieved that the expansion of the propellant gas can achieve a movement of the moving body in the first direction with high energy or force, and the compression of the process gas carried out thereby consumes only little of this energy or force.
- a common cylinder space or a common bore is preferably provided in which the propellant gas expansion space and the compression space are formed. Basically, the moving body then moves back and forth - in particular as a piston - between the propellant gas expansion space and the compression space.
- a jacket tube around at least one of the expansion sub-arrangements in order to guide a medium therein for temperature compensation.
- temperature compensation between regions of different warmth of the expansion part arrangement can be achieved.
- Thermal oils, water, gases and other media can be considered as a medium.
- Temperature compensation can also be provided in the area of cylinder heads and the medium used can be used for heating elsewhere.
- two expansion subassemblies ie a first and a second, are coupled to one another.
- This coupling can be carried out both with an expansion sub-arrangement with filling space and propellant gas expansion space and with an expansion sub-arrangement with compression space and propellant gas expansion space.
- the two expansion subassemblies are thus fundamentally coupled in a push-pull manner, so that expansion of propellant gas in the propellant gas expansion space of the first expansion subassembly leads to emptying of the expanded propellant gas from the propellant gas expansion space of the second expansion subassembly.
- the function of the filling spaces or the compression spaces is retained as they are has already been explained in connection with a single expansion part arrangement.
- a flywheel is preferably provided for storing and delivering kinetic energy from or to the moving body.
- Such a flywheel mass can absorb kinetic energy in particular when the respective propellant gas expansion space that is currently expanding in the propellant gas is still small and the pressure of the propellant gas is still high.
- An increasing expansion of the propellant gas and thus an enlargement of the propellant gas expansion space also leads to a decrease in the pressure of the propellant gas and correspondingly a decrease in the force of the moving body. At the end of the movement, this movement can be maintained by the swinging body, even if a subsequent device takes mechanical energy. This makes it possible, at least in theory, for the pressure of the propellant gas to drop to atmospheric pressure at the end of the movement.
- a conversion mechanism which has at least one rack connected to the moving body and at least one gear means coupled to the rack, for converting a translational movement of the rack into a rotary one Movement on the gear center.
- This device has the advantage over a construction of a wheel and crank rod that basically the same force is always converted into the same torque by the rack, because the use of the rack on the gear means permanently exerts a force at a 90 degree angle of the translatory direction of movement to the radius on which the rack engages is reached.
- the expansion machine is characterized in that the conversion mechanism has at least one first gear means to convert a translational movement of a first direction of the moving body into a rotational movement with a first direction of rotation and has a second gear means to translate movement of a second direction of the moving body in convert a rotational movement with the first direction of rotation.
- a translatory movement is converted into a rotary movement with one and the same direction of rotation.
- a switch be made between the first and second gear means in such a way that a movement of the moving body is converted into a rotational movement with the first, ie only one, direction of rotation.
- each gear means preferably has a freewheel, in particular a controlled clutch freewheel, in order in each case to be effective only in the first or the second direction of the translatory movement. Accordingly, according to one variant, no active switchover needs to be carried out and a conversion into the first rotary movement mentioned is always carried out. If a controlled clutch freewheel is used, it is possible to specifically deactivate the freewheel so that a force can be transmitted from the gear means to the moving body even in the direction of rotation mentioned. This can be advantageous if its movement is to be supported by the gear means towards an end position of the moving body.
- the moving body can preferably be designed with two toothed racks or a double toothed rack, in that a toothed rack or part of a double toothed rack leads to a transmission for each translatory movement.
- the expansion machine control unit is prepared to control the movement of a linear unit, which in particular comprises the piston and the piston rod, via valve positions.
- clutch freewheels can optionally be controlled in order to suitably control a torque transmission.
- the measurement and consideration of the state variables piston location, piston speed, direction of piston movement, generated speed on an output shaft and valve positions as well as possibly states of the clutch freewheels are provided.
- the expansion machine control unit can be prepared to coordinate these expansion machines in their movement.
- a central control unit can preferably be provided, which in addition to the tasks of the expansion machine control unit also takes over the control of a propellant gas generation unit.
- a control unit for a propellant gas generation unit and an expansion machine control unit can preferably be coordinated and / or combined in one unit.
- An arrangement of at least two expansion machines is preferably proposed, the expansion machines being coupled in such a way that they each transmit torque to a common shaft, the expansion machines in particular being prepared to be operated in a synchronized and / or coordinated manner.
- two expansion machines can be coupled via a conversion mechanism, in that, for example, each expansion machine engages with a rack on a conversion mechanism with two gear means.
- two or more expansion machines can transmit a torque to a common shaft, the expansion machines being arranged one behind the other in pairs or in the axial direction of the common shaft.
- the expansion machines should be coupled in synchronism. They run at least partially out of phase, but otherwise synchronously or at the same frequency.
- a method for operating an expansion machine with a first expansion part arrangement with a filling space and a propellant gas expansion space is described . Accordingly, the following steps are carried out: In the first step, the filling space is filled via at least one filling space operating gas, the pressure of the propellant gas acting on a first pressure surface on the moving body and pressing it in a first direction and thus moving in this direction. In the second step, the at least one filling valve is closed and then at least one overflow valve is opened, so that the propellant gas flows from the filling space into a propellant gas expansion space.
- the at least one overflow valve can be opened a little later, ie later, when the at least one filling valve is closed, in order to prevent propellant gas from flowing directly into the filling valve and through the overflow valve.
- a force acts on the second pressure surface on the moving body and this is thus pressed in a second direction and thus moved.
- the second direction is opposite to the first, so that the moving body moves back in relation to step 1.
- At least one outlet valve in the propellant gas expansion chamber is opened in order to allow the propellant gas to escape from the propellant gas expansion space.
- the pressure of the propellant gas is optimally the same as the surrounding, i.e. atmospheric pressure.
- step 1 the process is repeated starting with step 1, the at least one outlet valve initially remaining open.
- step 1 the propellant gas expansion space is reduced again and the propellant gas contained can escape through the at least one opened outlet valve.
- a method for operating an expansion machine with an expansion subassembly with a propellant gas expansion space and a compression space is described. Accordingly, in the first step the propellant gas expansion space is filled with propellant that the pressure of the propellant acts on a pressure surface on a moving body and thereby moves the moving body in a first direction. This movement in the first direction reduces the compression space and compresses the process gas contained therein. The compressed process gas can then be supplied to or used during the compression process.
- the moving body is moved back in the second direction, the propellant gas expansion space being emptied due to at least one opened outlet valve.
- the return movement of the moving body can be achieved, for example, by means of a flywheel or another force not caused by this first expansion part arrangement.
- the compression space is filled with process gas. In the simplest case, this can mean that an inlet valve in the compression space is opened and air flows into the compression space by moving the moving body back.
- step 1 is repeated, the intake valve in the compression space previously being closed, so that a desired compression pressure for the process gas can build up.
- two expansion sub-arrangements are operated coupled with the same features.
- the same features do not necessarily mean that the expansion subassemblies are completely identical, but that in principle they have the same structure, in particular two expansion subassemblies, each with a filling space and a propellant gas expansion space, are operated coupled, or two expansion subassemblies, each with a propellant gas expansion space and a compression space operated together.
- the directions of movement are opposite here, the movements complementing one another in that the two expansion part arrangements have a common movement body.
- the two expansion subassemblies will accordingly operated in such a way that they move the moving body in the same direction, so that the filling and emptying of the propellant gas expansion space of the first expansion subassembly always takes place in reverse to the filling and emptying of the propellant gas expansion space of the second expansion subassembly.
- a heat engine for generating a mechanical movement using a fuel which comprises a propellant gas generating device according to the invention for generating a propellant gas and an expansion machine according to the invention for converting an expansion of propellant gas under pressure into a mechanical movement, in particular rotary motion, the propellant gas generating device and the Expansion machine are coupled to each other so that the propellant gas generated by the propellant gas generating device is supplied to the expansion machine, in particular is provided at least one filling valve or inlet valve in a propellant gas expansion chamber.
- the propellant gas generating devices and the expansion machine are preferably matched to one another.
- the propellant gas generating device essentially supplies a propellant gas with values that are as constant as possible, such as constant pressure and temperature.
- the expansion machine is prepared to be operated essentially with a propellant gas at a constant pressure.
- the two devices thus advantageously complement each other to form the heat engine.
- an expansion machine with at least one expansion space, preferably two expansion spaces, is used.
- the expansion machine can thus be operated with the propellant gas provided by the propellant gas generating device and at the same time compress a process gas and be available to the burner as compressed gas, in particular compressed air from the propellant gas generating device. This results in particularly good synergy effects.
- a compressor for compressing a process gas, in particular air is also described.
- Such a compressor has a first and a second compression space, each with a first and a second compression body. The two compression spaces are coupled in that the second compression space is formed in the first compression body.
- the first compression space is prepared to compress the process gas to a volume with a first compression pressure in a first compression stage.
- a corresponding connection valve - or more - is provided in order to then transfer the compressed process gas into the second compression space. After compression in the first compression stage, the process gas thus flows into the second compression space.
- the second compression space is then prepared to further compress the process gas in a second compression stage, the volume being reduced accordingly and the compression pressure being increased accordingly.
- the first compression space and the second compression body are arranged fixed to one another and the first compression body is arranged to be movable in two directions relative to the first compression space and the second compression body in such a way that its movement either reduces the first compression space or increases the second or vice versa.
- the first compression space preferably forms a cylinder into which the first compression body is likewise guided in a cylindrical manner.
- the second compression space is also arranged as a cylinder - correspondingly with a smaller diameter.
- the second compression body is also guided into this second compression space as a corresponding cylinder with a smaller diameter.
- the first compression body now moves in the first compression space in such a way that the latter reduced and the process gas is compressed. Since the first compression space and the second compression body are each fixed, the second compression space is automatically increased by the movement of the first compression body. Because of the smaller cylinder diameter, however, this second compression space is relatively small and the process gas compressed in the first compression stage can now be admitted into this second compression space without the latter losing its compression again. Due to the small second compression space, the connection valve between the first and second compression space can be opened during the first compression stage. In this first compression stage, the second compression space is enlarged while the first is reduced, it is nevertheless small in comparison to the large compression space and the volume available for the process gas is also reduced with the connecting valve open. For the second compression stage, however, the connecting valve must be closed so that when the first compression body is weighed back, which reduces the size of the second compression space, the process gas does not flow back into the first compression space.
- connection valve can be provided as a check valve which only allows a flow from the first to the second compression space.
- an inlet valve from the outside to the first compression space can be designed as a check valve.
- a steam generator as a heat exchanger, in particular to use propellant gas from a propellant gas generating device as a heat source after it has passed through an expansion machine and thereby to generate steam in the heat exchanger for use as secondary fuel in the propellant gas generating device.
- the first expansion space can also be referred to as a propellant gas filling space and the second expansion space can also be referred to as a propellant gas expansion space.
- Fuel and / or fuel can also be referred to as fuel, but its function differs from that of secondary fuel.
- the importance of secondary fuel must be differentiated between fuel, fuel and fuel.
- LPG pressure vessel can also be referred to as a LPG reactor pressure vessel.
- a control unit usually comprises a measuring, control and regulation unit.
- a printing area can form a partial area of a total area, the pressure being on the total area, but only being effective on the printing area.
- the term printing area refers to the area where the pressure is applied.
- propellant gas generating device One aspect of the invention is the propellant gas generating device.
- suitable propellant gas generation can be accomplished in a variety of ways.
- the appropriate technology should be selected in accordance with the selected energy source (fuel).
- fuel for solid fuels such as coal, wood, etc.
- solid fuels such as coal, wood, etc.
- commercially available steam boiler systems in question.
- the propellant gas generating device according to the invention can be used for liquid fuels such as oil or for gaseous fuels such as landfill gas, biogas, natural gas etc.
- the propellant gas generating device 2 has two propellant gas pressure vessels 4, which are basically of the same construction and can also be referred to as propellant gas reactor pressure vessels.
- the task the propellant gas pressure vessel 4 is to produce suitable propellant gas by reaction of air, fuel and preheated water, so that it is able to do mechanical work.
- a combustion chamber 6, each with a burner 8, is arranged in each of the two propellant gas pressure containers 4 in order to burn fuel.
- the task of the combustion chamber 6 is to ensure the best possible combustion of a fuel-air mixture.
- the propellant gas pressure vessel with the combustion chamber 6 forms a propellant gas reactor 5.
- Each burner 8 is intended to start and permanently ensure optimal combustion by swirling air, fuel and their ignition.
- the propellant gas generating device 2 comprises a central measuring, control and regulating unit 10, also referred to as MSRe or MSR 10 for short.
- MSR 10 central measuring, control and regulating unit 10 for short.
- Variable inputs of this MSR 10 are an input for a power specification 12, via which a user can specify a power via operator commands, as well as at least one input for a temperature measurement value 14, an input for a pressure measurement value 16 and an input for a speed measurement value of a one driven by the propellant gas generating device Mechanics.
- the measured values of the temperature and the pressure relate to the temperature and the pressure of the propellant gas, in particular at an outlet 18 of the propellant gas pressure container 4.
- the MSR issues 10 control commands as outputs. These include an air control output 20 for issuing a drive command to at least one air pressure control valve 22 to control air supply to the burner 8, a fuel control output 24 for issuing a drive command to at least one fuel control valve 26 to control a fuel supply, and a water control output 28 for issuing a drive command to at least one water quantity control valve 30 in order to control the supply of a quantity of water to the propellant gas pressure container.
- the MSR 10 has a fill quantity control output 32 for issuing a control command to control a fill quantity of the propellant gas for a downstream expansion machine, and a fill quantity control output 34 for issuing a drive command in order to issue an exhaust valve for discharging the propellant gas for the downstream expansion machine To control expansion machine.
- the MSR 10 is intended to calculate the best possible propellant gas generation on the basis of a program and depending on the inputs mentioned above and to control this by means of corresponding control commands.
- an air compressor 36 which provides an air pressure by means of a reservoir upstream of the air pressure control valve 22, which in one embodiment is at least 43 bar.
- the compressor 36 is driven by linear coupling from the expansion machine to ensure proportional generation of compressed air.
- the compressor 36 provides compressed air and the task of the air pressure control valve 22 is to supply an optimum amount of air to the combustion chambers 6 of the propellant gas reactors 5 in accordance with a specification by the central MSR 10.
- a fuel pump 38 is provided in order to ensure a fuel pressure by means of a reservoir upstream of the fuel control valve 26.
- this fuel pressure is approximately 200 bar when using a liquid fuel.
- the fuel control valve 26, which is also referred to as the fuel quantity control valve, is intended to supply the combustion chambers 6 of the propellant gas reactors 5 with the optimal possible quantities of fuel in accordance with the above-described specifications of the MSR 10.
- the combustion chambers 6 have at least one injection nozzle 40.
- a water pressure is to be provided upstream of the water quantity control valve 30, which is approximately Can be 200 bar.
- the water quantity control valve 30 is intended to ensure a controlled supply of the water to the propellant gas pressure containers. This supply takes place in accordance with a specification of the MSR 10, the water atomizing nozzles 44 being supplied in the propellant gas pressure containers 4 of the propellant gas reactors 5, which are each arranged in the region of a container wall 46. Optimal amounts of water should be added to preheated water in order to optimize the temperature and volume of the propellant.
- Corresponding water supply lines 48 are provided for supplying the water from the water quantity control valve 30 to the atomizing nozzles.
- the propellant gas reactor 5 works with a non-atmospheric combustion technology, that is to say the combustion takes place under excess pressure.
- propellant gas is generated from fuel, air and water.
- the special task of the propellant gas reactor 5 is to produce propellant gas with the largest possible volume and moderate temperature.
- a moderate temperature is to be understood as a temperature range which does not cause any damage to the machine constructions from the LPG reactor pressure vessel 6 and an expansion machine to which the LPG generated is supplied.
- compressed air is fed via the air compressor 36, which can also be referred to as a compressed air generator, and the air quantity control valve 22 and a line system comprising the air lines 35 to a burner system comprising the burner 8 within the combustion chamber 6 in the LPG reactor pressure vessel 4.
- the components of fuel such as gas, oil, etc., and compressed air, which are optimally composed in terms of quantity, are mixed intimately and ignited there, with a considerable increase in volume and temperature increase taking place in the combustion chamber 6 via the burner system.
- the task of the combustion chamber 6 is to provide the combustion process with a sufficient protective space in which the combustion can take place as optimally as possible, that is to say at the highest possible temperatures and the necessary dwell time, in order to produce the cleanest possible combustion gas.
- Positive features here are that an optimally optimized combustion time window can be achieved and options for optimal fuel combustion are created in order to keep any possible particulate matter risk low and to get as little NO x as possible.
- a very warm or hot fuel gas leaves the combustion chamber 6 through openings 7 provided structurally in the combustion chamber 6 and reaches the larger propellant gas reactor pressure vessel 4.
- This process is also regulated and controlled by the MSR, the pressurized water having previously passed through the water pump 42, the water reservoir and the water quantity control valve 30.
- the water has possibly passed through a heat exchanger of the compressed air generator or air compressor 36, whereby it heats up considerably.
- the MSR 10 system measures, regulates and controls the supply of previously described Fuel gas and water in such a way that the largest possible volume of propellant gas arises in a temperature range which does not thermally damage the propellant gas reactor pressure vessel 4 and a downstream expansion machine.
- the task of the propellant gas reactor pressure vessel 4 is to bundle the propellant gases generated in it and, if necessary, to feed it to the downstream expansion machine via a pipeline system, and to withstand the pressure to be expected which results from the dynamic pressure of the expansion machine.
- Another task of the MSRe system is to continuously measure and regulate the quantitative ratios of compressed air, fuel and water depending on the pressure, volume and temperature of the propellant gas while the WWKM is operating.
- a particular advantage of the propellant gas reactor system that is to say the propellant gas reactor 5 with associated components, including the MSR 10, is that a direct, intimate temperature-volume conversion takes place due to the system. This means that mixing increases the volume in the same room. Efficiency losses due to temperature - solid walls separating volumes such as There are no pipes in boiler systems.
- any pollutants present in the fuel gas are intimately mixed in the propellant gas and are bound in the condensate behind the expansion machine after the condensation and can thus be treated or disposed of in an environmentally friendly manner.
- Figure 1 is a schematic representation that shows two propellant gas reactors 5 in a sectional view based on the basic structure, which does not represent exact proportions.
- the MSR 10 and further elements between the two propellant gas reactors 5 are shown. This arrangement is not important, however, and in particular the MSR 10 can be arranged at basically any position.
- FIG. 2 an expansion machine 202 according to an embodiment of the invention is explained, the expansion machine 202 being shown in an operating position to explain the individual elements. A partial sectional view was chosen for the illustration.
- the expansion machine 202 has two cylinders 204 - according to FIG Figure 2 a right cylinder and a left cylinder - into which propellant gas can expand if the operating position is appropriate.
- Each cylinder has a cylinder head 206 with a plurality of exhaust valves 208 through which propellant gas can flow out in the open state.
- the exhaust valves 208 on the right cylinder 204 are shown in the open state and those on the left cylinder in the closed state.
- an annular channel 210 with filling valves 212 is provided.
- a closed fill valve 212 is shown for the right cylinder 204 and an open fill valve 212 for the left cylinder 204.
- propellant gas can thus be provided on the ring channel 210 and flow into the cylinder 204 through the at least one filling valve 212 shown on the right.
- a piston 214 is guided by means of an annular cylinder guide 216 in a cylindrical interior or a cylindrical bore in order to enable the piston 214 to move axially.
- the cylinder guide 216 is arranged in and on the cylinder 204 and also ensures that the piston 214 is sealed against the cylinder 204.
- the piston 214 has a piston body 220 and a piston end wall 222, which are each firmly connected to one another, this connection of the piston body 220 with the piston end wall 222 in FIG Figure 2 is not shown.
- Each cylinder 204 has a propellant gas filling space 224.
- the propellant gas filling chamber 224 is formed between the piston body 220, the piston end wall 222 and the cylinder 204 and changes with the position of the respective piston 214.
- the propellant gas filling chamber 224 shown for the right cylinder 204 is thus composed of a cylindrical section and an annular gap.
- the propellant gas filling chamber 224 is connected to a propellant gas expansion chamber 228 via a plurality of overflow valves 226.
- the propellant gas expansion space 228 changes with the position of the piston 214 and has its largest dimension in the right cylinder 204 and its smallest dimension in the left cylinder 204.
- the overflow valves 226 on the right cylinder 204 are closed and those on the left cylinder 204 are shown open. When the overflow valves 226 are open, propellant gas can flow from the propellant gas filling space 224 into the respective propellant gas expansion space 228.
- Both pistons 214 are firmly connected to one another via a common piston rod 230.
- the piston rod 230 is toothed on both sides in order to engage in two toothed rings 232 in order to convert a force of the pistons 214 into a torque.
- Each ring gear 232 is connected to a freewheel 234, so that torque is only transmitted in one direction of rotation to the wheel hub 236 connected to the freewheel 234.
- Arrows indicate a direction of rotation 238 in which a torque is transmitted.
- Both freewheels 234 are selected such that a torque is always transmitted in the direction of this direction of rotation 238 from one toothed ring 232 each to the corresponding wheel hub 236.
- the wheel hubs have sprocket teeth and are over one Chain drive 240 connected to each other to achieve synchronization of the torque.
- An oscillating movement of the piston rod 230 can thus always be converted into a torque with the direction of rotation 238 via the choice of the freewheel 234.
- the torque generated in this way can be extracted via output shafts 242 and used for further use.
- the overflow valves 226, fill valves 212 and exhaust valves 208 are controlled regularly.
- the overflow valves 226 close on the right cylinder 204, the filling valves 212 open in the right annular channel 210, and the exhaust valves 208 in the right cylinder head 206 and release a substantially expansion-free propellant gas filling of the right propellant gas filling space 224.
- the overflow valves 226 in the left piston 214 open - likewise regularly controlled - and thus open an expansion process of the left previously filled propellant gas filling space 224.
- the two pistons 214 thus develop their thrust or expansion forces mutually adding to the right. Controlled in line with the MSR, the filling valves 212 are closed again when the right filling chamber 224 is filled and the piston 214 has reached its extreme right position.
- the filling creates shear forces on the piston 214, resulting from the propellant gas filling pressure multiplied by the effective circular ring area, which corresponds to an end face of the annular gap of the propellant gas filling chamber 224.
- the propellant gas does not expand in this step.
- the effective piston area is the size of the circular area of the end face of the piston body 220.
- Expansion pistons acting on the left-hand piston 214 are initially very large due to the falling pressure curve, that is to say the decreasing pressure, the maximum pressure approximately corresponding to the filling pressure, and possibly decrease to zero when the pressure decreases to atmospheric pressure. In this case there are no energy outflows due to unused escaping residual pressure.
- Figure 3 shows the expansion machine shortly before reaching the right inner direction reversal point, ie shortly before the piston end wall 222 has reached the filling valve 212 in the left cylinder 204.
- the MSR gives the right exhaust valves 208 the closing command, as a result of which a residual propellant gas cushion builds up, which absorbs the kinetic energy from the moving linear unit, namely the piston 214 and the piston rod 230, and decelerates it to speed 0 and immediately accelerated linearly in the other direction again.
- the expansion machine 202 is shown in an operating position at the stroke is on the left. Arrived at the left inner direction reversal point of the linear unit, namely the piston 214 and the piston rod 230, the left overflow valves 226 close, open the filling valves 212 in the left ring channel 210, as well as the exhaust valves 208 in the left cylinder head 206 and release the expansion-free propellant gas filling of the propellant gas filling chamber 224. At the same time, the overflow valves 226 also open regularly in a controlled manner as shown in FIG Figure 4 right piston 214 and thus open the expansion process of the right previously filled LPG filling space 224.
- the two pistons 214 thus develop their thrust or expansion forces mutually adding to the left.
- the thrust forces on the circular surface of the left piston - resulting from the propellant gas pressure times the effective circular surface - remain constant.
- the expansion forces acting on the right-hand piston 214 are initially very large as a result of the falling pressure curve, the maximum pressure here also roughly corresponding to the filling pressure and, with complete expansion, being able to decrease to ambient pressure. A positive torque input of approx. 96% is aimed for. If the expansion pressure decreases to ambient pressure, there are no energy outflows due to unused escaping residual pressure.
- the MSR gives the left exhaust valves 208 the closing command, as a result of which a residual propellant gas cushion builds up, which absorbs the kinetic energy from the moving linear unit, consisting of the pistons 214 and the piston rod 230, decelerating them to speed 0 and immediately accelerated linearly in the other direction again.
- the piston rod 230 toothed on both sides has a toothing which, according to Figure 2 - Is engaged with a ring gear 232 at the top and bottom. If the piston rod 230 moves to the right, a torque rotating to the left arises in the upper ring gear 232 and a torque rotating to the right in the lower ring gear 232. If the piston rod 230 moves to the left, a right-turning torque is generated in the upper ring gear 232 and a left-turning torque in the lower ring gear 232.
- the freewheels 234 are arranged between the two ring gears 232 and the wheel hubs 236, which have corresponding sprocket teeth.
- the function of the freewheels 234 is to transmit the torques rotating to the left as shown here to the wheel hubs 236, or not to transmit the torques rotating in each case to the wheel hubs 236. If you want an expansion machine 202 that rotates to the right, only the direction of action of the freewheels 236 needs to be changed.
- the tasks of the drive shafts which are connected to the wheel hubs 236 in a torque-proof manner and are mounted radially and axially, are to couple the generated torques - the generated powers of the expansion machine with further elements, or to pass them on to a power consumer.
- the chain drive 240 is provided for synchronization of the torques on both wheel hubs, the task of which is to synchronize both output shafts 242 in a torque-proof manner and, moreover, a torque or power transfer of the total power optionally on both output shafts 242 to enable.
- Figures 2 to 5 depict the same expansion machine 202 schematically, even if there may be some deviations in size in the illustration.
- the Figures 2 to 5 differ in the operating states shown in each case.
- Figure 6A illustrates the interaction of the propellant gas generating device 2 with an expansion machine 202 coupled therewith.
- the propellant gas generating device 2 generates propellant gas in the two propellant gas reactors 5.
- the propellant gas reactors 5 are coupled with their propellant gas pressure vessels 4 to the cylinders 204 of the expansion engine 202 in such a way that propellant gas is discharged from the outlet 18 of the propellant gas pressure vessel is supplied to the ring channels 210 and is thus provided at the filling valves 212.
- the MSR 10 is provided for the simultaneous control of the LPG reactors 5 and the expansion machine 202. Measured values from the propellant gas reactors 5 and the expansion machine 202 can be taken into account. A measured value can be the pressure in the propellant gas filling chamber 224.
- the direction of movement of the linear unit consisting of the piston 214 and the piston rod 230 is directed to the right as shown and leads to a force and torque transmission via the upper ring gear 232 and the direction of rotation is directed to the left.
- the direction of movement of the linear unit is directed to the left as shown and leads to a force and torque transmission via the lower ring gear 232 and the direction of rotation is also directed to the left.
- the torque on the wheel hubs 236 is directed to the left.
- the two ring gears 232 rotate in opposite directions and with an alternating direction.
- the LPG reactor 705 of the Figure 7 has a combustion chamber 706 with a burner 708.
- the combustion chamber 706 is supplied with fuel via injection nozzles 740 and combustion air via air inlets or air nozzles 737.
- the fuel is supplied via fuel lines 739 and the combustion air via air lines 735.
- compressed air supply lines 750 In the vicinity of the combustion chamber 706, further compressed air is supplied via compressed air supply lines 750. This additional compressed air is provided via compressed air lines 752. This additional compressed air can also be referred to as secondary fuel, which lowers the temperature of the propellant gas and increases its volume.
- Some of the compressed air supply lines 752 run directly outside of the combustion chamber 706 and thereby form a second wall for the combustion chamber 706. In this way, on the one hand, the combustion chamber 706 is thermally insulated from the outside, which on the other hand also leads to heating of the further compressed air supplied in this double wall. The compressed air is thus heated in the area of the compressed air supply 750 in order to promote the process in the propellant gas reactor 705.
- Water and / or steam is fed to the propellant gas reactor 705 via feed lines 748 under pressure via feed lines 749.
- Feeders 749 are in accordance with Figure 7 still arranged above the compressed air supply 750.
- the water should act essentially thermally in the propellant gas generated, but not act directly on the combustion process in the combustion chamber 706.
- Some of the feed lines 748 are guided outside the combustion chamber 706 but inside an insulation wall 745, so that a further double wall is created, which increases the insulation of the propellant gas reactor 705 to the outside and at the same time leads to heating of the water or water vapor in the feed lines 748.
- the water or water vapor is thus supplied to the propellant gas reactor 705 in a heated state.
- the supply of the water vapor leads to an increase in the volume of the propellant gas with a simultaneous decrease in temperature and the water or Water vapor can therefore also be referred to as another secondary fuel.
- the term water can also include water vapor.
- combustion chamber 706 there is thus combustion by supplying fuel via the injection nozzles 740 and combustion air via the air nozzles 737, which can be supported by the supply of further compressed air in the region of the compressed air supply 750.
- This generates a hot propellant gas with a higher pressure and lower temperature.
- a further increase in volume and decrease in temperature is achieved by supplying the water in the area of the water supply 749.
- the propellant gas thus generated can finally leave the propellant gas reactor 705 through the outlet 718 and be fed to a further connection, in particular an expansion machine.
- the LPG reactor 805 the Figure 8 has a propellant gas pressure vessel 804, the interior 803 of which directly adjoins a combustion chamber 806.
- fuel is fed into the combustion chamber 806 via a fuel injection nozzle 840 into the combustion chamber 806.
- Combustion air is also introduced into combustion chamber 806 via air nozzles 837. After ignition, the fuel burns with the combustion air to form a fuel gas in the combustion chamber 806 and from there it continues into the fuel gas pressure container 804.
- the combustion chamber 806 and the interior 803 are essentially surrounded by a heat-resistant wall 860.
- a first secondary fuel is supplied via a first secondary fuel channel 851.
- the secondary fuel channel 851 opens into first secondary fuel feeds 850, which are formed in the heat-resistant wall 860 and enable the first secondary fuel to be fed into the propellant pressure container interior 803.
- the combustion process is already complete or at least essentially complete.
- the mixing of the first secondary fuel with the fuel gas leads to an increase in volume of the propellant gas produced.
- the first secondary fuel absorbs heat from the fuel gas.
- the first secondary fuel channel 851 is limited on the outside by a heat-resistant central wall 862. Outside of this heat-resistant middle wall 862, a second secondary fuel channel 871 is arranged, which provides a second secondary fuel to the interior 803 of the propellant gas pressure vessel 804 and thus the propellant gas reactor 805. According to the LPG 805 of the Figure 8 It is intended to supply compressed air as the first secondary fuel and to supply water vapor as the second secondary fuel.
- the second secondary fuel channel 871 opens into second secondary fuel feeds 870, which can introduce the second secondary fuel into the interior 803.
- the second secondary fuel is supplied to the second secondary fuel channel 871 via a second secondary fuel line 872.
- the second secondary fuel is routed around a propellant gas outlet 818 in a plurality of turns 874 by means of the second secondary fuel line 872, so that, if necessary, the second secondary fuel can be preheated here by heat-emitting propellant.
- steam can be generated from pressurized water in the area of these turns 874.
- the second secondary fuel channel 871 is surrounded by an outer heat-resistant wall 864, which in turn is surrounded by a pressure-resistant housing 866, which thus essentially completely closes the combustion chamber 806 and the interior 803.
- insulation 868 is provided around the pressure resistant housing 866. It should be noted that the insulation is particularly intended to leave heat in the system in order to avoid energy losses. Protection against overheating is in principle achieved by using existing heat to increase the volume of the propellant gas.
- the expansion machine 902 of the Figure 9 comprises two expansion subassemblies 903.
- Each expansion subassembly 903 has a cylinder 904 and a piston 914 guided therein.
- a propellant gas expansion space 928 is provided in the cylinder 904 for filling with propellant gas so that it expands there and leads to a movement of the piston 914.
- a compression space 925 is provided in the cylinder 904, which is used for compressing air.
- the two pistons 914 are mechanically coupled to one another via a piston rod 930.
- the piston rod 930 has teeth on two sides, with which it is in engagement with two toothed rings 932.
- the sprockets 932 change their direction of rotation depending on the direction of movement of the piston rod 930.
- the two expansion part arrangements 903 as right and left expansion part arrangements, the terms right and left referring to the representation according to FIG Figure 9 Respectively.
- propellant gas is supplied to the propellant gas expansion space 928 on the left-hand side via a fill valve 912.
- the propellant gas then expands in the propellant gas expansion space 928 and thus causes the left piston 914 to move to the right.
- the propellant gas expansion space 928 increases, the compression space 925 shrinking and resulting in a compression of the air contained therein. Air was previously let into this left compression space 925 through the air fill valve 962 and is now compressed. After the desired compression, the compressed air can be discharged from the compression space 925 via the air outlet valve 958 and can be fed to a desired use, in particular a propellant gas generating device as secondary fuel or combustion air.
- the movement described also leads to a movement of the Piston rod 930 to the right, which leads to a left turn of the upper ring gear 932 and a right turn of the lower ring gear 932.
- the left rotation of the upper ring gear 932 is converted into a torque with left rotation on the upper wheel hub 936.
- the movement in the lower ring gear 932 does not result in any torque on the wheel hub 936. Rather, the lower ring gear 932 and the lower wheel hub 936 rotate in opposite directions.
- the expansion of propellant gas in the left propellant gas expansion space 928 also causes the right piston 914 to move to the right, so that the right propellant gas expansion space 928 is reduced.
- the outlet valve 908 is open, so that propellant gas thereby leaves the right propellant gas expansion space 928.
- This propellant gas is optimally at atmospheric pressure, but at the same time it is at an elevated temperature relative to the environment.
- the propellant gas flowing out of the outlet valve 908 is thus fed to a heat exchanger 970. Heat of the propellant gas can be given off to water in the heat exchanger 970, as a result of which the water is heated and used as a further, in particular second secondary fuel, and can be fed to a propellant gas generating device.
- the compression space 925 in the right cylinder 904 also increases and there air can flow into the compression space 925 through the air filling valve 962.
- the two pistons 914 coupled via the piston rod 930 form a movable linear unit and these two coupled pistons 914 are also referred to as free pistons.
- the right exhaust valve can be closed before this free piston has reached the end position, so that a residual amount of propellant gas remains in the right propellant gas expansion space 928 and forms a gas cushion.
- a central component of the invention is a propellant gas reactor, the task of which is to generate a maximum propellant gas volume flow under high pressure using the thermal energy contained in the fuel as optimally as possible in order to feed it to a downstream machine.
- the adaptation to different performance states of the overall machine is carried out by correspondingly changing the quantities of fuel, combustion air and SKT supplied.
- the maximization of the propellant gas volume flow should take into account the temperature tolerance of the materials used at the outlet of the reactor - and at the inlet of the machine - by using compressed air, as combustion air, and secondary fuels (SKT) in the form of compressed air, water or water vapor.
- compressed air as combustion air
- secondary fuels SHT
- the propellant gas reactor consists of a heat-insulated, pressure-resistant outer shell. In the central area, fuel and the combustion air required for combustion at elevated pressure are fed to a chamber in which the combustion process can take place completely.
- SKTs can be fed in through additional inlets in the form of additional compressed air, water or water vapor and fed to the combustion gas as for an embodiment in Fig. 8 is shown.
- the propellant gas generated in this way leaves the reactor through an opening in the upper region and is used to drive a machine, in particular an expansion machine.
- these SKTs are fed in such a way that their volume flows protect the outer reactor wall against overheating. It may be necessary to use a high-temperature resistant lining for the combustion chamber.
- FIG. 9 also illustrates that the propellant gas comes from a propellant gas generating device 900, referred to briefly as a reactor becomes.
- This propellant gas generating device 900 is supplied with fuel and combustion air, as well as a first secondary fuel SKT1, which can be provided as compressed air through the compression space 925, and a second secondary fuel SKT2, which can be prepared and provided in the heat exchanger 970 as heated water or water vapor.
- the heat engine 1000 of the Figures 10 to 12 comprises two propellant gas reactors 1005 that are coupled to an expansion machine 1102.
- a propellant gas is generated in the propellant gas reactors 1005, which can each be supplied to an expansion subassembly 1103 via an outlet 1018 and a subsequent propellant gas supply 1019.
- the propellant gas can in principle be supplied to a propellant gas expansion space 1128 via a fill valve 1112. After any expansion, the propellant can be released via an outlet valve 1108.
- An outlet line 1109 is connected downstream of the outlet valve 1108.
- the corresponding propellant gas expansion space 1128 increases and moves a piston 1114 via a piston end wall 1122.
- the two pistons 1114 are mechanically coupled via a piston rod 1130 and a movement of the pistons 1114 and thus that Piston rod 1130 leads to a conversion into a torque in the conversion mechanism 1144.
- the functioning of the conversion mechanism 1144 corresponds approximately to that in connection with the expansion machine according to FIG Figure 9 described.
- Movement of the pistons 1114 and the piston rod 1130 - which together form a linear unit - also changes the volume of the compression spaces 1125. Moves from the Figure 10 this linear unit as shown to the right, the left compression space 1125 shrinks and leads to a compression contained therein Air that can thus be provided as compressed air. This compressed air can accordingly be taken from an air outlet valve 1158. At the same time, the right compression space 1125 increases and air can flow into the compression space 1125 through the air filling valve 1162.
- the propellant gas reactors 1005 are operated with a fuel and combustion air.
- the fuel is supplied by means of a fuel or fuel pump 1038 and a fuel valve 1026 for controlling the fuel or fuel supply.
- the combustion air is provided as compressed air by the expansion machine 1102, the compressed air being provided in the area of the air outlet valves 1158 as described. This compressed air is also fed to the propellant gas reactor 1005 as the first secondary fuel outside the combustion chamber 1006 through the first secondary fuel supply 1050.
- steam is supplied as the second secondary fuel in the second secondary fuel feeds 1070.
- the second secondary fuel is first provided with pressure by a water pump 1042 and water quantity control valve 1030.
- preheating is first carried out by corresponding line windings 1076 in the region of the propellant gas outlet line 1109, through which the propellant gas flows out of the propellant gas expansion space 1128.
- a further heating of the water, in particular toward the water vapor then takes place in the case of further windings 1074 in the area of the propellant gas supply 1019, which connects to the outlet 1018 of the propellant gas reactor 1005.
- the water heated in this way, in particular heated to water vapor is then fed to the propellant gas reactor 1005 as a second secondary fuel through the second secondary fuel feeds 1070.
- FIGs 11 and 12 illustrate again - starting from the Figure 10 - A movement of the linear unit, which is formed from the two pistons 1114 and the piston rod 1130, to the right as shown. This is also intended to illustrate the pressure distributions.
- propellant gas is introduced into the propellant gas expansion space 1128 on the left been. From Figure 10 about Figure 11 to Figure 12 this propellant gas now leads to an increase in volume of the left propellant gas expansion space 1128 and thus a decrease in pressure of the propellant gas contained therein. At the same time, an increase in pressure of the air contained takes place in the left compression space 1125.
- propellant gas is expelled from the right propellant gas expansion space 1128, the pressure of the propellant gas remaining essentially the same there, namely approximately corresponding to atmospheric pressure.
- the pressure in the compression space 1125 in the right cylinder 1104 also remains essentially constant, namely at approximately atmospheric pressure, since air flows in through the air filling valve 1162. After reaching the position according to Figure 12 the process is reversed and the linear unit will move to the left again.
- a central measuring, regulating and control unit 1010 is shown.
- This measuring, regulating and control unit 1010 which is abbreviated to MRS 1010, is used to control both the propellant gas generating device, that is to say the fuel pump 1038, the fuel valve 1026 and the water pump 1042 and the water regulating valve 1030, and also to control the expansion machine , in particular the valves.
- the conversion mechanism 1144 has a controlled freewheel or clutch freewheel, which is also controlled by the central MRS 1010.
- the central MRS 1010 can also be used to run multiple heat engines according to the Figures 10 to 12 to couple.
- the MRS 1010 also takes over a synchronization control, so that the heat engines, in particular the expansion machines, are operated with the same frequency or with the same speed but shifted phase in relation to the resulting torque.
- This makes it possible to avoid mechanical synchronous coupling, which makes the operation of one and, in particular, a plurality of heat engines more flexible and, in particular, more variable.
- the 1300 heat engine Figure 13 comprises a propellant gas generating device 1301 with two propellant gas reactors 1305 and one Expansion machine 1302 with a conversion mechanism 1344.
- This heat engine 1300 essentially corresponds to the heat engine according to FIG Figures 6A and 6B , wherein a compressor 1350 is additionally provided and is coupled to the expansion machine 1302 via the conversion mechanism 1344.
- the compressor 1350 has two first compression spaces 1352 and two second compression spaces 1354. Every second compression space 1354 is formed in a compression body, namely compression pistons 1356, wherein the compression pistons 1356 are mechanically firmly coupled to one another via a rack section 1358 and basically form a movement body 1360. Each of the first compression spaces 1352 is formed in a cylinder jacket 1362 by the respective compression piston 1356 moving.
- each first compression space 1352 forms a first compression level and every second compression space forms a second compression level.
- the compression piston 1356 moves to the left, compressing air in the first compression space 1352 on the left side, which has previously flowed in through compressor inlet valves 1364. With this compression in the first compression space 1352 on the left side, air flows with increasing compression through connecting valves 1366 into the second compression space 1354.
- the first compression stage is carried out in the left part of the compressor 1350.
- the second compression stage according to the operating position in the Figure 13 carried out. Air that has already been compressed is located in the second compression space 1354 on this right-hand side and is further compressed by the movement of the compressor piston 1356 to the left, in that the second compression space 1354 is caused by the movement of the compressor piston 1356 is reduced.
- the air compressed in this second stage can pass through a compressor outlet valve 1368 into a compressor outlet region 1370 and can finally be used from there.
- the first compression space 1352 also increases in the right part and air can flow in through the compressor inlet valves 1364 in order to simultaneously prepare a first compression stage.
- the moving body 1360 which consists of the two compression pistons 1356 and the rack section 1358, is basically the only moving part, with the exception of the moving elements of the valves.
- the moving body 1360 thus moves relative to the cylinder jacket 1362 and the compressor outlet area 1370.
- the latter is coupled via the rack section 1358 to the upper ring gear 1332 of the conversion mechanism 1344, the ring gear 1332 through the piston rod 1330 of the expansion machine 1302 is moved.
- the movement of the moving body 1360 of the compressor 1350 is opposite to the movement of the piston rod 1330 of the expansion machine 1302.
- the compressed air generated by the compressor 1350 can be used in the propellant gas reactors 1305, for example, as combustion air or also as a secondary fuel.
- the conversion mechanics 1444 the Figure 14 has two ring gears 1432 which are rotatably mounted in a housing 1446. Between the two Sprockets 1432 is a first toothed piston rod 1430 of a first expansion machine and is in engagement with both sprockets 1432. A second piston rod 1429 of a second expansion machine is only engaged with a ring gear 1432.
- the piston rods 1429 and 1430 move in opposite directions and as shown in FIG Figure 14 the first piston rod 1430 is shown in a position moved to the left and accordingly the second piston rod 1429 is shown in a position moved to the right.
- the movement of the first piston rod 1430 is transmitted directly to the upper or lower ring gear 1432.
- the movement of the second piston rod 1429 is transmitted directly to the lower ring gear 1432 and, via the lower ring gear, the first piston rod 1430 indirectly to the upper ring gear 1432, the directional information referred to being shown in FIG Figure 14 Respectively.
- the rotational movement of the sprockets 1432 is transmitted to a torque depending on the direction through the upper or lower sprocket 1432.
- FIG 15 illustrates that the upper piston rod 1430 can exert a force F1 with changing direction and the second piston rod 1429 can also exert a force F2 with changing direction.
- the first piston rod 1430 - based on the representation of the Figure 15 - Force F1 directed to the right, this is transmitted to the upper ring gear 1432 in a torque M1 directed to the left, which is further transmitted to the wheel hub 1436.
- the second piston rod 1429 exerts a force F1 directed to the left, which is transmitted to the lower ring gear 1432, from there to the first piston rod 1430 and from there to the upper ring gear 1432, where this leads to a torque M2 directed to the left .
- the torques M1 and M2 add up.
- the force F1 of the first piston rod 1430 is directed to the left, it is transmitted to the lower ring gear 1432 as a torque M1 directed to the left and from there to the wheel hub 1436.
- the force F2 of the second piston rod 1429 is directed to the right and is directly on the lower one Gear ring 1432 transmitted and there leads to a torque M2 directed to the left.
- the torques M1 and M2 add up.
- the wheel hubs 1436 are coupled via a chain drive 1440 and corresponding torque can optionally be taken from the upper and / or lower wheel hub 1436. According to this embodiment, coupling of two expansion machines with only one conversion mechanism can be achieved in a simple manner. All that is required is a second guide for the second piston rod 1429.
- the propellant gas reactor 1605 works with one fuel and combustion air as well as three secondary fuels, namely compressed air as the first secondary fuel SKT1, water vapor as the second secondary fuel SKT2 and water as the third secondary fuel.
- a measuring, regulating and control unit 1610 abbreviated to MRS 1610, controls the supply of the five substances mentioned.
- a compressor 1636 generates compressed air and also has a compressed air tank for storing compressed air. The compressed air is supplied to the MRS 1610 and there, on the one hand, is provided as combustion air for combustion in the combustion chamber 1606 and, on the other hand, is supplied to the propellant gas reactor 1605 as the secondary fuel SKT1.
- the heating in the heat exchanger 1680 is carried out by propellant gas, which leaves the expansion machine 1602 shown. After the propellant gas has given up heat to the water in the heat exchanger 1680, the water leaves the heat exchanger 1680.
- the combustion chamber 1606 is arranged in the propellant gas reactor 1605 and surrounded by a heat-resistant wall 1660. Outside the heat-resistant wall 1660, the water flows, which is surrounded by a central wall 1662. The first part flows outside the middle wall 1662 SKT1 secondary fuel and partly the second SKT2 secondary fuel. Finally, the propellant gas reactor, in particular the guidance of the first and second secondary fuels, is enclosed by the outer wall 1664. The first and second secondary fuels SKT1 and SKT2 are guided by means of pipes 1669 through the central wall 1662, essentially across the channel 1661 and through the heat-resistant wall 1660 to the interior 1603 of the propellant gas reactor 1605.
- the water is first added to the propellant gas.
- a boundary wall 1617 is basically provided in the outlet 1618.
- the propellant gas is then fed to the expansion machine via corresponding lines.
- the third secondary fuel is preferably fed to the propellant gas reactor in a start-up phase.
- the second secondary fuel is preferably supplied after the start-up phase and the supply of the third secondary fuel is reduced.
- Figure 17 shows a cylinder head 1701 of an expansion machine.
- a jacket tube 1702 is arranged on the cylinder head 1701, in which a cylinder 1703 is in turn arranged.
- a piston 1704 is movably guided in the cylinder 1703.
- a so-called upsetting piston 1741 is arranged in the piston 1704 and is basically fixedly connected to the piston 1704.
- a chamber with lubricating oil or compression damping oil 1705 is arranged in alignment with the upsetting piston 1741.
- propellant gas flows through an inlet valve 1706 into the cylindrical space in which the piston 1704 moves and pushes the piston 1704 as shown in FIG Figure 17 to the left.
- the inlet valve 1706 is closed and an outlet valve 1707 is open.
- Propellant gas is then pushed out of the outlet at outlet valve 1707 by piston 1704.
- the outlet valve 1707 can be closed by the piston 1704 before reaching the end position, so that the remaining propellant gas enters Damping cushion is formed, which cushions the piston 1704 and at the same time can accelerate in the opposite direction.
- an emergency compression chamber 1711 is provided, into which the piston 1704 would then move. As soon as the piston has arrived at the beginning of the emergency compression chamber 1711 with an end face, this leads to the channel 1709 of the inlet valve 1706 and the channel of the outlet valve 1707 being forced to close. The piston is then cushioned in the emergency compression chamber 1711.
- the chamber with the lubricating oil or compression damping oil 1705 is provided. Should the damping by the emergency compression chamber 1711 not be sufficient, the upsetting piston 1741 can basically detach itself from the movement of the remaining piston 1704 and can get further into the chamber with the compression damping oil 1705 and be damped there.
- a temperature compensation chamber is provided between the casing tube 1702 and the cylinder 1703, in which there may be a thermal filling which is to achieve temperature compensation along, i.e. in the longitudinal direction of, the cylinder 1703, in particular compensation of high temperatures in the area of the cylinder head 1701 in the direction of the cylinder 1703 facing away from it.
- the piston 1801 in the Figure 18 is equipped with a compression piston 1802, which are firmly connected to one another via shear pins 1803.
- a compression piston 1802 Arranged in alignment with the upsetting piston 1802 is a upsetting chamber cylinder 1806, in which the upsetting piston 1802 is basically partially inserted. Sealing takes place by means of the sealing ring 1804.
- the upsetting piston 1802 thus moves together with the piston 1801.
- the piston 1801 is guided in a cylinder, not shown, by means of the guide rings 1805.
- lubricating oil is supplied to the compression space 1806 via a lubricating oil supply 1808.
- the lubricating oil reaches the outside of the piston 1801 via lubrication outlets 1809 and can lubricate it relative to a cylinder in which the piston 1801 is guided.
- the piston ring set 1807 is provided for this purpose.
- the shear pins 1803 can break and the force from the upsetting piston 1802 can be dampened by the lubricating oil in the upsetting space 1806, which can be further pushed out through the lubrication outlets 1809.
- a cylinder tube 1902 In a cylinder tube 1902, propellant gas is fed into an interior space 1901 or force can be exerted on a piston (not shown).
- An annular gap 1903 with a thermal oil filling is provided outside the cylinder tube 1902 in order to distribute or compensate for temperature along the cylinder tube 1902, particularly in the longitudinal direction.
- the annular gap 1903 is delimited by a casing tube 1904.
- An insulating material 1905 is arranged around the casing tube 1904, which in turn is accommodated in an outer tube 1906. Only from the outer tube 1906 to the outside does a temperature output from the system take place, with a temperature in the range of 30 ° C. being expected on the outer tube 1906.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treibgaserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Treibgases unter Druck zum Verrichten mechanischer Arbeit und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Treibgaserzeugungseinrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Wärmekraftmaschine zum Erzeugen einer mechanischen Bewegung unter Verwendung eines Brennstoffs umfassend eine Treibgaserzeugungseinrichtung und eine Expansionsmaschine.
- Wärmekraftmaschinen sind allgemein bekannt. Hierbei wird grundsätzlich durch Verbrennen eines Brennstoffs Hitze und ein Treibgas mit hohem Druck erzeugt. Dieses Treibgas mit hohem Druck wird in eine mechanische Bewegung gewandelt. Die mechanischen Wirkungsgrade, also das Verhältnis von mechanischer Energie, die in der mechanischen Bewegung enthalten ist, zu der Energie, die durch die Verbrenmung als Hitze und Drunck in dem Treibgas enhthalten ist verhältnismäßlg schiecht und dürfte ablicherweise unter 60 % oder darüber flegen.
- Dokument
WO 2005/012818 A1 betrift ein Heizverfahren, eine Heizvorichtung und ein Heizsystem. Das hierin baschrisbene Verfahren betrifft das Verbregnen eines Treibstoffes, Dadurch wird Wasser erhitzt, so daas Dampf erzeugt wird. Der Dampf und die durch die Verbrennung der Treibstoffas entstandenen Gase werden vermischt und zum Heizen verwendet. - Dokument
FR 2 474 648 - Ein Dampfkraftwark ist aus dem Dokument
GB 1 470 527 - Die zurzeit höchstan mechanischen könnten von großvolumilgen. langsam drehenden Zweitakktdieseimotaren erreicht werden und im Bereich von 49 % liegen. Aber auch diase Wirkungsgrade sind noch gering und dadurch begründet. dass ein Großteil sowohl der thermischen Energie als auch der in dem Druck gespeicherten Energie bedingt durch das Wirkprinzip der Maschine verpufft. Zwer werden heutzutage Optmierungen durchgeführt jedoch können diese an dem grundlegenden Wirkprinzip nichts ändem und jegliche Verbesserungen der Wirkungegrade sind in ihrem Ertolg begrenzt.
- Aufgabe der vortiegenden Erfindung ist es somit, die beschriebenen Probleme möglichst zu beheben, oder zumindest zu verringern. Insbesondere fiegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugnende, eine Wärmekraftmaschine vorzuschlagen, die prinzipbedingt einen besseren Wirkungsgrad ermöglicht. Zumindest soll eine alternative Maschine vorgesteilt werden.
- Erfindungsgemäß wird eine Treibgaserzeugungseinrichtung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
- Eine solche Treibgaserzeugungseinrichtung umfasst einen Treibgasdruckbehälter zum Erzeugen des Treibgases darin, sowie eine Brennkammer zum Verbrennen eines Brennstoffs zum Erzeugen eines Brenngases bei dem durch die Verbrennung Wärme entsteht. Das Brenngas kann dann von der Brennkammer in den Treibgasdruckbehälter gelangen, in dem zusätzlich Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser zugegeben wird, um Wärme das Brenngas aufzunehmen. Als Sekundärtreibstoff kann flüssiges Wasser, Wasserdampf, Druckluft oder ein anderes geeignetes Gas verwendet werden. Durch das Zuführen des Sekundärtreibstoffs nimmt dieser Wärme auf, was insgesamt zu einer Absenkung der Temperatur des entstandenen Treibgases führt. Somit entsteht ein Kühleffekt durch eine Wärmeübertragung vom Brenngas in den Sekundärtreibstoff unter Vermeidung von Energieabfuhr. Daher kann der Sekundärtreibstoff auch als Kühlmittel bezeichnet werden, und der beschriebene Prozess kann als kühlen bezeichnet werden, wobei eine Kühlung im Sinne einer Wärmeabführung aus dem System nicht stattfindet, sondern eine Kühlung durch Mischung. Das Brenngas zusammen mit dem zugeführten Sekundärtreibstoff bildet dann das Treibgas. Dieses Treibgas kann dann insbesondere unter Beibehaltung eines Drucks, zumindest eines Teils seines Druckes, von der Treibgaserzeugungseinrichtung zur weiteren Verwendung, nämlich Umwandlung in mechanische Bewegung, weitergeleitet werden. Die Treibgaserzeugungseinrichtung, insbesondere der Treibgasdruckbehälter weist hierzu wenigstens einen Treibgasauslass auf.
- Gemäß dieser Anordnung wird somit der Sekundärtreibstoff unmittelbar dem Brenngas zugeführt und damit vermischt. Der Sekundärtreibstoff bildet dann einen Bestandteil des Treibgases. Bei der Kühlung geht thermische Energie von dem Brenngas auf den Sekundärtreibstoff über, wobei diese auf den Sekundärtreibstoff übergegangene thermische Energie in dem Treibgas erhalten bleibt, weil der Sekundärtreibstoff Bestandteil des Treibgases bleibt.
- Zusätzlich weist die Treibgaserzeugungseinrichtung eine zweite Sekundärtreibstoffzufuhr zum Zuführen eines weiteren Sekundärtreibstoffs auf. Somit kann als ein erster Sekundärtreibstoff bspw. Druckluft vorgesehen sein und als ein zweiter Sekundärtreibstoff Wasser oder Wasserdampf. Die Sekundärtreibstoffe sind zum Zuführen in den Treibgasdruckbehälter vorgesehen. Und es ist zu betonen, dass Sekun. därtreibstoffe zu unterscheiden sind von einer Verbrennungsluft, die In die Brennkammer zum Verbrennen mit dem Brennstoff eingeleitet wird. Die Sekundärtreibstoffe sollen nicht an der Verbrennung teilnehmen, sondern danach eingeleitet werden und eine Volumenvergrößerung des Treibgases erreichen. Grundsätzlich kann gemäß einer weiteren Ausführungsform auch das Einleiten noch weiterer Sekundärtreibstoffe vorgesehen sein.
- Vorzugsweise ist die Brennkammer in dem Treibgasdruckbehälter angeordnet, oder sie bildet einen Teil des Treibgasdruckbehälters. Demnach kann in einem Fall die Brennkammer als im Wesentlichen geschlossener Raum mit entsprechenden Brennkammerwänden ausgebildet sein, der in dem Treibgasdruckbehälter angeordnet ist. Die Kammeraußenwände sind dann in Kontakt mit einem Innenraum im Treibgasdruckbehälter. Die Brennkammer weist dann eine Öffnung zum Treibgasdruckbehälterinnenraum auf, so dass Brenngas von der Brennkammer in den Treibgasdruckbehälter strömen kann. Die Hitze der Brennkammer kann außerdem über die Kammerwände in den Treibgasdruckbehälter abgestrahlt werden.
- Gemäß einer anderen Variante bildet die Brennkammer einen Teil des Treibgasdruckbehälters. Mit anderen Worten geht ein Innenraum der Brennkammer im Grunde fließend in den Innenraum des Treibgasdruckbehälters über. Insbesondere kann beispielsweise an einem Ende eines Raumes der Brenner angeordnet sein und in einer bestimmten Entfernung von dem Brenner kann die Sekundärtreibstoffzufuhr angeordnet sein. In noch weiterer Entfernung von dem Brenner ist dann eine Auslassöffnung zum Weiterleiten des Treibgases angeordnet. Somit geht in diesem Fall die Brennkammer im Grunde fließend in den Treibgasdruckbehälter bzw. seinen Innenraum über.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Brennkammer mit Brenner eine Brennstoffzufuhr zum Zuführen des Brennstoffs und eine Luftzufuhr zum Zuführen von Luft aufweist. Unter Luft ist in diesem Zusammenhang insbesondere allgemein ein Stoff zu verstehen, der zusammen mit dem Brennstoff nach einer Zündung zur Verbrennung führt bzw. diese begünstigt. Luft ist eine einfach zur Verfügung zu stellende Variante. Natürlich könnte ebenso reiner Sauerstoff oder ein anderes geeignetes Gas verwendet werden, das insbesondere Sauerstoff aufweist. Als Brennstoff wird vorzugsweise ein flüssig und/oder gasförmig vorliegender Brennstoff verwendet, wie Gas, wie beispielsweise Biogas, Erdgas, Öl und andere Ölprodukte wie Diesel, Benzin oder Kerosin, um nur einige Beispiele zu nennen. Weitere Beispiele für Brennstoffe sind brennbare Suspensionen, Emulsionen und Kohlestaub.
- Der Brenner ist gemäß dieser Ausführungsform dazu vorbereitet, die Luft und den Brennstoff zu vermischen, insbesondere zu verwirbeln und ein Starten einer Verbrennung in der Brennkammer zu realisieren. Die Treibgaserzeugungseinrichtung verwendet hierbei vorzugsweise komprimierte Luft, die somit unter Druck mit dem Brenner und damit der Brennkammer zugeführt wird. Hierzu wird ein Kompressor oder Luftkompressor verwendet, der solche Druckluft erzeugt und bereitstellt. Der Luftkompressor kann Teil der Treibgaserzeugungseinrichtung sein oder die Druckluft kann extern von einer Druckluftversorgung bereitgestellt werden. Optional ist ein Luftmengenregelventil zum Steuern des Drucks und/oder zum Steuern der Menge der bereitgestellten Druckluft vorgesehen. Hierdurch kann der Brennprozess durch entsprechende gesteuerte Zugabe der Druckluft geregelt werden.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Brennstoffpumpe und/oder ein Brennstoffkompressor vorgesehen, um Brennstoff der Brennkammer und/oder dem Brenner insbesondere unter Druck zuzuführen. Vorzugsweise ist ein Brennstoffmengenregelventil vorgesehen zum Steuern der zuzuführenden Brennstoffmenge. Hierdurch kann entsprechend insbesondere zusammen mit der Steuerung der Zufuhr der Luft die Verbrennung in der Brennkammer gesteuert werden. Vorzugsweise ist die Brennstoffpumpe und/oder der Brennstoffkompressor mit einem Brennstoffdruckspeicher verbunden, um einen Druckvorrat für den Brennstoff zu erzeugen.
- Vorzugsweise ist eine Sekundärtreibstoffpumpe, insbesondere eine Wasserpumpe vorgesehen, um den Sekundärtreibstoff bzw. Wasser an der Sekundärtreibstoffzufuhr unter Druck bereitzustellen, um dieses unter Druck in den Treibgasdruckbehälter einzuleiten. Weiterhin kann hierfür optional ein Wassermengenregelventil vorgesehen sein zum Steuern der zuzuführenden Sekundärtreibstoff- bzw. Wassermenge. Auch hierdurch wird die Erzeugung des Treibgases besser regelbar, indem die zuzuführenden Sekundärtreibstoff- insbesondere Wassermenge, geregelt wird, um dadurch den Prozess der Treibgaserzeugung und/oder die Zusammensetzung des Treibgases zu steuern.
- Im Übrigen ist zu beachten, dass der Brenner und damit auch der Treibgasdruckbehälter unter Atmosphärenüberdruck arbeitet. Entsprechend müssen die zuzuführenden Medien mit zumindest diesem Druck zugeführt werden.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Steuereinheit vorgesehen zum Steuern der Treibgaserzeugungseinrichtung, insbesondere zum Steuern der Brennstoffzufuhr, der Luftzufuhr und/oder der Sekundärtreibstoffzufuhr. Eine solche Steuereinheit, die auch als Mess-, Steuer- und Regeleinheit bezeichnet werden kann, wertet relevante Eingaben wie Bedienereingaben und Istwerte aus und führt entsprechende Steuerungen durch, indem vorzugsweise entsprechende Steuerbefehle an Stelleinheiten gegeben werden. Bevorzugte Eingangswerte sind eine Bedienereingabe, insbesondere Leistungsvorgabe sowie diverse Messwerte wie Temperaturwerte beispielsweise in der Brennkammer und/oder in dem Druckgasbehälter, Druckwerte und bei einer angeschlossenen Expansionsmaschine, die die Energie in dem Treibgas in eine Drehbewegung umsetzt, eine Drehzahlmessung. Den Ausgang bilden entsprechend Steuerbefehle bzw. Steuersignale für ein oder mehrere Luftmengenregelventile, ein oder mehrere Brennstoffmengenregelventile und ein oder mehrere Regelventile für Sekundärtreibstoffe, insbesondere Wassermengenregelventile. Bei einer angeschlossenen Expansionsmaschine können auch dessen Stellglieder mit Ansteuerungsbefehlen bzw. Ansteuerungssignalen versorgt werden. Hierzu kann ein Füllventil zum Zuführen des Treibgases in die Expansionsmaschine als auch ein Auslassventil zum Auslassen von Treibgas aus der Expansionsmaschine zählen.
- Aufgabe dieser Steuereinheit, insbesondere Zahlen-, Mess-, Steuer- und Regeleinheit ist es, auf Basis eines Grundprogramms und in Abhängigkeit der variablen Eingänge eine bestmögliche Treibgaserzeugung zu berechnen und diese entsprechend zu steuern. Hierbei kommt es insbesondere auf die Volumen-, Druck-, Temperatur- und Umweltwerte an.
- Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist eine Sekundärtreibstoffleitung vorgesehen zum Leiten des Sekundärtreibstoffs zur Sekundärtreibstoffzuführung, die entlang wenigstens einer Wand des Treibgasdruckbehälters verläuft, um eine Vorwärmung des Sekundärtreibstoffs durch Wärme des Treibgasdruckbehälters zu erreichen. Die Zuführung von Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser, hat vorzugsweise den Zweck, dass ein Kühlen des Brenngases zu einer Erwärmung des Sekundärtreibstoffs und insbesondere zu einer Volumenausdehnung des Sekundärtreibstoffs führt. Hierdurch wird insgesamt eine starke Volumenausdehnung des Treibgases angestrebt. Es kommt nicht unbedingt darauf an, dass der Sekundärtreibstoff möglichst kalt dem Treibgasdruckbehälter zugeführt wird. Als günstig hat sich vielmehr erwiesen, die Behälterwände so zu kühlen, dass diese möglichst keinen thermischen Schaden nehmen. Dies kann durch das Führen des Sekundärtreibstoffs durch Sekundärtreibstoffleitungen entlang wenigstens einer Wand des Treibgasdruckbehälters erfolgen. Die Wand des Treibgasdruckbehälters wird hierdurch gekühlt und der Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser, erwärmt. Dieser erwärmte Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser, kann dann in der erwärmten Form also in Fließrichtung des Wassers nach den beschriebenen Sekundärtreibstoffleitungen in den Treibgasdruckbehälter eingeführt werden. Die Temperatur kann hierbei vorzugsweise bereits so hoch liegen, dass das Wasser bereits dampfförmig ist, also als Wasserdampf zugeführt wird. Dieses Wasser kann dann thermische Energie von dem Brenngas annehmen und zu einer Volumen- und/oder Druckerhöhung des Treibgases beitragen.
- Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Treibgasdruckbehälter zumindest abschnittsweise wenigstens doppelwandig ausgeführt ist und zwischen zwei Wänden der Sekundärtreibstoff und/oder die Luft zum Zuführen zum Druckgasbehälter bzw. der Brennkammer geführt wird. Hierbei ist zu beachten, dass in dem Treibgasdruckbehälter, insbesondere wenn die Brennkammer einen Teil davon bildet, an unterschiedlichen Stellen mit unterschiedlichen Temperaturen zu rechnen ist. Die höchste Temperatur ist funktionsbedingt im Bereich des Brenners und damit der Brennkammer zu erwarten und sie wird zum Treibgasauslass hin abnehmen. Somit kann im Bereich der Brennkammer beispielsweise eine Dreiwandigkeit vorgesehen sein. Im Bereich etwa mittig zwischen Brenner und Treibgasauslass kann eine Doppelwandigkeit und zum Treibgasauslass hin schließlich eine Einwandigkeit vorgesehen sein, um nur ein Beispiel zu nennen. Die Dreiwandigkeit kann genutzt werden, um in einem Bereich zwischen zwei Wänden Luft zum Zuführen zum Treibgasdruckbehälter bzw. zur Brennkammer zu führen. Im Bereich der Dreiwandigkeit kann in einem anderen Zwischenbereich und zum zweiwandigen Bereich des Druckgasbehälters hin der Sekundärtreibstoff insbesondere Wasser geführt werden. Nach der Stelle zum Zuführen des Sekundärtreibstoffs kann dann zum Treibgasauslass hin eine Einwandigkeit vorgesehen sein.
- Eine weitere Ausführungsform schlägt einen Wärmetauscher vor zum Erwärmen wenigstens eines Sekundärtreibstoffs aus Wärme des Treibgases und/oder aus Wärme eines weiteren Mediums. Hierdurch wird eine Erwärmung des ersten, zweiten und/oder weiteren Sekundärtreibstoffs erreicht, so dass ein Einleiten des betreffenden Sekundärtreibstoffs in den Treibgasdruckbehälter in vorgewärmten Zustand auf einfache Weise erfolgen kann. Zum Erwärmen kann Wärme des Treibgases verwendet werden, indem Treibgas dem Wärmetauscher zugeführt wird. Das Treibgas kann hierzu bspw. nach dem Verlassen einer der Treibgaserzeugungseinrichtung nachgeschalteten Expansionsmaschine verwendet werden. Es kann auch Treibgas verwendet werden, das die Treibgaserzeugungseinrichtung unmittelbar verlassen hat, oder eine Kombination. Weiterhin kommen zur Verwendung in dem Wärmetauscher andere wärmeführende Medien in Betracht, wie bspw. geothermisch gewonnenes Gas.
- Zum Betreiben einer Treibgaserzeugungseinrichtung wird erfindungsgemäß ein Verfahren gemäß Anspruch 8 vorgeschlagen. Dieses Verfahren wird somit verwendet, um ein Treibgas unter Druck zu erzeugen, das zum Verrichten mechanischer Arbeit verwendet werden kann. Hierzu wird eine Treibgaserzeugungseinrichtung verwendet, die einen Treibgasdruckbehälter, eine Brennkammer und eine Sekundärtreibstoffzufuhr aufweist. Folgende Schritte werden vorgeschlagen, die im Wesentlichen gleichzeitig, insbesondere kontinuierlich und somit parallel durchgeführt werden. Demnach wird ein Brennstoff in der Brennkammer verbrannt, um ein Brenngas zu erzeugen. Dieses Brenngas weist eine große Hitze auf, sowie einen gewissen Überdruck, der auch durch den Aufbau einer geschlossenen Brennkammer bedingt ist. Dabei ist unter geschlossener Brennkammer auch eine offene, aber in einem im Wesentlichen geschlossenen Treibgasdruckbehälter angeordnete Brennkammer zu verstehen. Das Brenngas wird in den Treibgasdruckbehälter geleitet. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Abfuhr eines erzeugten Treibgases und das fortgesetzte Betreiben des Brenners, so dass Brenngas nachkommt. In den Treibgasdruckbehälter und somit in das Brenngas hinein wird Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser, eingeleitet. Dies führt zum Kühlen des Brenngases und dabei zu einer Erwärmung des Sekundärtreibstoffs, insbesondere des Wassers, und einer dadurch bedingten Ausdehnung des Sekundärtreibstoffs oder Wassers. Als Resultat entsteht das Treibgas in dem Treibgasdruckbehälter, das einen entsprechend hohen Druck aufweist und zu einer entsprechenden Volumenvergrößerung des Treibgases führen kann. Gemäß einer Möglichkeit wird der Sekundärtreibstoff zerstäubt und/oder als Wasserdampf eingeleitet. Soweit möglich erfolgt das Einleiten so, dass eine möglichst günstige Vermischung von Brenngas und Sekundärtreibstoff zu dem Treibgas erfolgt. Der Sekundärtreibstoff wird im Übrigen unter Druck zugeführt.
- Vorzugsweise wird bei diesem Verfahren eine erfindungsgemäße Treibgaserzeugungseinrichtung verwendet, wie sie obenstehend bereits erläutert wurde.
- Günstig ist es somit, wie teilweise bereits erläutert wurde, wenn das Verbrennen des Brennstoffs zu dem Brenngas unter Zuführung von Luft erfolgt, als Sekundärtreibstoff Wasser in flüssiger Form so zugeführt wird, dass es beim Kühlen des Brenngases verdampft und so zu einer Volumenvergrößerung führt oder bereits als Wasserdampf zugeführt wird und/oder das Treibgas Brenngas und Wasser-dampf aufweist, insbesondere ein Gemisch aus Brenngas und Wasserdampf ist. Das Verbrennen des Brennstoffs wird durch das Zuführen von Luft, die hier auch exemplarisch für andere Zusätze wie Sauerstoff steht, begünstigt und insbesondere besser steuerbar.
- Vorzugsweise wird das Treibgas so erzeugt, dass die Verbrennung unter Überdruck stattfindet. Dies ist ein Charakteristikum des Brenners und macht entsprechende Vorkehrungen erforderlich wie insbesondere den Brennstoff und soweit erforderlich die Luft unter Druck zuzuführen. Entsprechend ist auch - wie oben bereits erläutert wurde - der Sekundärtreibstoff dem Druckgasbehälter unter Druck zuzuführen.
- Gemäß weiterer Ausführungsformen wird vorgeschlagen, dass der Brennkammer Druckluft zugeführt wird, die durch einen Druckluftkompressor bereitgestellt wird, wobei vorzugsweise ein Druckluftregelventil verwendet wird und der Druck und/oder die Menge der Druckluft gesteuert wird. Günstig ist es auch, der Brennkammer und/oder dem Brenner Brennstoff mittels einer Brennstoffpumpe und/oder einem Brennstoffkompressor zuzuführen, wobei vorzugsweise ein Brennstoffmengenregelventil verwendet wird und wobei die zuzuführende Brennstoffmenge gesteuert wird. Bei Verwendung eines gasförmigen Treibstoffs wird für die Steuerung des Brennstoffmengenventils eine Überwachung des Drucks, der Temperatur und/oder des Volumen- und/oder Massestroms des zugeführten Brennstoffs vorgeschlagen. Zudem wird bevorzugt als Sekundärtreibstoff dem Treibgasdruckbehälter Wasser mittels einer Wasserpumpe zugeführt und optional ein Wasserregelventil verwendet, das Wasser unter Druck zugeführt und die zugeführte Wassermenge gesteuert. Ebenso kann gegebenenfalls die Steuerung des Drucks und/oder der Wassermenge unmittelbar über die Wasserpumpe durchgeführt werden. Die Zuführung eines gasförmigen Sekundärtreibstoffs kann ähnlich wie die Zuführung eines gasförmigen Brennstoffs oder der Druckluft vorgenommen werden.
- Vorzugsweise wird man das Verfahren als einen fließfähigen Brennstoff, also einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, einsetzen, wie insbesondere Gas, Öl, Benzin und Diesel, um nur einige Beispiele zu nennen.
- Wie auch schon im Zusammenhang mit der Treibgaserzeugungseinrichtung erläutert wurde, kann gemäß einer Ausführungsform vorgeheiztes Wasser als Sekundärtreibstoff verwendet werden und/oder Wasser in den Treibgasdruckbehälter unter Druck eingenebelt werden. Hierdurch ist es möglich, das Wasser zuvor zum Kühlen des Treibgasdruckbehälters oder auch anderer Bestandteile der Treibgaserzeugungseinrichtung oder auch anderer Bestandteile einer Wärmekraftmaschine zu verwenden. Die zum Vorwärmen entzogene Wärme bleibt in dem System durch das Zuführen des so vorgeheizten Wassers zu dem Brennstoff erhalten.
- Vorzugsweise wird das Verfahren so ausgeführt, dass die Wasser- bzw. Sekundärtreib-stoffzufuhr, die Brennstoffzufuhr und/oder die Druckluftzufuhr abhängig von Messungen von Zuständen in der Treibgaserzeugungseinrichtung erfolgt, insbesondere abhängig von Messungen der Temperatur, des Volumens, des Drucks und/oder der Zusammensetzung des Treibgases und/oder abhängig von der Temperatur im Brenner erfolgt. Vorzugsweise wird dabei eine Steuerung der Mengenverhältnisse und/oder des Drucks der Druckluft, des Brennstoffs und des Wassers durchgeführt.
- Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Verfahren so gesteuert wird, dass das Treibgas den Treibgasdruckbehälter etwa mit einem Druck von 10 bis 50 bar und einer Temperatur im Bereich von 750 °C bis 1200 °C verlässt. Dabei ist die Temperatur um so höher, je höher der Druck ist und umgekehrt.
- Vorzugsweise wird zudem eine Expansionsmaschine zum Wandeln einen Expansion von Treibgas unter Druck in eine mechanische Bewegung vorgeschlagen. Eine solche Expansionsmaschine weist einen Füllraum und einen Treibgasexpansionsraum auf. Dabei ist in dem Füllraum der Bewegungskörper so angeordnet und geführt, dass ein Druck des Treibgases, mit dem der Füllraum befüllt wurde, an die erste Druckfläche angreift und den Bewegungskörper damit in eine erste Richtung schiebt und damit bewegt. Diese Bewegung kann resultieren aus einer Expansion des befüllten Treibgases bzw. in Kombination kann es zusammen mit dem Befüllen erfolgen. Mit anderen Worten kann durch das Befüllen mit Treibgas der Bewegungskörper unmittelbar in die erste Richtung bewegt werden. Der Bewegungskörper ist ebenfalls in den Treibgasexpansionsraum geführt, wobei die zweite Druckfläche im Grunde der ersten Druckfläche entgegengerichtet ist und eine Expansion eines dem Treibgasexpansionsraum zugeführten Treibgases zu einer Bewegung des Bewegungskörpers in die zweite der ersten Richtung entgegen gesetzte Richtung bewegt wird. Die Expansionsmaschine ist im Wesentlichen dazu vorbereitet, dass eine Bewegung des Bewegungskörpers in die zweite Richtung aufgrund einer Expansion des Treibgases in dem Treibgasexpansionsraum erfolgt. Die Wirkung des Treibgases in dem Füllraum und dem Treibgasexpansionsraum sind somit entgegengerichtet. Insbesondere ist die Expansionsmaschine entsprechend so zu steuern, dass eine Befüllung des Füllraums und eine Expansion des Treibgases in dem Expansionsraum nacheinander, insbesondere abwechselnd erfolgt.
- Vorzugsweise ist die erste Druckfläche kleiner als die zweite Druckfläche. In dem Füllraum wird somit ein höherer Druck benötigt, um dieselbe Kraft auf den Bewegungskörper auszuüben wie in dem Treibgasexpansionsraum durch einen entsprechend geringeren Treibgasdruck ausgeübt werden kann. Dabei sind jeweils die Kräfte in Richtung der ersten bzw. zweiten Bewegungsrichtung gemeint.
- Eine Ausführungsform schlägt vor, dass der Füllraum als Zylinderraum oder Ringspalt ausgebildet ist und entsprechend die erste Druckfläche als Kreis- bzw. Ringfläche ausgebildet ist, der Bewegungskörper als Kolben ausgeführt ist und/oder der Treibgasexpansionsraum als Ringspalt oder Zylinderraum ausgebildet ist und die zweite Druckfläche als Ring- bzw. Kreisfläche ausgebildet ist. Die Verwendung eines Kolbens als Bewegungskörper ist konstruktiv einfach zu gestalten. Die erste Expansionsteilanordnung kann dadurch insgesamt einfach und im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt sein. Beispielsweise ist der Füllraum ein Ringspalt und die erste Druckfläche entsprechend eine Ringfläche und der Treibgasexpansionsraum ein Zylinderraum mit der zweiten Druckfläche als Kreisfläche. Auf diese Art und Weise ist auch leicht zu realisieren, dass die erste Druckfläche kleiner als die zweite Druckfläche ist. Ebenso kann die Aufteilung umgekehrt sein, eine größere Ringfläche als die Kreisfläche ist bei entsprechender Größenaufteilung zu erreichen.
- Gemäß einer Ausführungsform überlappen sich der Füllraum und der Treibgasexpansionsraum, wobei beide vorzugsweise in einer gemeinsamen Bohrung ausgebildet sind. Demnach kann eine gemeinsame Bohrung als ein gemeinsamer Zylinderraum vorgesehen sein, in dem sich der Bewegungskörper insbesondere als Kolben bewegen kann und der Füllraum ist dann auf einer Seite des Kolbens ausgebildet und der Treibgasexpansionsraum an der anderen Seite. Teile der Bohrung gehören dann je nach Kolbenstellung zum Füllraum oder zum Treibgasexpansionsraum.
- Vorzugsweise umfasst die Expansionsmaschine wenigstens ein mit dem ersten Füllraum funktional verbundenes Füllventil zum Einlassen von Treibgas in den ersten Füllraum, wenigstens ein mit dem Treibgasexpansionsraum funktional verbundenes Auslassventil zum Auslassen von Treibgasen aus dem Treibgasexpansionsraum und/oder wenigstens ein mit dem Füllraum und dem Treibgasexpansionsraum funktional verbundenes Überstromventil zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Füllraum und dem Treibgasexpansionsraum, um Treibgas zu ermöglichen, vom Füllraum zum Treibgasexpansionsraum zu strömen. Der Füllraum und der Treibgasexpansionsraum sind somit funktional über das wenigstens eine Überstromventil verbunden. Insgesamt ist diese Expansionsteilanordnung somit dazu vorbereitet, dass ein Treibgas über das Füllventil in den Füllraum strömt, dort zu einer Bewegung des Bewegungskörpers in die erste Richtung führt, anschließend über das Überstromventil in den Treibgasexpansionsraum strömt, dort expandiert und zu einer Bewegung des Bewegungskolbens in die zweite Richtung führt und anschließend - vorzugsweise nach vollständiger Expansion und Druckabnahme auf Atmosphärendruck - den Treibgasexpansionsraum verlässt.
- Vorzugsweise wird eine Expansionsmaschine zum Wandeln einer Expansion von Treibgas unter Druck in eine mechanische Bewegung vorgeschlagen. Diese Expansionsmaschine weist eine Expansionsteilanordnung mit einer Doppelfunktion auf, die insbesondere auf ein Zusammenwirken mit einer Treibgaserzeugungseinrichtung abgestimmt ist. Demnach ist ein Treibgasexpansionsraum vorgesehen, der mit Treibgas zu befüllen ist und in dem das Treibgas dann expandiert um den Bewegungskörper in eine erste Richtung zu drücken und entsprechend eine translatorische Bewegung des Bewegungskörpers in diese erste Richtung hervorzurufen. Dieser Bewegungskörper ist außerdem in einen Kompressionsraum geführt und weist eine Kompressionsfläche auf, um ein Prozessgas, insbesondere Luft, das in der Treibgaserzeugungseinrichtung Verwendung finden kann, zu komprimieren. Eine Komprimierung erfolgt dabei durch eine translatorische Bewegung des Bewegungskörpers in die erste Richtung, so dass eine durch die Expansion des Treibgases hervorgerufene Bewegung des Bewegungskörpers zu einer Kompression des Prozessgases in den Kompressionsraum führt.
- Vorzugsweise ist die Druckfläche größer als die Kompressionsfläche. Hierdurch kann einerseits erreicht werden, dass derselbe Expansionsdruck an der Druckfläche zu einer Kompression mit höherem Kompressionsdruck auf der Seite der Kompressionsfläche führen kann. Andererseits wird erreicht, dass die Expansion des Treibgases eine Bewegung des Bewegungskörpers in die erste Richtung mit hoher Energie bzw. Kraft erreichen kann und die damit durchgeführte Kompression des Prozessgases von dieser Energie bzw. Kraft nur wenig verbraucht.
- Dabei ist vorzugsweise ein gemeinsamer Zylinderraum oder eine gemeinsame Bohrung vorgesehen, in dem der Treibgasexpansionsraum und der Kompressionsraum ausgebildet sind. Im Grunde bewegt sich im Betrieb der Bewegungskörper dann - insbesondere als Kolben - zwischen dem Treibgasexpansionsraum und dem Kompressionsraum hin und her.
- Günstig ist es, um wenigstens eine der Expansionsteilanordnungen ein Mantelrohr vorzusehen, um darin ein Medium zum Temperaturausgleich zu führen. Hierdurch kann ein Temperaturausgleich zwischen unterschiedlich warmen Bereichen der Expansionsteilanordnung erreicht werden. Als Medium kommen Thermoöle, Wasser, Gase und andere Medien in Betracht. Ein Temperaturausgleich kann auch im Bereich von Zylinderköpfen vorgesehen sein und das verwendete Medium zum Erwärmen an anderer Stelle verwendet werden.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei Expansionsteilanordnungen, also eine erste und eine zweite miteinander gekoppelt. Diese Kopplung kann sowohl mit einer Expansionsteilanordnung mit Füllraum und Treibgasexpansionsraum als auch mit einer Expansionsteilanordnung mit Kompressionsraum und Treibgasexpansionsraum vorgenommen werden. Die beiden Expansionsteilanordnungen sind somit im Grunde im Gegentakt gekoppelt, so dass eine Expansion von Treibgas im Treibgasexpansionsraum der ersten Expansionsteilanordnung zu einer Entleerung des expandieren Treibgases aus dem Treibgasexpansionsraum der zweiten Expansionsteilanordnung führt. Die Funktion der Füllräume bzw. der Kompressionsräume bleibt entsprechend so erhalten, wie sie bereits im Zusammenhang mit jeweils einer einzelnen Expansionsteilanordnung erläutert wurde.
- Bei Verwendung von zwei Expansionsteilanordnungen mit Kompressionsraum wird somit ein abwechselndes Expandieren von Treibgas in dem jeweiligen Treibgasexpansionsraum durchgeführt, das zu einer translatorischen Bewegung führt, die in eine rotatorische umgewandelt wird, wobei gleichzeitig ebenso wechselseitig Prozessgas komprimiert und als komprimiertes Prozessgas, insbesondere als Druckluft bereitsteht und der Treibgaserzeugungseinrichtung zugeführt werden kann.
- Vorzugsweise ist eine Schwungmasse vorgesehen, zum Speichern und Abgeben einer Bewegungsenergie von bzw. zu dem Bewegungskörper. Eine solche Schwungmasse kann Bewegungsenergie insbesondere dann aufnehmen, wenn der jeweilige Treibgasexpansionsraum, der in dem Treibgas gerade expandiert, noch klein und der Druck des Treibgases noch hoch ist. Eine zunehmende Expansion des Treibgases und damit eine Vergrößerung des Treibgasexpansionsraumes führt auch zu einer Druckabnahme des Treibgases und entsprechend einer Kraftabnahme des Bewegungskörpers. Zum Ende der Bewegung hin kann diese Bewegung durch den Schwungkörper aufrechterhalten werden, auch wenn eine nachfolgende Einrichtung mechanische Energie entnimmt. Hierdurch ist es zumindest theoretisch möglich, dass sich der Druck des Treibgases zum Ende der Bewegung hin auf Atmosphärendruck absenkt. Hierdurch wäre vermieden, Treibgas mit Überdruck am Ende der Bewegung entweichen zu lassen und damit Energie zu verschenken. Es ist zu bemerken, dass obwohl zum Ende der Bewegung hin die Schwungmasse einen Teil der Bewegung übernimmt, die - wenngleich schwache - Expansionskraft bzw. Druckkraft des Treibgases dennoch einen Beitrag zur Bewegung leistet.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Wandlungsmechanik vorgeschlagen, die wenigstens eine mit dem Bewegungskörper verbundene Zahnstange aufweist und wenigstens ein mit der Zahnstange gekoppeltes Zahnradmittel, zum Wandeln einer translatorischen Bewegung der Zahnstange in eine rotatorische Bewegung am Zahnradmittel. Diese Vorrichtung hat gegenüber einer Konstruktion aus Rad- und Kurbelstange den Vorteil, dass von der Zahnstange im Grunde immer die gleiche Kraft in dasselbe Drehmoment umgesetzt wird, weil durch die Verwendung der Zahnstange an dem Zahnradmittel dauerhaft eine Kraftaufwendung in einem 90-Grad-Winkel von der translatorischen Bewegungsrichtung zum Radius, an dem die Zahnstange angreift, erreicht wird.
- Vorzugsweise ist die Expansionsmaschine dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlungsmechanik wenigstens ein erstes Zahnradmittel aufweist, um eine translatorische Bewegung einer ersten Richtung des Bewegungskörpers in eine Drehbewegung mit einer ersten Drehrichtung zu wandeln und ein zweites Zahnradmittel aufweist, um eine translatorische Bewegung einer zweiten Richtung des Bewegungskörpers in eine Drehbewegung mit der ersten Drehrichtung zu wandeln. Es wird also in jedem Fall eine translatorische Bewegung in eine Drehbewegung mit ein und derselben Drehrichtung gewandelt. Dabei wird vorgeschlagen, dass zwischen dem ersten und zweiten Zahnradmittel so umgeschaltet wird, dass eine Bewegung des Bewegungskörpers in eine Drehbewegung mit der ersten, also nur einer, Drehrichtung gewandelt wird. Vorzugsweise weist jedes Zahnradmittel hierzu einen Freilauf auf, insbesondere einen gesteuerten Kupplungsfreilauf, um jeweils nur bei der ersten bzw. der zweiten Richtung der translatorischen Bewegung wirksam zu sein. Entsprechend braucht gemäß einer Variante keine aktive Umschaltung durchgeführt zu werden und es wird immer eine Umwandlung in die genannte erste Drehbewegung durchgeführt. Wird ein gesteuerter Kupplungsfreilauf verwendet, ist es möglich, den Freilauf gezielt zu deaktivieren, so dass eine Kraft von dem Zahnradmittel auch bei der genannten Drehrichtung auf den Bewegungskörper übertragen werden kann. Dies kann dann von Vorteil sein, wenn zu einer Endposition des Bewegungskörpers hin seine Bewegung durch die Zahnradmittel noch unterstützt werden soll.
- Vorzugsweise kann der Bewegungskörper mit zwei Zahnstangen bzw. einer Doppelzahnstange ausgebildet sein, indem eine Zahnstange bzw. ein Teil einer Doppelzahnstange für jeweils eine translatorische Bewegung zu einer Übertragung führt.
- Die Expansionsmaschinensteuereinheit ist dazu vorbereitet, die Bewegung einer Lineareinheit, die insbesondere Kolben und Kolbenstange umfasst, über Ventilstellungen zu steuern. Außerdem können ggf. Kupplungsfreiläufe gesteuert werden, um eine Drehmomentübertragung geeignet zu steuern. Insbesondere sind die Messung und Berücksichtigung der Zustandsgrößen Kolbenort, Kolbengeschwindigkeit, Kolbenbewegungsrichtung, erzeugte Drehzahl an einer Abtriebswelle und Ventilstellungen sowie ggf. Zustände der Kupplungsfreiläufe vorgesehen. Bei Kopplung mehrerer Expansionsmaschinen kann die Expansionsmaschinensteuereinheit dazu vorbereitet sein, diese Expansionsmaschinen in ihrer Bewegung zu koordinieren. Vorzugsweise kann eine zentrale Steuereinheit vorgesehen sein, die neben den Aufgaben der Expansionsmaschinensteuereinheit auch die Steuerung einer Treibgaserzeugungseinheit übernimmt vorzugsweise kann eine Steuereinheit für eine Treibgaserzeugungseinheit und eine Expansionsmaschinensteuereinheit koordiniert und/oder in einer Einheit kombiniert sein.
- Vorzugsweise wird eine Anordnung wenigstens zweier Expansionsmaschinen vorgeschlagen, wobei die Expansionsmaschinen so gekoppelt sind, dass sie jeweils ein Drehmoment auf eine gemeinsame Welle leiten, wobei insbesondere die Expansionsmaschinen dazu vorbereitet sind, synchronisiert und/oder koordiniert betrieben zu werden. Hierbei können zwei Expansionsmaschinen über eine Wandlungsmechanik gekoppelt sein, indem bspw. jede Expansionsmaschine mit einer Zahnstange an einer Wandlungsmechanik mit zwei Zahnradmitteln angreift. Ebenso können zwei, oder auch mehrere Expansionsmaschinen ein Drehmoment auf eine gemeinsame Welle übertragen, wobei die Expansionsmaschinen einzeln oder paarweise in axialer Richtung der gemeinsamen Welle hintereinander angeordnet sind. Jedenfalls bei Kopplung mehrerer Expansionsmaschinen gleicher Bauart und Baugröße und/oder Verwendung gleicher Wandlungsmechaniken sollten die Expansionsmaschinen im Gleichlauf gekoppelt sein. Sie laufen dabei zumindest teilweise phasenverschoben, ansonsten aber synchron, bzw. mit gleicher Frequenz.
- Ein Verfahren zum Betreiben einer Expansionsmaschine mit einer ersten Expansionsteilanordnung mit einem Füllraum und einem Treibgasexpansionsraum wird beschnieben. Demnach werden folgende Schritte durchgeführt: Im Ersten Schritt wird der Füllraum über wenigstens ein Füllraumbetreibgas befüllt, wobei der Druck des Treibgases auf eine erste Druckfläche an dem Bewegungskörper wirkt und diesen in eine erste Richtung drückt und damit in diese Richtung bewegt. Im zweiten Schritt wird das wenigstens eine Füllventil geschlossen und anschließend wenigstens ein Überstromventil geöffnet, so dass das Treibgas aus dem Füllraum in einen Treibgas-expansionsraum strömt. Das Öffnen des wenigstens einen Überstromventils kann über dem Schließen des wenigstens einen Füllventils etwas zeitversetzt, also später, erfolgen, um ein Strömen von Treibgas direkt in das Füllventil, und durch das Überstromventil, zu verhindern. In dem Treibgasexpansionsraum wirkt eine Kraft auf die zweite Druckfläche an dem Bewegungskörper und dieser wird damit in eine zweite Richtung gedrückt und damit bewegt. Die zweite Richtung ist zu der ersten entgegen gesetzt, so dass sich der Bewegungskörper gegenüber Schritt 1 wieder zurückbewegt.
- Im dritten Schritt wird wenigstens ein Auslassventil in der Treibgasexpansionskammer geöffnet, um das Treibgas aus dem Treibgasexpansionsraum entweichen zu lassen. Der Druck des Treibgases ist hierbei optimalerweise gleich dem umgebenden, also Atmosphärendruck.
- Im vierten Schritt wird das Verfahren beginnend mit Schritt 1 wiederholt, wobei das wenigstens eine Auslassventil zunächst geöffnet bleibt. Bei der Bewegung des Bewegungskörpers in die erste Richtung gemäß Schritt 1 wird der Treibgasexpansionsraum wieder verkleinert und durch das wenigstens eine geöffnete Auslassventil kann das enthaltene Treibgas entweichen.
- Ein Verfahren zum Betreiben einer Expansionsmaschine mit einer Expansionsteilanordnung mit einem Treibgasexpansionsraum und einem Kompressionsraum wird beschrieben. Demnach wird im ersten Schritt der Treibgasexpansionsraum mit Treibgas befüllt, so dass der Druck des Treibgases auf eine Druckfläche an einem Bewegungskörper wirkt und den Bewegungskörper dadurch in eine erste Richtung bewegt. Durch diese Bewegung in die erste Richtung wird der Kompressionsraum verkleinert und das darin enthaltene Prozessgas komprimiert. Das komprimierte Prozessgas kann im Anschluss oder bereits während des Komprimierens seiner Verwendung zugeführt werden.
- Im zweiten Schritt wird der Bewegungskörper in die zweite Richtung zurückbewegt, wobei der Treibgasexpansionsraum aufgrund wenigstens eines geöffneten Auslassventils entleert wird. Die Rückbewegung des Bewegungskörpers kann beispielsweise durch eine Schwungmasse oder eine andere nicht durch diese erste Expansionsteilanordnung hervorgerufene Kraft erreicht werden. In diesem zweiten Schritt wird der Kompressionsraum mit Prozessgas gefüllt. Dies kann im einfachsten Fall bedeuten, dass ein Einlassventil in dem Kompressionsraum geöffnet wird und durch das Zurückbewegen des Bewegungskörpers Luft in den Kompressionsraum einströmt.
- Im dritten Schritt wird Schritt 1 wiederholt, wobei zuvor jedenfalls das beschriebene Einlassventil in dem Kompressionsraum geschlossen wurde, so dass sich ein gewünschter Kompressionsdruck für das Prozessgas aufbauen kann.
- Vorzugsweise werden zwei Expansionsteilanordnungen mit gleichen Merkmalen gekoppelt betrieben. Unter gleichen Merkmalen ist nicht zwingend zu verstehen, dass die Expansionsteilanordnungen vollständig identisch sind, aber dass sie prinzipiell den gleichen Aufbau aufweisen, insbesondere zwei Expansionsteilanordnungen mit jeweils einem Füllraum und jeweils einem Treibgasexpansionsraum gekoppelt betrieben werden, oder zwei Expansionsteilanordnungen mit jeweils einem Treibgasexpansionsraum und einem Kompressionsraum gemeinsam betrieben werden.
- Die Bewegungsrichtungen sind hierbei entgegen gesetzt, wobei die Bewegungen sich ergänzen, indem die beiden Expansionsteilanordnungen einen gemeinsamen Bewegungskörper aufweisen. Die beiden Expansionsteilanordnungen werden demnach so betrieben, dass sie den Bewegungskörper jeweils in dieselbe Richtung bewegen, so dass das Befüllen und Entleeren des Treibgasexpansionsraumes der ersten Expansionsteilanordnung immer umgekehrt zum Befüllen und Entleeren des Treibgasexpansionsraumes der zweiten Expansionsteilanordnung erfolgt.
- Erfindungsgemäß wird zudem eine Wärmekraftmaschine zum Erzeugen einer mechanischen Bewegung unter Verwendung eines Brennstoffes vorgeschlagen, die eine erfindungsgemäße Treibgaserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Treibgases umfasst und eine erfindungsgemäße Expansionsmaschine zum Wandeln einer Expansion von Treibgas unter Druck in eine mechanische Bewegung, insbesondere Drehbewegung, wobei die Treibgaserzeugungseinrichtung und die Expansionsmaschine so miteinander gekoppelt sind, dass das von der Treibgaserzeugungseinrichtung erzeugte Treibgas der Expansionsmaschine zugeführt wird, insbesondere an wenigstens einem Füllventil oder Einlassventil in einer Treibgasexpansionskammer bereitgestellt wird. Vorzugsweise sind hierbei die Treibgaserzeugungseinrichtungen und die Expansionsmaschine aufeinander abgestimmt. Insbesondere liefert die Treibgaserzeugungseinrichtung im Wesentlichen ein Treibgas mit möglichst konstanten Werten wie konstantem Druck und Temperatur. Die Expansionsmaschine ist dazu vorbereitet, im Wesentlichen mit einem Treibgas mit konstantem Druck betrieben zu werden. Die beiden Einrichtungen ergänzen sich somit vorteilhaft zu der Wärmekraftmaschine. Gemäß einer Ausführungsform wird eine Expansionsmaschine mit wenigstens einem Expansionsraum, vorzugsweise zwei Expansionsräumen eingesetzt. Somit kann die Expansionsmaschine mit dem von der Treibgaserzeugungseinrichtung bereitgestellten Treibgas betrieben werden und gleichzeitig ein Prozessgas komprimieren und als komprimiertes Gas, insbesondere Druckluft der Treibgaserzeugungseinrichtung, insbesondere dem Brenner zur Verfügung stehen. Hierdurch ergeben sich besonders gute Synergieeffekte.
- Zudem wird ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine beschrieben.
- Weiter wird ein Kompressor zum Komprimieren eines Prozessgases, insbesondere Luft, bescrieben. Ein solcher Kompressor weist einen ersten und einen zweiten Kompressionsraum mit jeweils einem ersten bzw. zweiten Kompressionskörper auf. Dabei erfolgt eine Kopplung der beiden Kompressionsräume dadurch, dass der zweite Kompressionsraum in dem ersten Kompressionskörper ausgebildet Ist.
- Der erste Kompressionsraum ist dazu vorbereitet, das Prozessgas in einer ersten Kompressionsstufe auf ein Volumen mit einem ersten Kompressionsdruck zu komprimieren. Um das komprimierte Prozessgas dann in den zweiten Kompressionsraum zu überführen ist ein entsprechendes Verbindungsventil - oder mehrere - vorgesehen. Nach dem Komprimieren in der ersten Kompressionsstufe strömt somit das Prozessgas in den zweiten Kompressionsraum.
- Der zweite Kompressionsraum ist dann dazu vorbereitet, das Prozessgas weiter in einer zweiten Kompressionsstufe zu komprimieren, wobei entsprechend das Volumen verringert und der Kompressionsdruck erhöht werden.
- Der erste Kompressionsraum und der zweite Kompressionskörper sind dabei fest zueinander angeordnet und der erste Kompressionskörper zu dem ersten Kompressionsraum und dem zweiten Kompressionskörper so in zwei Richtungen beweglich angeordnet, dass seine Bewegung entweder den ersten Kompressionsraum verkleinert oder den zweiten vergrößert oder umgekehrt. Vorzugsweise bildet der erste Kompressionsraum einen Zylinder, in den der erste Kompressionskörper ebenfalls zylinderförmig geführt ist. In dem ersten Kompressionskörper ist der zweite Kompressionsraum ebenfalls als Zylinder - entsprechend mit kleinerem Durchmesser - angeordnet. Der zweite Kompressionskörper ist schließlich in diesen zweiten Kompressionsraum ebenfalls als entsprechender Zylinder mit kleinerem Durchmesser geführt. Zum Komprimieren des Prozessgases wird dieses nun zunächst in den ersten Kompressionsraum eingelassen, der hierbei expandiert ist. Der erste Kompressionskörper bewegt sich nun - nachdem die entsprechenden Ventile geschlossen wurden - so in dem ersten Kompressionsraum, dass dieser verkleinert und das Prozessgas komprimiert wird. Da der erste Kompressionsraum und der zweite Kompressionskörper jeweils feststehen, vergrößert sich automatisch der zweite Kompressionsraum durch die Bewegung des ersten Kompressionskörpers. Aufgrund des kleineren Zylinderdurchmessers ist dieser zweite Kompressionsraum aber verhältnismäßig klein und es kann nun das in der ersten Kompressionsstufe komprimierte Prozessgas in diesen zweiten Kompressionsraum eingelassen werden, ohne dass dieses seine Komprimierung wieder verliert. Dabei kann aufgrund des kleinen zweiten Kompressionsraumes das Verbindungsventil zwischen erstem und zweitem Kompressionsraum während der ersten Kompressionsstufe geöffnet sein. Bei dieser ersten Kompressionsstufe wird zwar der zweite Kompressionsraum vergrößert während der erste verkleinert wird, er ist dennoch im Vergleich zum großen Kompressionsraum klein und das zur Verfügung stehende Volumen für das Prozessgas wird auch mit geöffnetem Verbindungsventil verkleinert. Für die zweite Kompressionsstufe muss das Verbindungsventil jedoch geschlossen werden, damit beim Zurückwiegen des ersten Kompressionskörpers, wodurch der zweite Kompressionsraum verkleinert wird, das Prozessgas nicht zurück in den ersten Kompressionsraum strömt.
- Das Verbindungsventil kann als Rückschlagventil vorgesehen sein, das nur eine Strömung vom ersten zum zweiten Kompressionsraum zulässt. Ebenso kann ein Einlassventil von außen zum ersten Kompressionsraum als Rückschlagventil ausgebildet sein.
- Außerdem wird vorgeschlagen, Zuführungen, Leitungen und möglichst alle Elemente die einer Erwärmung ausgesetzt sind thermisch zu isolieren, um insbesondere Wärmeabfluss zu vermeiden. Hierdurch soll verhindert werden, dass Wärme ungenutzt das System verlässt.
- Es wird vorgeschlagt, einen Kompressor, also insbesondere einen beschriebenen Kompressor, der grundsätzlich bautechnisch unabhängig von einer Expansionsmaschine ist, mechanisch mit einer Expansionsmaschine zu koppeln, um eine von der Expansionsmaschine erzeugte Kraft zum Betreiben des Kompressors zu verwenden. Insbesondere wird vorgeschlagen, einen solchen Kompressor auf eine Wandlungsmechanik aufzusetzen, insbesondere mit einem Zahnradmittel der Wandlungsmechanik zu verbinden, um so den Kompressor zu betreiben.
- Ein Dampferzeuger zum Erzeugen von Wasserdampf aus Wasser wird beschrieben, umfassend:
- einen Vorwärmbereich zum Vorwärmen des Wassers,
- einen Verdampfungsbereich zum Verdampfen des Wassers und
- eine Wärmequelle zum Erwärmen des Vorwärmbereichs und des Verdampfungsbereichs,
- Günstig ist es, einen solchen Dampferzeuger als Wärmetauscher einzusetzen, insbesondere um Treibgas einer Treibgaserzeugungseinrichtung als Wärmequelle zu nutzen, nachdem es eine Expansionsmaschine durchlaufen hat und dadurch in dem Wärmetauscher Wasserdampf zu erzeugen zur Verwendung als Sekundärtreibstoff in der Treibgaserzeugungseinrichtung.
- Der erste Expansionsraum kann auch als Treibgasfüllraum bezeichnet werden und der zweite Expansionsraum kann auch als Treibgasexpansionsraum bezeichnet werden.
- Brennstoff und/oder Kraftstoff kann auch als Treibstoff bezeichnet werden, unterscheidet sich aber in seiner Funktion vom Sekundärtreibstoff. Brennstoff, Kraftstoff und Treibstoff sind in der Bedeutung von Sekundärtreibstoff abzugrenzen.
- Treibgasdruckbehälter kann auch als Treibgasreaktordruckbehälter bezeichnet werden.
- Eine Steuereinheit umfasst üblicherweise eine Mess-, Steuer- und Regelungseinheit.
- Es ist zu beachten, dass eine Druckfläche eine Teilfläche einer Gesamtfläche bilden kann, wobei der Druck zwar auf der Gesamtfläche lastet, aber nur auf der Druckfläche wirksam ist. Der Begriff Druckfläche bezieht sich auf die Fläche an der der Druck wirksam wird.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Beispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
-
Fig. 1 zeigt eine Treibgaserzeugungseinrichtung mit zwei Treibgasdruckbehältern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. -
Fig. 2 zeigt eine Expansionsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Betriebsstellung. -
Fig. 3 bis 5 zeigen eine Expansionsmaschine gemäßFig. 2 in weiteren Betriebsstellungen. -
Fig. 6A zeigt eine Treibgaserzeugungseinrichtung gemäßFig. 1 , und eine Expansionsmaschine gemäß derFiguren 2 bis 5 , die gekoppelt sind. -
Fig. 6B zeigt eine Wärmekraftmaschine gemäßFigur 6Aa , jedoch mit einer veränderten Betriebsstellung der Expansionsmaschine. -
Fig. 7 zeigt einen Treibgasreaktor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. -
Fig. 8 zeigt einen Treibgasreaktor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. -
Fig. 9 veranschaulicht den Aufbau und die Funktionsweise einer Expansionsmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. -
Fig. 10 bis 12 zeigen eine Wärmekraftmaschine gemäß einer Ausführungsform mit zwei Treibgasreaktoren und einer Expansionsmaschine in einer schematischen Darstellung und in unterschiedlichen Betriebszuständen. -
Fig. 13 zeigt eine Wärmekraftmaschine mit Treibgasreaktoren und einer Expansionsmaschine, die über ihre Wandlungsmechanik mit einem Kompressor gemäß einer Ausführungsform verbunden ist. -
Fig. 14 zeigt eine Wandlungsmechanik die mit zwei verzahnten Kolbenstangen gekoppelt ist in einer perspektivischen Darstellung. -
Fig. 15 verdeutlicht schematisch die Kraft- und Drehmomentwirkungen der inFigur 14 gezeigten Anordnung. -
Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine schematisch. -
Fig. 17 zeigt einen Ausschnitt einer Expansionsmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform. -
Fig. 18 zeigt einen Kolben einer Expansionsmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform. -
Fig. 19 zeigt einen Querschnitt durch einen isolierten Zylinder einer Expansionsmaschine, um den Aufbau zu verdeutlichen. -
Fig. 20 zeigt einen Dampferzeuger zum Erzeugen von Wasserdampf aus Wasser. -
Fig. 21 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Expansionsmaschine in einer Seitenansicht. -
Fig. 22 zeigt eine Expansionsmaschine gemäß derFigur 21 in einer Draufsicht. - Ein Aspekt der Erfindung ist die Treibgaserzeugungseinrichtung. Grundsätzlich kann eine geeignete Treibgaserzeugung auf vielfältige Art bewerkstelligt werden. Entsprechend dem gewählten Energieträger (Brennstoff) sollte die jeweils geeignete Technologie gewählt werden. Bei Festbrennstoffen wie Kohle, Holz usw. kommen z.B. handelsübliche Dampfkesselanlagen in Frage. Bei flüssigen Brennstoffen wie Öl, oder bei gasförmigen Brennstoffen wie Deponiegas, Biogas, Erdgas usw., kann die erfindungsgemäße Treibgaserzeugungseinrichtung verwendet werden.
- Die folgenden Eigenschaften der Treibgaserzeugungseinrichtung werden angestrebt:
- 1. Die Energieumwandlung vom Energieträger zum Treibgas sollte einen Wirkungsgrad µ > 90% haben.
- 2. Die Temperatur des Treibgases sollte zumindest so regelbar sein, dass sie in der Expansionsmaschine keine thermischen Schäden verursacht.
- 3. Der Druck des Treibgases soll regelbar sein.
- 4. Die Volumenmenge des Treibgases soll regelbar sein.
- Die Treibgaserzeugungseinrichtung 2 gemäß der
Figur 1 weist zwei Treibgasdruckbehälter 4 auf, die im Grunde gleich aufgebaut sind und im Übrigen auch als Treibgasreaktordruckbehälter bezeichnet werden können. Die Aufgabe der Treibgasdruckbehälter 4 ist es, durch Reaktion von Luft, Treibstoff und vorgewärmten Wasser geeignetes Treibgas herzustellen, so dass dieses in der Lage ist, mechanische Arbeit zu verrichten. - Im in jedem der beiden Treibgasdruckbehälter 4 ist eine Brennkammer 6 mit je einem Brenner 8 angeordnet, um Treibstoff zu verbrennen. Aufgabe der Brennkammer 6 ist es, eine möglichst optimale Verbrennung eines Treibstoff-Luftgemisches zu gewährleisten. Der Treibgasdruckbehälter mit der Brennkammer 6 bildet einen Treibgasreaktor 5.
- Jeder Brenner 8 soll durch Verwirbelung von Luft, Treibstoff und deren Entzündung eine optimale Verbrennung starten und dauerhaft gewährleisten.
- Weiterhin umfasst die Treibgaserzeugungseinrichtung 2 eine zentrale Mess-, Steuer- und Regeleinheit 10, auch kurz als MSRe oder MSR 10 bezeichnet. Variable Eingänge dieser MSR 10 sind ein Eingang für eine Leistungsvorgabe 12, über die ein Benutzer über Bedienerbefehle eine Leistung vorgeben kann, sowie wenigstens ein Eingang für einen Temperaturmesswert 14, ein Eingang für einen Druckmesswert 16 und ein Eingang für einen Drehzahlmesswert einer mit der Treibgaserzeugungseinrichtung angetriebenen Mechanik. Die Messwerte der Temperatur und des Druck beziehen sich auf die Temperatur und den Druck des Treibgases, insbesondere an einem Auslass 18 des Treibgasdruckbehälters 4.
- Als Ausgänge gibt die MSR 10 Ansteuerungsbefehle aus. Hierzu gehören ein Luftsteuerausgang 20 zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls an wenigstens ein Luftdruckregelventil 22, um eine Luftzufuhr zum Brenner 8 zu steuern, ein Kraftstoffsteuerausgang 24 zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls an wenigstens ein Kraftstoffregelventil 26, um eine Kraftstoffzufuhr zu steuern und ein Wassersteuerausgang 28 zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls an wenigstens ein Wassermengenregelventil 30 um die Zufuhr einer Wassermenge zum Treibgasdruckbehälter zu steuern.
- Weiterhin weist die MSR 10 einen Füllmengensteuerausgang 32 auf, zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls, um für eine nachgeschaltete Expansionsmaschine eine Füllmenge des Treibgases zu steuern, und ein Füllmengensteuerausgang 34, zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls, um für eine nachgeschaltete Expansionsmaschine ein Auslassventil zum Auslassen des Treibgases aus der Expansionsmaschine zu steuern.
- Die MSR 10 ist dazu vorgesehen, auf der Basis eines Programms und in Abhängigkeit der oben genannten Eingänge eine bestmögliche Treibgaserzeugung zu berechnen und diese durch entsprechende Steuerbefehle zu steuern.
- Weiterhin ist ein Luftkompressor 36 vorgesehen, der mittels eines Speichers vor dem Luftdruckregelventil 22 einen Luftdruck bereitstellt, der in einer Ausführungsform mindestens 43 bar beträgt. Der Kompressor 36 wird durch eine lineare Verkopplung von der Expansionsmaschine angetrieben, um eine proportionale Druckluftmengenerzeugung sicherzustellen.
- Der Kompressor 36 stellt Druckluft bereit und Aufgabe des Luftdruckregelventils 22 ist es, entsprechend einer Vorgabe durch die zentrale MSR 10 den Brennkammern 6 der Treibgasreaktoren 5 eine optimale Luftmenge zuzuführen.
- Eine Treibstoffpumpe 38 ist vorgesehen, um mittels eines Speichers vor dem Kraftstoffregelventil 26 einen Kraftstoffdruck zu gewährleisten. Dieser Kraftstoffdruck beträgt in der vorliegenden Ausführungsform bei Verwendung eines flüssigen Kraftstoffs etwa 200 bar. Das Kraftstoffregelventil 26, das auch als Treibstoffmengenregelventil bezeichnet wird, soll entsprechend oben beschriebener Vorgaben der MSR 10 den Brennkammern 6 der Treibgasreaktoren 5 möglichst optimale Treibstoffmengen zuführen. Hierzu weisen die Brennkammern 6 wenigstens eine Einspritzdüse 40 auf.
- Mittels einer Wasserpumpe 42 und einem Speicher soll vor dem Wassermengenregelventil 30 ein Wasserdruck bereitgestellt werden, der etwa 200 bar betragen kann. Das Wassermengenregelventil 30 soll für eine geregelte Zufuhr des Wassers zu den Treibgasdruckbehältern sorgen. Diese Zufuhr erfolgt entsprechend einer Vorgabe der MSR 10, wobei das Wasser Vernebelungsdüsen 44 in den Treibgasdruckbehältern 4 der Treibgasreaktoren 5 zugeführt wird, die jeweils im Bereich einer Behälterwand 46 angeordnet sind. Dabei sollen optimale Wassermengen vorgewärmten Wassers zugeführt werden, um eine Temperatur- und Volumenoptimierung des Treibgases zu erreichen. Für die Zuführung des Wassers sind vom Wassermengenregelventil 30 zu den Vernebelungsdüsen entsprechende Wasserzuführleitungen 48 vorgesehen.
- Der Treibgasreaktor 5 arbeitet mit einer nichtatmosphärischen Verbrennungstechnik, dass heißt, die Verbrennung findet unter Überdruck statt. Es wird im Treibgasreaktor 5 Treibgas aus Brennstoff, Luft und Wasser erzeugt.
- Die spezielle Aufgabe des Treibgasreaktors 5 besteht darin, Treibgas mit möglichst großem Volumen und moderater Temperatur zu erzeugen. Unter moderater Temperatur ist ein Temperaturbereich zu verstehen, der keine Beschädigungen an den Maschinenkonstruktionen vom Treibgasreaktordruckbehälter 6 und einer Expansionsmaschine verursacht, der das erzeugte Treibgas zugeführt wird.
- Geregelt und gesteuert von der MSR 10 wird über den Luftkompressor 36, der auch als Drucklufterzeuger bezeichnet werden kann, und dem Luftmengenregelventil 22, sowie einem die Luftleitungen 35 umfassenden Leitungssystem Druckluft zu einem den Brenner 8 umfassenden Brennersystem innerhalb der Brennkammer 6 im Treibgasreaktordruckbehälter 4 zugeführt.
- Gleichzeitig wird - ebenfalls von der MSR 10 gesteuert - Treibstoff, über die Treibstoffpumpe 38 mit Treibstoffdruckspeicher und dem Treibstoffmengenregelventil 26, sowie über ein dazu gehörendes und Treibstoffleitungen umfassendes Leitungssystem dem Brennersystem innerhalb der Brennkammer 6 im Treibgasreaktordruckbehälter 4 geführt.
- Im Brennersystem angekommen werden die - mengenmäßig möglichst optimal zusammengesetzten - Komponenten Treibstoff, wie Gas, Öl usw., und Druckluft innig vermischt und dort zur Entzündung gebracht, wobei eine erhebliche Volumenvergrößerung und Temperaturerhöhung über dem Brennersystem in der Brennkammer 6 stattfindet.
- Aufgabe der Brennkammer 6 ist es dem Verbrennungsvorgang einen ausreichenden Schutzraum zu bieten, in dem die Verbrennung möglichst optimal, dass heißt bei möglichst hohen Temperaturen und der notwendigen Verweilzeit, möglichst restlos stattfinden kann, um ein möglichst sauberes Brenngas entstehen zu lassen. Positive Merkmale sind hierbei, dass ein möglichst optimiertes Verbrennungszeitfenster erzielbar ist und Möglichkeiten für eine optimale Treibstoffverbrennung geschaffen werden, um auch ein etwaiges Feinstaubrisiko gering zu halten und möglichst wenig NOx zu erhalten.
- Durch in der Brennkammer 6 konstruktiv vorgesehene Öffnungen 7 verlässt ein sehr warmes bzw. heißes Brenngas die Brennkammer 6 und gelangt in den größeren Treibgasreaktordruckbehälter 4.
- In dem Treibgasdruckbehälter 4 angekommen wird in das sehr warme Brenngas, ebenfalls sehr warm vorgeheiztes Wasser mit hohem Druck eingenebelt.
- Auch dieser Vorgang wird vom MSR geregelt und gesteuert, wobei das Druckwasser zuvor die Wasserpumpe 42, den Wasserspeicher und das Wassermengenregelventil 30 durchlaufen hat. Zum Erwärmen hat das Wasser ggf. einen Wärmetauscher des Drucklufterzeugers bzw. Luftkompressors 36 durchlaufen, wobei es sich stark erwärmt.
- Durch das mit hohem Druck, in das sehr warme Brenngas, eingenebelte sehr warme Wasser mischen sich beide Komponenten, zu einem ebenfalls vom MSR 10 kontrollierten Treibgas.
- Das MSR 10 System misst, regelt und steuert die zuvor beschriebe Zufuhr von Brenngas und Wasser so, dass ein möglichst großes Treibgasvolumen in einem Temperaturbereich entsteht, welcher den Treibgasreaktordruckbehälter 4 und eine nachgeschaltete Expansionsmaschine thermisch nicht beschädigt.
- Hierdurch sind keine Energieabflüsse nach außen durch Kühlung notwendig, weil die zu hohen Temperaturbereiche in nutzbares Treibgasvolumen gewandelt wurden. Weiterhin ist je nach gewähltem Temperaturbereich mit geringen thermischen Energieabflüssen in den Treibgasen hinter der Expansionsmaschine zu rechnen, weil - gemäß einer Ausführungsform - diese Temperatur nur im Bereich von ca. 100° C liegt.
- Die Aufgabe des Treibgasreaktordruckbehälters 4 ist es, die in ihm entstandenen Treibgase zu bündeln und der nachgeschalteten Expansionsmaschine ggf. über ein Rohrleitungssystem zu zuführen, sowie dem zu erwartenden Druck, der aus dem Staudruck der Expansionsmaschine resultiert, standzuhalten.
- Eine weitere Aufgabe des MSRe Systems ist es, während des Betriebes der WWKM ständig die Mengenverhältnisse von Druckluft, Treibstoff und Wasser in Abhängigkeit von Druck, Volumen und Temperatur des Treibgases zu messen und zu regeln.
- Ein besonderer Vorteil des Treibgasreaktorsystems, also des Treibgasreaktors 5 mit zugehörigen Komponenten einschließlich der MSR 10, besteht darin, dass systembedingt eine direkte innige Temperatur - Volumenwandlung stattfindet. Das heißt durch Vermischung wird direkt eine Volumenvergrößerung in demselben Raum erreicht. Wirkungsgradverluste durch Temperatur - Volumen trennende feste Wände wie z.B. Rohrleitungen bei Kesselanlagen sind nicht vorhanden.
- Als weiterer Vorteil ist zu erwarten, dass etwaige im Brenngas vorhandene Schadstoffe im Treibgas innig vermischt sind und nach der Kondensation hinter der Expansionsmaschine im Kondensat gebunden sind und damit umweltfreundlich behandelt bzw. entsorgt werden können.
- Es ist zu beachten, dass die
Figur 1 eine schematische Darstellung ist, die zwei Treibgasreaktoren 5 in einer einer Schnittansicht angelehnten Darstellung im prinzipiellen Aufbau zeigt, die keine exakten Größenverhältnisse darstellt. Zur besseren Übersicht sind die MSR 10 und weitere Elemente zwischen den beiden Treibgasreaktoren 5 gezeigt. Auf diese Anordnung kommt es aber nicht an und insbesondere die MSR 10 kann an im Grunde beliebiger Position angeordnet sein. - Gemäß
Figur 2 wird eine Expansionsmaschine 202 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erläutert, wobei die Expansionsmaschine 202 zu Erläuterung der einzelnen Elemente in einer Betriebsstellung dargestellt ist. Zur Darstellung wurde eine teilweise Schnittdarstellung gewählt. - Die Expansionsmaschine 202 weist zwei Zylinder 204 auf - gemäß der
Figur 2 einen rechten Zylinder und einen linken Zylinder - in die sich Treibgas bei entsprechender Betriebsstellung ausdehnen kann. Jeder Zylinder weist einen Zylinderkopf 206 mit mehreren Auslassventilen 208 auf, durch die Treibgas im geöffneten Zustand herausströmen kann. Die Auslassventile 208 beim rechten Zylinder 204 sind im geöffneten und die beim linken Zylinder im geschlossenen Zustand gezeigt. - Zum Befüllen jedes Zylinders 204 mit Treibgas ist je ein Ringkanal 210 mit Füllventilen 212 vorgesehen. Beim rechten Zylinder 204 ist ein geschlossenes und beim linken Zylinder 204 ein geöffnetes Füllventil 212 gezeigt. In der Position am rechten Zylinder 204 kann somit Treibgas am Ringkanal 210 bereitgestellt werden und durch das wenigstens eine, rechts dargestellte Füllventil 212 in den Zylinder 204 strömen.
- In jedem Zylinder 204 wird ein Kolben 214 mittels je einer ringförmigen Zylinderführung 216 in einem zylindrischen Innenraum bzw. einer zylindrischen Bohrung geführt, um eine axiale Bewegung des Kolbens 214 zu ermöglichen. Die Zylinderführung 216 ist in und an dem Zylinder 204 angeordnet und gewährleistet auch eine Abdichtung des Kolbens 214 gegen den Zylinder 204. An jedem Kolben 214 ist zudem eine ringförmige Kolbendichtung 218 angeordnet, die den Kolben auch gegen den Zylinder 204 abdichtet und eine Führung erreicht. Der Kolben 214 weist einen Kolbenkörper 220 und eine Kolbenstirnwand 222 auf, die jeweils fest miteinander verbunden sind, wobei diese Verbindung des Kolbenkörpers 220 mit der Kolbenstirnwand 222 in der
Figur 2 nicht dargestellt ist. - Jeder Zylinder 204 weist einen Treibgasfüllraum 224 auf. Der Treibgasfüllraum 224 ist zwischen dem Kolbenkörper 220, der Kolbenstirnwand 222 und dem Zylinder 204 ausgebildet und verändert sich mit der Stellung des jeweiligen Kolbens 214. Der beim rechten Zylinder 204 dargestellte Treibgasfüllraum 224 setzt sich somit aus einem zylindrischen Abschnitt und einem Ringspalt zusammen.
- Der Treibgasfüllraum 224 ist über mehrere Überstromventile 226 mit einem Treibgasexpansionsraum 228 verbunden. Der Treibgasexpansionsraum 228 verändert sich mit der Stellung des Kolbens 214 und weist beim rechten Zylinder 204 seine größte und beim linken Zylinder 204 seine kleinste Ausdehnung auf. Die Überströmventile 226 beim rechten Zylinder 204 sind verschlossen und die beim linken Zylinder 204 geöffnet dargestellt. Bei geöffneten Überströmventilen 226 kann Treibgas von dem Treibgasfüllraum 224 in den jeweiligen Treibgasexpansionsraum 228 strömen.
- Beide Kolben 214 sind miteinander über eine gemeinsame Kolbenstange 230 fest verbunden. Die Kolbenstange 230 ist beidseitig verzahnt, um in zwei Zahnkränze 232 einzugreifen, um eine Kraft der Kolben 214 in ein Drehmoment zu wandeln. Jeder Zahnkranz 232 ist mit einem Freilauf 234 verbunden, so dass jeweils nur in eine Drehrichtung ein Drehmoment auf mit dem Freilauf 234 verbundene Radnabe 236 übertragen wird. Mit Pfeilen ist eine Drehrichtung 238 angedeutet, in die ein Drehmoment übertragen wird. Beide Freiläufe 234 sind so gewählt, dass ein Drehmoment immer in Richtung dieser Drehrichtung 238 von jeweils einem Zahnkranz 232 auf die entsprechende Radnabe 236 übertragen wird. Die Radnaben weisen eine Kettenradverzahnung auf und sind über einen Kettentrieb 240 mit einander verbunden, um eine Synchronisation des Drehmomentes zu erreichen. Eine oszillierende Bewegung der Kolbenstange 230 kann somit über die Wahl des Freilaufs 234 immer in ein Drehmoment mit der Drehrichtung 238 umgesetzt werden. Das so erzeugte Drehmoment kann über Abtriebswellen 242 entnommen und einer weiteren Nutzung zugeführt werden.
- In der Betriebsstellung gemäß
Figur 2 steht Treibgasdruckvolumen von einem Treibgasreaktor kommend und von einem MSR gesteuert an allen Ringkanälen 10 der Expansionsmaschine 202 an. Die Hubrichtung ist gemäß der Darstellung derFigur 2 nach rechts gerichtet. - Die Überströmventile 226, Füllventile 212 und Auslassventile 208 werden regelmäßig gesteuert. Wenn die Kolben 214 und Kolbenstange 230 an einem linken inneren Richtungsumkehrpunkt angekommen sind, wenn also beim rechten Zylinder 204 die Kolbenstirnwand 222 etwa beim Füllventil 212 angekommen ist, schließen beim rechten Zylinder 204 die Überströmventile 226, öffnen die Füllventile 212 im rechten Ringkanal 210, sowie die Auslassventile 208 im rechten Zylinderkopf 206 und geben eine im wesentlich expansionslose Treibgasfüllung des rechten Treibgasfüllraumes 224 frei. Gleichzeitig öffnen sich - ebenfalls regelmäßig gesteuert - die Überströmventile 226 im linken Kolben 214 und eröffnen damit einen Expansionsprozess des linken zuvor gefüllten Treibgasfüllraums 224.
- Damit entfalten beide Kolben 214 ihre Schub- bzw. Expansionskräfte sich gegenseitig addierend nach rechts. Leitungsgerecht von der MSR gesteuert werden die Füllventile 212 wieder geschlossen, wenn der rechte Füllraum 224 gefüllt und der Kolben 214 in seiner äußersten rechten Stellung angekommen ist.
- Durch das Befüllen entstehen Schubkräfte auf den Kolben 214, resultierend aus dem Treibgasfülldruck multipliziert mit der wirksamen Kreisringfläche, die einer Stirnfläche des Ringspaltes des Treibgasfüllraumes 224 entspricht. Dies führt zu einem Kolbenhub. Im Verlaufe dieses Hubes, der sich an die in
Figur 2 gezeigte Betriebsstellung anschließt, sind die Schubkräfte, die auf die Kreisringfläche des rechten Kolbens 214 wirken gleich bleibend. Das Treibgas dehnt sich in diesem Schritt noch nicht aus. - Durch die geöffneten Überstromventile 226 beim linken Zylinder 204 dehnt sich hier das Treibgas in den Füllraum 224 aus und führt zu Expansionskräften, die sich aus dem momentanen Expansionsdruck multipliziert mit der wirksamen Kolbenfläche ergibt. Die wirksame Kolbenfläche ist die Größe der Kreisfläche der Stirnseite des Kolbenkörpers 220.
- Die auf den gemäß der Darstellung der
Figur 2 linken Kolben 214 wirkenden Expansionskräfte sind infolge der abfallenden Druckkurve, also des abnehmenden Drucks zunächst sehr groß, wobei der Maximaldruck näherungsweise dem Fülldruck entspricht, und nehmen ggf. bis null ab, wenn sich der Druck bis zum atmosphärischen Druck verringert. In diesem Fall ergeben sich keine Energieabflüsse durch ungenutzten entweichenden Restdruck. -
Figur 3 zeigt die Expansionsmaschine kurz vor dem Erreichen des rechten inneren Richtungsumkehrpunktes, also kurz bevor bei dem linken Zylinder 204 die Kolbenstirnwand 222 das Füllventil 212 erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt gibt die MSR den rechten Auslassventilen 208 den Schließbefehl, infolge dessen sich ein Resttreibgaspolster aufbaut, welches die kinetische Energie, aus der sich bewegenden Lineareinheit, nämlich den Kolben 214 und der Kolbenstange 230, aufnimmt und diese dabei auf Geschwindigkeit 0 abbremst und sofort wieder in die andere Richtung linear beschleunigt. - Während im Vergleich zum Stand der Technik bei Motoren die notwendigen Umkehrbeschleunigungskräfte der linear wirkenden Massen wie Kolben, Pleuel usw. aus dem Energiepotential der Schwungmasse entnommen werden muss, werden diese Kräfte direkt umgelenkt und bewirken nur einen geringen Richtungsumkehrverlust.
- In
Figur 4 wird die Expansionsmaschine 202 in einer Betriebsstellung gezeigt, bei der Hub links ist. Am linken inneren Richtungsumkehrpunkt der Lineareinheit, nämlich der Kolben 214 und der Kolbenstange 230 angekommen, schließen die linken Überströmventile 226, öffnen die Füllventile 212 im linken Ringkanal 210, sowie die Auslassventile 208 im linken Zylinderkopf 206 und geben die expansionslose Treibgasfüllung des Treibgasfüllraumes 224 frei. Gleichzeitig öffnen sich ebenfalls regelmäßig gesteuert die Überströmventile 226 im gemäß der Darstellung derFigur 4 rechten Kolben 214 und eröffnen damit den Expansionsprozess des rechten zuvor gefüllten Treibgasfüllraums 224. - Damit entfalten beide Kolben 214 ihre Schub- bzw. Expansionskräfte sich gegenseitig addierend nach links. Im Verlaufe ihres Hubes sind die Schubkräfte auf die Kreisringfläche des linken Kolbens - resultierend aus dem Treibgasfülldruck mal der wirksamen Kreisringfläche - gleich bleibend. Die auf den rechten Kolben 214 wirkenden Expansionskräfte sind infolge der abfallenden Druckkurve zunächst sehr groß, wobei auch hier der Maximaldruck etwa dem Fülldruck entspricht und sich bei restloser Expansion bis auf Umgebungsdruck abbauen kann. Ein positiver Drehmomenteintrag von ca. 96% wird angestrebt. Baut sich der Expansionsdruck bis auf Umgebungsdruck ab, so ergeben sich hier keine Energieabflüsse durch ungenutzten entweichenden Restdruck.
- Kurz vor dem Erreichen des linken inneren Richtungsumkehrpunktes, wie in der
Figur 5 dargestellt ist, gibt die MSR den linken Auslassventilen 208 den Schließbefehl, infolge dessen sich ein Resttreibgaspolster aufbaut, welches die kinetische Energie aus der sich bewegenden Lineareinheit, bestehend aus den Kolben 214 und der Kolbenstange 230, aufnimmt, diese dabei auf Geschwindigkeit 0 abbremst und sofort wieder in die andere Richtung linear beschleunigt. - Mit dem Erreichen des linken inneren Richtungsumkehrpunktes steht der unter Bezugnahme auf die
Figuren 2 bis 5 bislang beschriebene Linearzyklus an seinem Ausgangspunkt und beginnt einen neuen Linearzyklus mit gleichem Ablauf. - Mit diesem beschriebenen Linearzyklus wird die zuvor im Treibgasreaktor erzeugte bzw. gewandelte thermisch dynamische Energie in eine lineare mechanische Energie gewandelt.
- Die beidseitig verzahnte Kolbenstange 230 weist eine Verzahnung auf, die - gemäß
Figur 2 - oben und unten mit jeweils einem Zahnkranz 232 im Eingriff steht. Bewegt sich die Kolbenstange 230 nach rechts so entsteht im oberen Zahnkranz 232 ein links drehendes Drehmoment und im unteren Zahnkranz 232 ein rechts drehendes Drehmoment. Bewegt sich die Kolbenstange 230 nach links so entsteht im oberen Zahnkranz 232 ein rechts drehendes Drehmoment und im unteren Zahnkranz 232 ein links drehendes Drehmoment. - Somit ist eine Kraftdrehmomentwandlung möglichst optimal, da der wirksame Hebelarm immer gleich groß bleibt und konstruktiven Wünschen angepasst werden kann.
- Die Freiläufe 234 sind zwischen beiden Zahnkränzen 232 und den Radnaben 236, die entsprechende Kettenradverzahnungen aufweisen, angeordnet. Die Aufgabe der Freiläufe 234 besteht darin, die wie hier gezeigten jeweils links drehenden Drehmomente auf die Radnaben 236 zu übertragen, bzw. die jeweils rechts drehenden Drehmomente nicht auf die Radnaben 236 zu übertragen. Wünscht man eine rechts drehende Expansionsmaschine 202, so muss nur die Wirkrichtung der Freiläufe 236 gewechselt werden.
- Die Aufgaben der mit den Radnaben 236 drehmomentfest verbundenen und radial, sowie axial gelagerten Antriebswellen, bestehen darin, die erzeugten Drehmomente - die erzeugten Leistungen der Expansionsmaschine mit weiteren Elementen zu koppeln, bzw. an einen Leistungsabnehmer weiter zu leiten.
- Der Kettentrieb 240 ist zur Synchronisation der Drehmomente an beiden Radnaben vorgesehen, dessen Aufgabe darin besteht beide Abtriebswellen 242 drehmomentfest zu synchronisieren und darüber hinaus eine Drehmoment- bzw. Leistungsübergabe der Gesamtleistung wahlweise an beiden Abtriebswellen 242 zu ermöglichen.
- Es ist zu beachten, dass die
Figuren 2 bis 5 dieselbe Expansionsmaschine 202 schematisch darstellen, auch wenn evtl. bei der Darstellung einige Abweichungen in der Größe vorhanden sein sollten. DieFiguren 2 bis 5 unterscheiden sich in den jeweils dargestellten Betriebszuständen. -
Figur 6A verdeutlicht das Zusammenwirken der Treibgaserzeugungseinrichtung 2 mit einer damit gekoppelten Expansionsmaschine 202. Die Treibgaserzeugungseinrichtung 2 erzeugt Treibgas in den beiden Treibgasreaktoren 5. Die Treibgasreaktoren 5 sind mit ihren Treibgasdruckbehältern 4 mit den Zylindern 204 der Expansionsmaschine 202 so gekoppelt, dass Treibgas aus dem Auslass 18 des Treibgasdruckbehälters den Ringkanälen 210 zugeführt wird und so an den Füllventilen 212 bereitgestellt wird. - Die MSR 10 ist zum gleichzeitigen Steuern der Treibgasreaktoren 5 und der Expansionsmaschine 202 vorgesehen. Es können dabei Messwerte von den Treibgasreaktoren 5 und der Expansionsmaschine 202 berücksichtigt werden. So kann ein Messwert der Druck in dem Treibgasfüllraum 224 sein.
- Gemäß
Figur 6A ist die Bewegungsrichtung der Lineareinheit bestehend aus den Kolben 214 und der Kolbenstange 230 gemäß der Darstellung nach rechts gerichtet und führt zu einer Kraft- und Drehmomentübertragung über den oberen Zahnkranz 232 und die Drehrichtung ist hierbei links herum gerichtet. In derFigur 6B ist die Bewegungsrichtung der Lineareinheit gemäß der Darstellung nach links gerichtet und führt zu einer Kraft- und Drehmomentübertragung über den unteren Zahnkranz 232 und die Drehrichtung ist ebenfalls links herum gerichtet. In beiden Fällen, die inFigur 6A undFigur 6B dargestellt sind, ist das Drehmoment an den Radnaben 236 links herum gerichtet. Die beiden Zahnkränze 232 drehen sich jedoch entgegengesetzt und mit wechselnder Richtung. - Der Treibgasreaktor 705 der
Figur 7 weist eine Brennkammer 706 mit einem Brenner 708 auf. Im Bereich des Brenners 708 wird der Brennkammer 706 Treibstoff über Einspritzdüsen 740 und Verbrennungsluft über Lufteinlässe bzw. Luftdüsen 737 zugeführt. Dabei wird der Treibstoff über Treibstoffleitungen 739 und die Verbrennungsluft über Luftleitungen 735 zugeführt. - In der Nähe der Brennkammer 706 wird weitere Druckluft über Druckluftzuführungen 750 zugeführt. Diese weitere Druckluft wird über Druckluftleitungen 752 bereitgestellt. Diese weitere Druckluft kann auch als Sekundärtreibstoff bezeichnet werden, der die Temperatur des Treibgases senkt und dessen Volumen vergrößert.
- Ein Teil der Druckluftzuleitungen 752 verläuft unmittelbar außerhalb der Brennkammer 706 und bildet dadurch für die Brennkammer 706 eine zweite Wandung aus. Hierdurch wird einerseits die Brennkammer 706 nach außen thermisch isoliert, was andererseits auch zu einer Erwärmung der in dieser doppelten Wandung zugeführten weiteren Druckluft führt. Die Druckluft wird somit vor dem Zuführen im Bereich der Druckluftzuführungen 750 erwärmt, um den Prozess in dem Treibgasreaktor 705 zu begünstigen.
- Über Zuführungsleitungen 748 wird dem Treibgasreaktor 705 Wasser und/oder Wasserdampf über Zuführungen 749 unter Druck zugeführt. Die Zuführungen 749 sind gemäß
Figur 7 noch oberhalb der Druckluftzuführungen 750 angeordnet. Das Wasser soll in dem erzeugten Treibgas im Wesentlichen thermisch wirken, nicht jedoch unmittelbar auf den Verbrennungsprozess in der Brennkammer 706 einwirken. Ein Teil der Zuführungsleitungen 748 werden außerhalb der Brennkammer 706 aber innerhalb einer Isolierungswandung 745 geführt, so dass eine weitere Doppelwandigkeit entsteht, die die Isolierung des Treibgasreaktors 705 nach außen erhöht und gleichzeitig zu einer Erwärmung des Wassers bzw. Wasserdampfs in den Zuführungsleitungen 748 führt. Das Wasser bzw. der Wasserdampf wird somit erwärmt dem Treibgasreaktor 705 zugeführt. Die Zuführung des Wasserdampfes führt zu einer Volumenerhöhung des Treibgases bei gleichzeitiger Temperaturminderung und das Wasser bzw. Wasserdampf kann somit auch als weiterer Sekundärtreibstoff bezeichnet werden. Generell kann der Begriff Wasser von der Bedeutung her auch Wasserdampf beinhalten. - In der Brennkammer 706 erfolgt somit durch Zuführung von Treibstoff über die Einspritzdüsen 740 und Verbrennungsluft über die Luftdüsen 737 eine Verbrennung, die durch das Zuführen weiterer Druckluft im Bereich der Druckluftzuführungen 750 noch unterstützt werden kann. Hierbei wird ein heißes Treibgas mit höherem Druck und geringerer Temperatur erzeugt. Eine weitere Volumenerhöhung und Temperaturabsenkung wird durch das Zuführen des Wassers im Bereich der Wasserzuführungen 749 erreicht. Das so erzeugte Treibgas kann schließlich durch den Auslass 718 den Treibgasreaktor 705 verlassen und einer weiteren Verbindung, insbesondere einer Expansionsmaschine zugeführt werden.
- Der Treibgasreaktor 805 der
Figur 8 weist einen Treibgasdruckbehälter 804 auf, dessen Innenraum 803 sich unmittelbar an eine Brennkammer 806 anschließt. In die Brennkammer 806 wird im Bereich eines Brenners 808 über eine Brennstoffeinspritzdüse 840 Brennstoff in die Brennkammer 806 geleitet. Verbrennungsluft wird über Luftdüsen 837 ebenfalls in die Brennkammer 806 eingeleitet. Nach einer Zündung verbrennt der Treibstoff mit der Verbrennungsluft zu einem Brenngas in der Brennkammer 806 und gelangt von da aus weiter in den Treibgasdruckbehälter 804. - Die Brennkammer 806 und der Innenraum 803 sind im Wesentlichen mit einer wärmebeständigen Wand 860 umgeben.
- Außerhalb der wärmebeständigen Wand 860 wird ein erster Sekundärtreibstoff über einen ersten Sekundärtreibstoffkanal 851 zugeführt. Der Sekundärtreibstoffkanal 851 mündet in erste Sekundärtreibstoffzuführungen 850, die in der wärmebeständigen Wand 860 ausgebildet sind und das Zuführen des ersten Sekundärtreibstoffs in den Treibgasdruckbehälterinnenraum 803 ermöglichen. In diesem Bereich bei den ersten Sekundärtreibstoffzuführungen 850 ist der Verbrennungsprozess bereits vollständig oder zumindest im Wesentlichen abgeschlossen. Die Vermischung des ersten Sekundärtreibstoffs mit dem Brenngas führt zu einer Volumenvergrößerung des entstehenden Treibgases. Außerdem nimmt der erste Sekundärtreibstoff hierbei Wärme von dem Brenngas auf.
- Der erste Sekundärtreibstoffkanal 851 ist nach außen hin durch eine wärmebeständige Mittelwand 862 begrenzt. Außerhalb dieser wärmebeständigen Mittelwand 862 ist ein zweiter Sekundärtreibstoffkanal 871 angeordnet, der einen zweiten Sekundärtreibstoff dem Innenraum 803 des Treibgasdruckbehälters 804 und damit des Treibgasreaktors 805 bereitstellt. Gemäß dem Treibgasreaktor 805 der
Figur 8 ist vorgesehen, als ersten Sekundärtreibstoff Druckluft zuzuführen und als zweiten Sekundärtreibstoff Wasserdampf zuzuführen. - Der zweite Sekundärtreibstoffkanal 871 mündet in zweite Sekundärtreibstoffzuführungen 870, die den zweiten Sekundärtreibstoff in den Innenraum 803 einleiten können. Der zweite Sekundärtreibstoff wird dem zweiten Sekundärtreibstoffkanal 871 über eine zweite Sekundärtreibstoffleitung 872 zugeführt. Dabei wird mittels der zweiten Sekundärtreibstoffleitung 872 der zweite Sekundärtreibstoff um einen Treibgasauslass 818 in mehreren Windungen 874 geführt, so dass ggf. der zweite Sekundärtreibstoff hier durch wärmeaustretendes Treibgas vorgewärmt werden kann. Je nach Auslegung kann im Bereich dieser Windungen 874 aus Druckwasser Wasserdampf entstehen.
- Der zweite Sekundärtreibstoffkanal 871 ist von einer äußeren wärmebeständigen Wand 864 umgeben, die wiederum von einem druckbeständigen Gehäuse 866 umgeben ist, das somit die Brennkammer 806 und den Innenraum 803 im Wesentlichen vollständig schließt. Schließlich ist um das druckbeständige Gehäuse 866 herum eine Isolierung 868 vorgesehen. Es ist zu beachten, dass die Isolierung insbesondere dazu vorgesehen ist, Wärme in dem System zu belassen, um Energieverluste zu vermeiden. Ein Schutz vor Überhitzung wird prinzipbedingt vielmehr dadurch erreicht, dass vorhandene Wärme zur Volumenvergrößerung des Treibgases genutzt wird.
- Die Expansionsmaschine 902 der
Figur 9 umfasst zwei Expansionsteilanordnungen 903. Jede Expansionsteilanordnung 903 weist einen Zylinder 904 und einen darin geführten Kolben 914 auf. In dem Zylinder 904 ist ein Treibgasexpansionsraum 928 vorgesehen zum Befüllen mit Treibgas, damit dieses sich dort ausdehnt und zu einer Bewegung des Kolbens 914 führt. Weiterhin ist in dem Zylinder 904 ein Kompressionsraum 925 vorgesehen, der zum Komprimieren von Luft Verwendung findet. Die beiden Kolben 914 sind über eine Kolbenstange 930 mechanisch fest miteinander gekoppelt. Die Kolbenstange 930 weist eine Verzahnung an zwei Seiten auf, mit denen sie im Eingriff mit zwei Zahnkränzen 932 ist. Die Zahnkränze 932 ändern ihre Drehrichtung je nach Bewegungsrichtung der Kolbenstange 930. Über Freiläufe 934 wird eine oszillierende Bewegung der Kolbenstange 930 in ein Drehmoment mit nur einer Drehrichtung an den Radnaben 936 und damit den damit verbundenen Antriebswellen 942 umgewandelt. Für eine Synchronisation der Radnaben 936 ist ein Kettentrieb 940 vorgesehen. - Nachfolgend wird auf die beiden Expansionsteilanordnungen 903 als rechte bzw. linke Expansionsteilanordnung Bezug genommen, wobei sich die Begriffe rechts bzw. links auf die Darstellung gemäß der
Figur 9 beziehen. Zum Betreiben der Expansionsmaschine 902 wird beispielsweise auf der linken Seite Treibgas über ein Füllventil 912 dem Treibgasexpansionsraum 928 zugeführt. Das Treibgas dehnt sich daraufhin in dem Treibgasexpansionsraum 928 aus und führt damit zu einer Bewegung des linken Kolbens 914 nach rechts. Der Treibgasexpansionsraum 928 vergrößert sich dabei, wobei sich der Kompressionsraum 925 verkleinert und zu einer Kompression darin enthaltener Luft führt. In diesen linken Kompressionsraum 925 wurde zuvor durch das Luftfüllventil 962 Luft eingelassen, die nun komprimiert wird. Nach gewünschter Kompression kann die komprimierte Luft aus dem Kompressionsraum 925 über das Luftauslassventil 958 ausgelassen und einer gewünschten Verwendung, insbesondere einer Treibgaserzeugungseinrichtung als Sekundärtreibstoff bzw. Verbrennungsluft zugeführt werden. - Die beschriebene Bewegung führt außerdem zu einer Bewegung der Kolbenstange 930 nach rechts, die zu einer Linksdrehung des oberen Zahnkranzes 932 und einer Rechtsdrehung des unteren Zahnkranzes 932 führt. Bei dieser Bewegung wird die Linksdrehung des oberen Zahnkranzes 932 in ein Drehmoment mit Linksdrehung an der oberen Radnabe 936 umgewandelt. Aufgrund des Freilaufes 934 führt im unteren Zahnkranz 932 die Bewegung zu keinem Drehmoment an der Radnabe 936. Vielmehr drehen sich hierbei der untere Zahnkranz 932 und die untere Radnabe 936 gegenläufig.
- Durch die Kopplung der beiden Kolben 914 wird durch die Expansion von Treibgas in dem linken Treibgasexpansionsraum 928 auch zu einer Bewegung des rechten Kolbens 914 nach rechts, so dass sich der rechte Treibgasexpansionsraum 928 verkleinert. Hierbei ist das Auslassventil 908 geöffnet, so dass Treibgas hierdurch den rechten Treibgasexpansionsraum 928 verlässt. Dieses Treibgas weist optimalerweise Atmosphärendruck auf, weist aber gleichzeitig noch eine relativ zur Umwelt erhöhte Temperatur auf. Das aus dem Auslassventil 908 ausströmende Treibgas wird somit einem Wärmetauscher 970 zugeführt. In dem Wärmetauscher 970 kann Wärme des Treibgases an Wasser abgegeben werden, wodurch das Wasser erhitzt und als weiterer, insbesondere zweiter Sekundärtreibstoff verwendet und einer Treibgaserzeugungseinrichtung zugeführt werden kann.
- Aufgrund der Bewegung des rechten Kolbens 914 nach rechts vergrößert sich zudem der Kompressionsraum 925 in dem rechten Zylinder 904 und es kann dort Luft durch das Luftfüllventil 962 in den Kompressionsraum 925 einströmen.
- Die beiden über die Kolbenstange 930 gekoppelten Kolben 914 bilden eine bewegliche Lineareinheit und diese beiden gekoppelten Kolben 914 werden insgesamt auch als Freikolben bezeichnet. Um die beschriebene, nach rechts gerichtet Bewegung abzudämpfen kann in einer Position, bevor eine Kolbenstirnwand 922 einen Zylinderkopf erreicht, das rechte Auslassventil vor Erreichen der Endstellung dieses Freikolbens geschlossen werden, so dass eine Restmenge Treibgas in dem rechten Treibgasexpansionsraum 928 verbleibt und ein Gaspolster bildet.
- Ein zentraler Bestandteil der Erfindung ist ein Treibgasreaktor, dessen Aufgabe es ist unter möglichst optimaler Ausnutzung der im Brennstoff enthaltenen Wärmeenergie einen maximalen Treibgas-Volumenstrom unter hohem Druck zu erzeugen, um ihn einer nachgeschalteten Maschine zuzuführen.
- Die Anpassung an verschiedene Leistungszustände der Gesamtmaschine also einer Kombination des Treibgasreaktors mit einer Expansionsmaschine oder dergleichen erfolgt durch entsprechende Änderung der zugeführten Treibstoff-, Verbrennungsluft- und SKT-Mengen.
- Die Maximierung des Treibgas-Volumenstroms soll unter Berücksichtigung der Temperaturverträglichkeit der am Auslass des Reaktors - und am Einläss der Maschine - verwendeten Werkstoffe durch Einsatz von Druckluft, als Verbrennungsluft, Sekundärtreibstoffen (SKT) in Form von Druckluft, Wasser bzw. Wasserdampf erfolgen.
- Der Treibgasreaktor besteht aus einer wärmeisolierten, druckfesten Außenhülle. Zentral im unteren Bereich werden Treibstoff und die zur Verbrennung bei erhöhtem Druck notwendige Verbrennungsluft einer Kammer zugeführt, in der der Verbrennungsprozess vollständig stattfinden kann.
- Durch weitere Einlässe können SKT's in Form von zusätzlicher Pressluft, Wasser bzw. Wasserdampf eingespeist und dem Verbrennungsgas zugeführt werden wie für eine Ausführungsform in
Fig. 8 gezeigt ist. Das so erzeugte Treibgas verlässt den Reaktor durch eine Öffnung im oberen Bereich und dient zum Antrieb einer Maschine, insbesondere einer Expansionsmaschine. - Im Idealfall werden diese SKT's so zugeführt, dass deren Volumenströme die äußere Reaktorwand vor Überhitzung schützen. Gegebenenfalls ist der Einsatz einer hochtemperaturfesten Auskleidung der Brennkammer notwendig.
-
Figur 9 veranschaulicht zudem, dass das Treibgas von einer Treibgaserzeugungseinrichtung 900 kommt, die kurz als Reaktor bezeichnet wird. Dieser Treibgaserzeugungseinrichtung 900 werden Treibstoff und Verbrennungsluft zugeführt, sowie ein erster Sekundärtreibstoff SKT1, der als Druckluft durch den Kompressionsraum 925 bereitgestellt werden kann, und einen zweiten Sekundärtreibstoff SKT2, der in dem Wärmetauscher 970 als erwärmtes Wasser oder Wasserdampf vorbereitet und bereitgestellt werden kann. - Die Wärmekraftmaschine 1000 der
Figuren 10 bis 12 umfasst zwei Treibgasreaktoren 1005, die mit einer Expansionsmaschine 1102 gekoppelt sind. In den Treibgasreaktoren 1005 wird ein Treibgas erzeugt, das jeweils über einen Auslass 1018 und eine sich daran anschließende Treibgaszuführung 1019 jeweils einer Expansionsteilanordnung 1103 zugeführt werden kann. Bei der Expansionsteilanordnung 1103 kann das Treibgas grundsätzlich über ein Füllventil 1112 einem Treibgasexpansionsraum 1128 zugeführt werden. Nach einer etwaigen Expansion kann das Treibgas über ein Auslassventil 1108 wieder abgelassen werden. Dabei ist dem Auslassventil 1108 eine Auslassleitung 1109 nachgeschaltet. - Durch eine Expansion von Treibgas in dem Treibgasexpansionsraum 1128 jeweils einer der Expansionsteilanordnungen 1103 vergrößert sich der entsprechende Treibgasexpansionsraum 1128 und bewegt einen Kolben 1114 über eine Kolbenstirnwand 1122. Die beiden Kolben 1114 sind über eine Kolbenstange 1130 mechanisch gekoppelt und eine Bewegung der Kolben 1114 und somit der Kolbenstange 1130 führt zu einer Umwandlung in ein Drehmoment in der Wandlungsmechanik 1144. Die Funktionsweise der Wandlungsmechanik 1144 entspricht etwa der im Zusammenhang mit der Expansionsmaschine gemäß
Figur 9 beschriebenen. - Durch eine Bewegung der Kolben 1114 und der Kolbenstange 1130 - die zusammen eine Lineareinheit bilden - wird außerdem das Volumen der Kompressionsräume 1125 verändert. Bewegt sich ausgehend von der
Figur 10 diese Lineareinheit gemäß der Darstellung nach rechts, so verkleinert sich der linke Kompressionsraum 1125 und führt zu einer Kompression darin enthaltener Luft, die somit als Druckluft bereitgestellt werden kann. Diese Druckluft kann entsprechend an einem Luftauslassventil 1158 entnommen werden. Gleichzeitig vergrößert sich der rechte Kompressionsraum 1125 und Luft kann durch das Luftfüllventil 1162 in den Kompressionsraum 1125 einströmen. - Die Treibgasreaktoren 1005 werden mit einem Brennstoff und Verbrennungsluft betrieben. Der Brennstoff wird mittels einer Brennstoff bzw. Treibstoffpumpe 1038 und einem Kraftstoffventil 1026 zur Steuerung der Kraftstoff- bzw. Brennstoffzufuhr zugeführt. Die Verbrennungsluft wird als Druckluft durch die Expansionsmaschine 1102 bereitgestellt, wobei die Druckluft wie beschrieben im Bereich der Luftauslassventile 1158 bereitgestellt wird. Diese Druckluft wird dem Treibgasreaktor 1005 außerdem als erster Sekundärtreibstoff außerhalb der Brennkammer 1006 durch die erste Sekundärtreibstoffzuführung 1050 zugeführt.
- Weiterhin wird Wasserdampf als zweiter Sekundärtreibstoff bei den zweiten Sekundärtreibstoffzuführungen 1070 zugeführt. Der zweite Sekundärtreibstoff wird zunächst durch eine Wasserpumpe 1042 und Wassermengenregelventil 1030 mit Druck bereitgestellt. Vor der Zuführung zum Treibgasreaktor 1005 erfolgt jedoch zunächst eine Vorwärmung durch entsprechende Leitungswindungen 1076 im Bereich der Treibgasauslassleitung 1109, durch die das Treibgas aus dem Treibgasexpansionsraum 1128 ausströmt. Eine weitere Erwärmung des Wassers insbesondere zum Wasserdampf hin erfolgt dann bei weiteren Windungen 1074 im Bereich der Treibgaszuführung 1019, die sich an den Auslass 1018 des Treibgasreaktors 1005 anschließt. Das so erwärmte insbesondere zu Wasserdampf erwärmte Wasser wird dann als zweiter Sekundärtreibstoff durch die zweiten Sekundärtreibstoffzuführungen 1070 dem Treibgasreaktor 1005 zugeführt.
- Die
Figuren 11 und12 veranschaulichen nochmal - ausgehend von derFigur 10 - eine Bewegung der Lineareinheit, die aus den beiden Kolben 1114 und der Kolbenstange 1130 gebildet wird, nach rechts gemäß der Darstellung. Hiermit sollen auch die Druckverteilungen veranschaulicht werden. GemäßFigur 10 ist Treibgas in den Treibgasexpansionsraum 1128 auf der linken Seite eingeführt worden. VonFigur 10 überFigur 11 zuFigur 12 führt dieses Treibgas nun zu einer Volumenvergrößerung des linken Treibgasexpansionsraums 1128 und damit einer Druckabnahme des darin enthaltenen Treibgases. Gleichzeitig erfolgt in dem linken Kompressionsraum 1125 eine Druckzunahme der enthaltenen Luft. - Gleichzeitig wird Treibgas aus dem rechten Treibgasexpansionsraum 1128 ausgestoßen, wobei der Druck des Treibgases dort im Wesentlichen gleich bleibt, nämlich etwa Atmosphärendruck entspricht. Auch der Druck in dem Kompressionsraum 1125 im rechten Zylinder 1104 bleibt im Wesentlichen konstant, nämlich auf etwa Atmosphärendruck, da Luft durch das Luftfüllventil 1162 einströmt. Nach Erreichen der Position gemäß
Figur 12 kehrt sich der Prozess um und die Lineareinheit wird wieder nach links fahren. - Außerdem ist in den
Figuren 10 bis 12 eine zentrale Mess-, Regel- und Steuereinheit 1010 dargestellt. Diese Mess-, Regel- und Steuereinheit 1010, die abgekürzt als MRS 1010 bezeichnet wird, wird zur Steuerung sowohl der Treibgaserzeugungseinrichtung, also auch der Treibstoffpumpe 1038, dem Kraftstoffventil 1026 und der Wasserpumpe 1042 sowie dem Wasserregelventil 1030 verwendet, als auch zur Steuerung der Expansionsmaschine, also insbesondere der Ventile. Außerdem weist die Wandlungsmechanik 1144 einen gesteuerten Freilauf bzw. Kupplungsfreilauf auf, der ebenfalls durch die zentrale MRS 1010 gesteuert wird. Die zentrale MRS 1010 kann auch verwendet werden, um mehrere Wärmekraftmaschinen gemäß derFiguren 10 bis 12 zu koppeln. In diesem Fall übernimmt die MRS 1010 auch eine Gleichlaufsteuerung, so dass die Wärmekraftmaschinen, insbesondere die Expansionsmaschinen mit gleicher Frequenz bzw. bezogen auf das resultierende Drehmoment mit gleicher Drehzahl aber verschobener Phase betrieben werden. Hierdurch kann eine mechanische Gleichlaufkopplung vermieden werden, wodurch der Betrieb einer und insbesondere mehrerer Wärmekraftmaschinen flexibler und insbesondere variabler wird. - Die Wärmekraftmaschine 1300 der
Figur 13 umfasst eine Treibgaserzeugungseinrichtung 1301 mit zwei Treibgasreaktoren 1305 und einer Expansionsmaschine 1302 mit einer Wandlungsmechanik 1344. Diese Wärmekraftmaschine 1300 entspricht im Wesentlichen der Wärmekraftmaschine gemäß derFiguren 6A und6B , wobei zusätzlich ein Kompressor 1350 vorgesehen und über die Wandlungsmechanik 1344 mit der Expansionsmaschine 1302 gekoppelt ist. - Der Kompressor 1350 weist zwei erste Kompressionsräume 1352 und zwei zweite Kompressionsräume 1354 auf. Jeder zweite Kompressionsraum 1354 ist in einem Kompressionskörper, nämlich Kompressionskolben 1356 ausgebildet, wobei die Kompressionskolben 1356 über einen Zahnstangenabschnitt 1358 mechanisch fest miteinander gekoppelt sind und im Grunde einen Bewegungskörper 1360 bilden. Jeder der ersten Kompressionsräume 1352 ist in einem Zylindermantel 1362 ausgebildet, indem sich der jeweilige Kompressionskolben 1356 bewegt.
- Nachfolgend wird die Funktionsweise des Komprimierens eines gastförmigen Mediums wie Luft beschrieben, wobei sich Richtungsangaben wie rechts und links auf die Darstellung gemäß der
Figur 13 beziehen. Grundsätzlich bildet jeder erste Kompressionsraum 1352 eine erste Kompressionsstufe und jeder zweite Kompressionsraum eine zweite Kompressionsstufe. Gemäß der Darstellung derFigur 13 bewegt sich der Kompressionskolben 1356 nach links und komprimiert dabei Luft in dem ersten Kompressionsraum 1352 der linken Seite, die zuvor durch Kompressoreinlassventile 1364 eingeströmt ist. Bei dieser Kompression im ersten Kompressionsraum 1352 auf der linken Seite strömt Luft mit zunehmender Kompression durch Verbindungsventile 1366 in den zweiten Kompressionsraum 1354. Es wird hierbei die erste Kompressionsstufe im linken Teil des Kompressors 1350 vorgenommen. - Im rechten Teil des Kompressors 1350 wird die zweite Kompressionsstufe gemäß der Betriebsstellung in der
Figur 13 durchgeführt. Bereits komprimierte Luft befindet sich in dem zweiten Kompressionsraum 1354 dieser rechten Seite und wird durch die nach links gerichtete Bewegung des Kompressorkolbens 1356 weiter komprimiert, indem sich der zweite Kompressionsraum 1354 bedingt durch die Bewegung des Kompressorkolbens 1356 verkleinert. Die in dieser zweiten Stufe komprimierte Luft kann durch ein Kompressorauslassventil 1368 in einen Kompressorauslassbereich 1370 gelangen und von dort schließlich einer weiteren Verwendung zugeführt werden. - Bei der genannten Bewegung des Kompressionskolbens 1356 vergrößert sich zudem im rechten Teil der erste Kompressionsraum 1352 und Luft kann durch die Kompressoreinlassventile 1364 einströmen, um gleichzeitig eine erste Kompressionsstufe vorzubereiten. Bei dem Kompressor 1350 ist der Bewegungskörper 1360, der aus den beiden Kompressionskolben 1356 und dem Zahnstangenabschnitt 1358 besteht, im Grunde das einzige bewegliche Teil, mit Ausnahme der beweglichen Elemente der Ventile. Der Bewegungskörper 1360 bewegt sich somit relativ zu dem Zylindermantel 1362 und dem Kompressorauslassbereich 1370. Zum Erzeugen der oszillierenden Bewegung des Bewegungskörpers 1360 ist dieser über den Zahnstangenabschnitt 1358 mit dem oberen Zahnkranz 1332 der Wandlungsmechanik 1344 gekoppelt, wobei der Zahnkranz 1332 durch die Kolbenstange 1330 der Expansionsmaschine 1302 bewegt wird. Somit ist die Bewegung des Bewegungskörpers 1360 des Kompressors 1350 entgegengesetzt der Bewegung der Kolbenstange 1330 der Expansionsmaschine 1302.
- Zur Funktionsweise der Wärmekraftmaschine im übrigen wird auf die Beschreibung zu anderen Ausführungsformen einschließlich der Ausführungsformen der
Figuren 6A und6B verwiesen. Die durch den Kompressor 1350 erzeugte komprimierte Luft kann in den Treibgasreaktoren 1305 beispielsweise als Verbrennungsluft oder auch als ein Sekundärtreibstoff verwendet werden. - Auch zu der
Figur 13 ist zu erwähnen, dass die Darstellung schematisch ist und keinen Rückschluss auf etwaige Größenverhältnisse zulässt. - Die Wandlungsmechanik 1444 der
Figur 14 weist zwei Zahnkränze 1432 auf, die drehbar in einem Gehäuse 1446 gelagert sind. Zwischen den beiden Zahnkränzen 1432 ist eine erste verzahnte Kolbenstange 1430 einer ersten Expansionsmaschine gelagert und ist mit beiden Zahnkränzen 1432 im Eingriff. Eine zweite Kolbenstange 1429 einer zweiten Expansionsmaschine ist nur mit einem Zahnkranz 1432 im Eingriff. Die Kolbenstangen 1429 und 1430 bewegen sich gegenläufig und gemäß der Darstellung derFigur 14 ist die erste Kolbenstange 1430 in einer nach links bewegten Position und entsprechend die zweite Kolbenstange 1429 in einer nach rechts bewegten Position dargestellt. Die Bewegung der ersten Kolbenstange 1430 wird unmittelbar auf den oberen oder unteren Zahnkranz 1432 übertragen. Die Bewegung der zweiten Kolbenstange 1429 wird unmittelbar auf den unteren Zahnkranz 1432 übertragen und über den unteren Zahnkranz die erste Kolbenstange 1430 indirekt auf den oberen Zahnkranz 1432, wobei die genannten Richtungsangaben sich auf die Darstellung gemäß derFigur 14 beziehen. - Die Drehbewegung der Zahnkränze 1432 wird je nach Richtung durch den oberen oder unteren Zahnkranz 1432 in ein Drehmoment übertragen.
- Die Kraft- und Drehmomentwirkungen sind in
Figur 15 veranschaulicht, demnach die obere Kolbenstange 1430 eine Kraft F1 mit wechselnder Richtung ausüben kann und die zweite Kolbenstange 1429 eine Kraft F2 ebenfalls mit wechselnder Richtung. Führt die erste Kolbenstange 1430 eine - bezogen auf die Darstellung derFigur 15 - nach rechts gerichtete Kraft F1 aus, so wird diese auf den oberen Zahnkranz 1432 in ein links herum gerichtetes Drehmoment M1 übertragen, das weiter auf die Radnabe 1436 übertragen wird. Hierbei übt die zweite Kolbenstange 1429 eine nach links gerichtete Kraft F1 aus, die übertragen wird auf den unteren Zahnkranz 1432, von dort auf die erste Kolbenstange 1430 und von dort weiter auf den oberen Zahnkranz 1432, wo diese zu einem links herum gerichteten Drehmoment M2 führt. Die Drehmomente M1 und M2 addieren sich. - Ist die Kraft F1 der ersten Kolbenstange 1430 nach links gerichtet, so wird diese auf den unteren Zahnkranz 1432 als nach links gerichtetes Drehmoment M1 und von dort weiter auf die Radnabe 1436 übertragen. Hierbei ist die Kraft F2 der zweiten Kolbenstange 1429 nach rechts gerichtet und wird direkt auf den unteren Zahnkranz 1432 übertragen und führt dort zu einem links herum gerichteten Drehmoment M2. Auch hier addieren sich die Drehmomente M1 und M2. Es ist zu beachten, dass die Radnaben 1436 über einen Kettentrieb 1440 gekoppelt sind und entsprechendes Drehmoment wahlweise an der oberen und/oder unteren Radnabe 1436 abgenommen werden kann. Gemäß dieser Ausführungsform ist auf einfache Weise eine Kopplung zweier Expansionsmaschinen mit nur einer Wandlungsmechanik erzielbar. Es braucht lediglich eine zweite Führung für die zweite Kolbenstange 1429 vorgesehen werden.
- Der Treibgasreaktor 1605 gemäß der Ausführungsform der
Figur 16 arbeitet mit einem Brennstoff und Verbrennungsluft sowie drei Sekundärtreibstoffen, nämlich Druckluft als erster Sekundärtreibstoff SKT1, Wasserdampf als zweiter Sekundärtreibstoff SKT2 und Wasser als dritten Sekundärtreibstoff. Eine Mess-, Regel- und Steuereinheit 1610, kurz als MRS 1610 bezeichnet, steuert die Zuführung der genannten fünf Stoffe. Ein Kompressor 1636 erzeugt Druckluft und weist zudem einen Druckluftbehälter zum Speichern von Druckluft auf. Die Druckluft wird der MRS 1610 zugeführt und dort zum einen als Verbrennungsluft für die Verbrennung in der Brennkammer 1606 bereitgestellt und andererseits als Sekundärtreibstoff SKT1 dem Treibgasreaktor 1605 zugeführt. Wasser erreicht die MRS 1610 unter Druck und wird von da zum einen direkt dem Treibgasreaktor 1605 zugeführt und zum anderen einem Wärmetauscher 1680 zugeführt, so dass das Wasser den Wärmetauscher 1680 als Wasserdampf verlässt und somit als zweiter Sekundärtreibstoff SKT2 dem Treibgasreaktor 1605 zugeführt werden kann. Die Erwärmung in dem Wärmetauscher 1680 erfolgt durch Treibgas, das die dargestellte Expansionsmaschine 1602 verlässt. Nachdem das Treibgas in dem Wärmetauscher 1680 Wärme an das Wasser abgegeben hat, verlässt dieses den Wärmetauscher 1680. - In dem Treibgasreaktor 1605 ist die Brennkammer 1606 angeordnet und von einer wärmebeständigen Wand 1660 umgeben. Außerhalb der wärmebeständigen Wand 1660 strömt das Wasser, das von einer Mittelwand 1662 umgeben ist. Außerhalb der Mittelwand 1662 strömt teilweise der erste Sekundärtreibstoff SKT1 und teilweise der zweite Sekundärtreibstoff SKT2. Schließlich ist der Treibgasreaktor, insbesondere die Führung des ersten und zweiten Sekundärtreibstoffs von der äußeren Wand 1664 umschlossen. Der erste und der zweite Sekundärtreibstoff SKT1 und SKT2 werden mittels Rohre 1669 durch die Mittelwand 1662, im wesentlichen quer durch den Kanal 1661 und durch die wärmebeständige Wand 1660 hindurch zum Innenraum 1603 des Treibgasreaktors 1605 geleitet. Weiter zum Auslass 1618 des Treibgasreaktors 1605 hin wird erst das Wasser dem Treibgas zugegeben. In Strömungsrichtung des Treibgases gesehen daran anschließend ist eine Begrenzungswand 1617 im Grunde im Auslass 1618 vorgesehen. Im Anschluss daran wird das Treibgas über entsprechende Leitungen der Expansionsmaschine zugeführt. Vorzugsweise wird der dritte Sekundärtreibstoff in einer Anlaufphase dem Treibgasreaktor zugeführt. Der zweite Sekundartreibstoff wird vorzugsweise nach der Anlaufphase zugeführt und die Zuführung des dritten Sekundärtreibstoffs wird dabei zurückgefahren.
-
Figur 17 zeigt einen Zylinderkopf 1701 einer Expansionsmaschine. An dem Zylinderkopf 1701 ist ein Mantelrohr 1702 angeordnet, indem wiederum ein Zylinder 1703 angeordnet ist. In dem Zylinder 1703 wird ein Kolben 1704 beweglich geführt. In dem Kolben 1704 ist ein sogenannter Stauchkolben 1741 angeordnet, der grundsätzlich fest mit dem Kolben 1704 verbunden ist. In der Flucht mit dem Stauchkolben 1741 ist eine Kammer mit Schmieröl bzw. Stauchdämpfungsöl 1705 angeordnet. - Bei der bestimmungsgemäßen Bewegung des Kolben 1704 in dem Zylinder 1703 strömt Treibgas durch ein Einlassventil 1706 in den zylindrischen Raum, in dem sich der Kolben 1704 bewegt und schiebt den Kolben 1704 gemäß der Darstellung der
Figur 17 nach links. Kehrt der Kolben 1704 zurück, so ist das Einlassventil 1706 geschlossen und ein Auslassventil 1707 geöffnet. Treibgas wird dann durch den Kolben 1704 aus dem Auslass beim Auslassventil 1707 herausgedrückt. Um hierbei den Kolben 1704 in seiner Bewegung abzudämpfen, kann das Auslassventil 1707 vor Erreichen der Endposition durch den Kolben 1704 geschlossen werden, so dass durch das verbleibende Treibgas ein Dämpfungskissen gebildet wird, das den Kolben 1704 abfedert und dabei gleichzeitig in die entgegengesetzte Richtung beschleunigen kann. - Sollte eine Fehlfunktion auftreten, bei der Beispielsweise diese vor Abschließung des Auslassventils 1707 versagt, würde der Kolben 1704 seine Bewegung fortsetzen und eine Beschädigung des Zylinderkopfes 1701 bestände. Um dies abzufedern ist eine Notkompressionskammer 1711 vorgesehen, in die sich der Kolben 1704 dann bewegen würde. Sobald der Kolben mit einer Stirnseite am Anfang der Notkompressionskammer 1711 angekommen ist, führt dies zu einer zwangsweisen Schließung des Kanals 1709 des Einlassventils 1706 und des Kanals des Auslassventils 1707. Der Kolben wird dann in der Notkompressionskammer 1711 abgefedert.
- Als weitere Sicherheitsmaßnahme ist die Kammer mit dem Schmieröl bzw. Stauchdämpfungsöl 1705 vorgesehen. Sollte die Dämpfung durch die Notkompressionskammer 1711 nicht ausreichen, so kann sich der Stauchkolben 1741 im Grunde von der Bewegung des restlichen Kolbens 1704 lösen und weiter in die Kammer mit dem Stauchdämpfungsöl 1705 gelangen und dort abgedämpft werden.
- Im Übrigen ist zwischen dem Mantelrohr 1702 und dem Zylinder 1703 ein Temperaturausgleichsraum vorgesehen, in dem ggf. eine Thermofüllung vorhanden ist, die einen Temperaturausgleich entlang, also in Längsrichtung des Zylinders 1703, erreichen soll, insbesondere einen Ausgleich hoher Temperaturen im Bereich des Zylinderkopfes 1701 in die davon abgewandte Richtung des Zylinders 1703.
- Der Kolben 1801 in der
Figur 18 ist mit einem Stauchkolben 1802 versehen, die über Scherstifte 1803 fest miteinander verbunden sind. In der Flucht des Stauchkolbens 1802 ist ein Stauchraumzylinder 1806 angeordnet, in den der Stauchkolben 1802 im Grunde teilweise eingesetzt ist. Eine Dichtung erfolgt mittels des Dichtrings 1804. Im bestimmungsgemäßen Betrieb bewegt sich der Stauchkolben 1802 somit zusammen mit dem Kolben 1801. Der Kolben 1801 wird dabei in einem nicht dargestellten Zylinder mittels der Führungsringe 1805 geführt. Zur Schmierung des Kolbens 1801 wird Schmieröl über eine Schmierölzuführung 1808 dem Stauchraum 1806 zugeführt. Über Schmieraustritte 1809 gelangt das Schmieröl zur Außenseite des Kolbens 1801 und kann diesen gegenüber einem Zylinder in dem der Kolben 1801 geführt wird, schmieren. Hierzu ist im Übrigen der Kolbenringsatz 1807 vorgesehen. - Im Falle einer Fehlfunktion, bei der der Kolben 1801 durch den Stauchkolben 1802 in seiner Bewegung weiter als gewünscht gemäß der Darstellung der
Figur 18 nach rechts geschoben wird und gegen ein Hindernis insbesondere einen Zylinderkopf stößt, können die Scherstifte 1803 brechen und die Kraft von dem Stauchkolben 1802 kann durch das Schmieröl in dem Stauchraum 1806 abgedämpft werden, das hierbei weiter durch die Schmieraustritte 1809 herausgedrückt werden kann. - In einem Zylinderrohr 1902 wird Treibgas in einen Innenraum 1901 geführt bzw. es kann dort Kraft auf einen nicht dargestellten Kolben ausüben. Außerhalb des Zylinderrohres 1902 ist ein Ringspalt 1903 mit einer Thermoölfüllung vorgesehen, um Temperatur entlang des Zylinderrohrs 1902 insbesondere in Längsrichtung zu verteilen bzw. auszugleichen. Der Ringspalt 1903 ist durch ein Mantelrohr 1904 begrenzt. Um das Mantelrohr 1904 ist ein Isolationsmaterial 1905 angeordnet, das wiederum in einem Außenrohr 1906 aufgenommen ist. Erst von dem Außenrohr 1906 aus nach außen findet eine Temperaturabgabe aus dem System heraus statt, wobei an dem Außenrohr 1906 mit einer Temperatur im Bereich von 30 °C zu rechnen ist.
-
- Pos. 1 Reaktorfundament mit Vollisolation (2001)
- Pos. 2 Reaktorkörper (2002)
- Pos. 3 Zwischenrahmen (2003)
- Pos. 4 Kopf- und Sammelplatte (2004)
- Pos. 5 Isolierdeckel (2005)
- Pos. 6 Treibmittel- Kondensataufbereitung (2006)
- Pos. 7 Ventil für die Leistungssteuerung (2007)
- Pos. 8 Ventil für Kondensatdampfüberdruck (2008)
- Pos. 9 Speicherdruckbehälter (2009)
- Pos. 10 Arbeitsdruckmessanlage (2010)
- Pos. 11 Wärmequelle (Gas-Ölbrenner usw.) (2011)
- Pos. 12 Abgassteuerung (2012)
- Pos. 13 Kondensator (2013)
- Pos. 14 Kondensatpumpe (2014)
- Pos. 15 Isolationsgehäuse (2015)
- Pos. 16 Zentrale Leistungs- und Maschinensteuerungsanlage (2016)
- Pos. 17 Treibmittelleitungsnetz (2017)
- Pos. 18 Treibmitteleinspritzdüsen (2018)
- Pos. A Brennstoffzufuhrleitung
- Pos. B Luftzufuhrleitung
- Pos. C1 Arbeitsdruckleitung
- Pos. C2 Überdruckabführleitung mündet in C1
- Pos. D Auspuff- / Kondensatsammelleitung
- Pos. E Druckluftanschlussleitung
- Pos. F Abgasleitung
-
- Pos. 1 :
Das Fundament mit thermischer Vollisolation trägt den Reaktorkörper, sowie seine Aufbauten und isoliert die Wärmestrahlung der Brennkammer nach unten. - Pos. 2 :
Der Reaktorkörper besteht aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff (Kupfer, oder ähnlich) und ist abwechselnd mit Heizgaskanälen (drucklos) und Treibgaskanälen (druckbeaufschlagt) durchwirkt. Die Zeichnung zeigt im rechten Halbschnitt den Verlauf des Treibmittel- bzw. Treibgasverlaufes und im linken Halbschnitt den Verlauf der Heizgase. - Pos. 3:
Der Zwischenrahmen aus gut wärmeleitenden Werkstoff lässt einen Hohlraum zwischen dem Reaktorkörper und der Kopf- und Sammelplatte (Pos. 2 u. 4) entstehen in dem das Treibmittelleitungsnetz (Pos. 17) und die Anschlüsse der Treibmitteleinspritzdüsen (Pos. 18) Platz finden.
Ferner wird der Zwischenraum als Heizgasumlenkkammer genutzt und dient der zusätzlichen Vorwärmung des Treibmittels vor seiner Einspritzung in den Reaktor. - Pos.4 :
Die Kopf- und Sammelplatte bildet den oberen Abschluss des Reaktorkerns und sammelt alle Treibgaskanäle des Reaktorkerns über die Verbindungsrohre zum Reaktorkern zu einem, oder mehreren zentralen Arbeitsdruckleitung/en (C1) .
Des Weiteren verfügt die Kopf- und Sammelplatte über die notwendigen Durchbrüche zum Durchlass der Heizgase nach oben. - Pos. 5 :
Der Isolierdeckel bildet den oberen thermischen Abschluss des Reaktorkerns und isoliert diesen gegen den sonst auftretenden Körperkontaktwärmeabfluss nach oben.
Der Isolierdeckel verfügt über die notwendigen Durchbrüche zur Leitung der Heizgase in den Reaktorhohlraum in dem sich das Rohrnetz für die Kondensataufbereitung (Pos.6) befindet. - Pos. 6 :
Die Kondensataufbereitungsanlage besteht im Wesentlichen aus einem Rohrnetz das zu ca. 75% mit Kondensat gefüllt ist und die Restenergie der den Reaktorkern verlassenden Heizgase weitgehend entzieht um das Kondensat optimal vorzuwärmen.
Über das Ventil für die Leistungssteuerung (Pos.7) und die Anschlussleitung 17 wird das unter ca. 60 bar Druck stehende Kondensat den Treibmitteleinspritzdüsen (Pos. 18) zugeführt. Eventuell entstehende Überdrücke (größer 60 bar) werden über das Steuerventil (Pos. 8) und der Leitung C2 dem Expansionsteil der WWKM zugeführt. - Pos. 7:
In Zusammenarbeit mit der zentralen Leistungs- und Maschinensteuerungsanlage und den Wärme- und Drucksensoren der WWKM regelt dieses Ventil primär durch die Durchflussmenge des Treibmittels, das das Volumen bzw. den Druck des Treibgases im Reaktorkern entstehen lässt, womit die Leistung der WWKM Anlage geregelt wird. - Pos. 8 :
Das Ventil für den Kondensatdampfdampfüberdruck leitet eventuellen Überdruck über die Druckleitung C2 ab und führt diesen nutzbringend dem Expansionsteil der WWKM Anlage zu. - Pos. 9 :
Der Speicherdruckbehälter sorgt über seine Ventile dafür, das auch nach dem Stillstand und dem Abkühlen der WWKM Anlage genügend Treibmitteldruck ansteht um die Anlage erneut zu starten. - Pos. 10:
Die Arbeitsdruckmessanlage dient zur Aufnahme des aktuellen Arbeitsdruckes und damit verbunden mit der zentralen Maschinensteuerung zur Regelung und Steuerung des Einlassventils (Pos.9 Expansionsanlage) der Expansionsanlage. - Pos. 11 :
Die Wärmequelle ist die Energiezufuhr der WKM Maschine, sie kann sehr unterschiedlicher Art sein. Heute vorstellbar kann diese Wärmequelle durch verbrennen von Gasen, Ölen oder Kohlen, aber auch durch atomare Energie hergestellt werden.
Da das Verbrennen der v.g. Energieträger nur unter atmosphärischen Druck geschieht, kann diese besonders effektiv und umweltfreundlich geregelt und gesteuert werden. - Pos. 12 :
Die Abgassteuerungsanlage sorgt für eine thermisch und Unterdruck geregelte Leitung bzw. Ableitung und optimale Ausnutzung der Heizgase. - Pos. 13 :
Der Kondensator nimmt das ausgenutzte drucklose Treibgas der Expansionsanlage über die Sammelleitung D auf und kühlt diese nur soweit zurück das wiederum möglichst warmes, flüssiges Treibmittel entsteht. - Pos. 14:
Die Kondensatpumpe nimmt das kondensierte Treibmittel vom Kondensator drucklos kommend auf und fördert es in die unter Druck stehende Kondensataufbereitungsanlage. - Pos. 15 :
Das Isolationsgehäuse isoliert den gesamten Reaktor gegen Wärmeverlust nach außen. - Pos. 16 :
Die zentrale Leistungs- und Maschinensteuerungsanlage kontrolliert alle Maschinenzustände und regelt und Steuert alle Maschinen- und Leistungsparameter zueinander, solange diese nicht ausschließlich drehwinkelsyncron geregelt werden. - Pos. 17 :
Die Treibmittelleitung führt das Treibmittel über das Regelventil (Pos. 7) den Treibmitteleinspritzdüsen im Reaktorkern zu. - Pos. 18:
Die Treibmitteleinspritzdüsen vernebeln das Treibmittel möglichst feinnebelig in den erhitzten Treibgaskanälen, wodurch fast explosionsartig das Treibgas entsteht. -
- Pos. 1 Maschinenfundament mit Maschinengehäuse (2101)
- Pos. 2 Lagerböcke für 3 Wellen (2102)
- Pos. 3 Zahnsegmenträder ca. 180° verzahnt (2103)
- Pos. 4 Zahnräder für Synchrongetriebe (2104)
- Pos. 5 Verbindungsstange zweiseitig verzahnt (2105)
- Pos. 6 Kolbenstangen (2106)
- Pos. 7 Kolben (2107)
- Pos. 8 Zylinder kpl. mit Köpfen und Füßen (2108)
- Pos. 9 Einlassventile synchron und leistungsgesteuert (2109)
- Pos. 10 Auslassventil synchrongesteuert (2110)
- Pos. 11 Umsteuerventil synchrongesteuert (2111)
- Pos. 12 Federspeicher kpl. (2112)
- Pos. 13 Wellen / Freilaufwellen (2113)
- Pos. 14 Zentralwelle / Abtriebswelle (2114)
- Pos. 15 Synchronstangentrieb kpl. (2115)
- Pos. 16 Kolbenstangendichtung und Lagerung (2116)
- Pos. 17 Kolbendichtung und Lagerung (2117)
- Pos. 18 Abtriebswellendichtung (2118)
- L = ca. Länge der Maschine hier 7.300 mm
- H = ca. Höhe der Maschine hier 2.700 mm
- BF = ca. Breite des Maschinenfundaments hier 1.700 mm
- BG = ca. Breite des Maschinengehäuses hier 1.400 mm
- D = Zylinderdurchmesser hier 500 mm
- d = Kolbenstangendurchmesser hier 493 mm
- r = Wirkradius des Zahnsegmentrades hier 500 mm / 180° verzahnt
- D = Sammel- und Verbindungsleitung zum Kondensator
- C = Treibgasleitung zum Reaktorteil / Steuerung
-
- Pos. 1 :
Das Maschinenfundament mit dem Maschinengehäuse bildet den äußeren Rahmen der Maschine und die Verbindung zu den Zylindern. - Pos. 2:
Die Lagerböcke stehen auf dem Maschinenfundament und beinhalten die Lagerungen der Maschinenwellen. - Pos. 3 :
Die Zahnsegmenträder schaffen die formschlüssige Verbindung der Zahnstange mit den Maschinenwellen bzw. deren Freilauf beim jeweiligen Rückhub der Maschine. - Pos. 4 :
Die gleich dimensionierten Zahnräder schaffen in der gezeigten Verbindung mit den Wellen und den Zahnsegmenträdern die Kraft- bzw. Drehmomentübertragung von den krafterzeugenden Lineareinheiten zur Abtriebswelle und synchronisieren alle Teile zueinander. - Pos. 5 :
Die Verbindungsstange verbindet beide Kolbenstangen miteinander und leitet die erzeugten Kräfte in die Zahnsegmenträder ab. - Pos. 6 :
Die Kolbenstangen bilden gemeinsam mit den Kolben und deren Dichtungen sowie den Zylindern die krafterzeugenden Lineareinheiten. - Pos. 7 :
Die Kolben beinhalten die Umsteuerventile und sind Bestandteil der Lineareinheiten. - Pos. 8 :
Die Zylinder kpl. bestehen aus den Zylinderrohren in denen die Kolben mit ihren Dichtungen laufen, sowie aus den Zylinderköpfen mit den Auslassventilen und den Zylinderfüßen mit den Kolbenstangendichtungen und Einlassventilen. - Pos. 9 :
Die Einlassventile werden zum Einlasszeitpunkt synchron - und zum Schließzeitpunkt von der Maschinensteuerung beeinflusst angesteuert. - Pos. 10 :
Die Auslassventile werden synchron angesteuert. - Pos. 11 :
Die Umsteuerventile werden synchron angesteuert. Im geöffneten Zustand sorgen sie für den dann freiwerdenden Druckausgleich zwischen dem Treibmittelvolumen auf der Kolbenstangenseite und der Zylinderkopfseite, wodurch infolge der Flächendifferenz der kraftvolle Rückhub, in der Verbindung der Treibgasexpansion und der ebenfalls dabei entstehende Druckabbau auf annähernd drucklos und die Treibgasrückkühlung infolge der Expansionskälte, stattfindet. - Pos. 12 :
Der Federspeicher speichert die kinetische Energie, die aus der Bewegung und der Masse der Lineareinheit resultiert kurzfristig bei der Richtungsumkehr der Lineareinheit und führt sie dieser nach dem Richtungswechsel wieder zu. - Pos. 13 :
Die Wellen / Freilaufwellen bewerkstelligen gemeinsam mit den Lagerungen und den Zahnsegment- und den Zahnrädern die Umwandlung der Linearkräfte in Drehmoment bzw. infolge der Drehzahl in Maschinenleistung. - Pos. 14 :
Über die Zentralwelle, die Bestandteil des Wellensystems ist wird die Synchronisation der Maschineteile zueinander herbeigeführt und das Drehmoment bzw. die Maschinenleistung nach außen abgeführt. - Pos. 15 :
Die Aufgabe des Synchronstangentriebes ist ausschließlich darin zu sehen, die Lineareinheit zum Zeitpunkt des Richtungswechsels mit den rund laufenden Rädern zu synchronisieren. - Pos. 16:
Die Aufgabe der Kolbenstangendichtung und Lagerung ist es dafür zu sorgen, dass kein Treibmittelvolumenausgleich an ihnen vorbei stattfindet und die Kolbenstangen leichtgängig gelagert werden. - Pos. 17 :
Die Aufgabe der Kolbendichtung und Lagerung ist es dafür zu sorgen, dass kein Treibmittelvolumenausgleich an ihnen vorbei stattfindet und die Kolben leichtgängig gelagert werden - Pos. 18 :
Die Aufgabe der Abtriebswellendichtung ist es, das zur Schmierung der Maschine in deren Gehäuseinnenraum befindliche Schmiermittel nicht nach außen dringen zu lassen. - Die Ausgangssituation dieser Beschreibung der Maschine ist wie zeichnerisch in Zeichnung 1.00.1 und 2.00.1 dargestellt, der Reaktor ist drucklos und kalt. Die zeichnerisch dargestellte Situation wird als Drehwinkel 0° bezeichnet.
- 1. Druckluftkessel (Reaktor R. Pos.9) mit ca. 60 bar Druckluft füllen und damit die Treibmittelanlage unter Druck setzen.
- 2. Wärmequelle (Brenner R. Pos. 11) aktivieren und damit den Reaktorkern auf vorgegebene Temperatur vorheizen. Die Heizgase werden im weiteren Verlauf ihres Weges durch den Reaktor auch die Treibmittelanlage (R. Pos. 6) aufheizen und diese infolge der Ausdehnung des Treibmittels zusätzlich unter Druck setzen.
- 3. Über die Maschinensteuerung kann nun das Ventil (R. Pos.9) angesteuert werden, wodurch Treibmittel über das Treibmittelleitungsnetz (R. Pos. 17) und die Treibmitteleinspritzdüsen (R. Pos. 18) in die Treibgaskanäle eingespritzt wird, welches dort infolge der Wärme explosions-artig Treibgasvolumen entstehen lässt . Dieses Treibgasvolumen wird nun in der Sammel-platte (R. Pos. 4) zusammengeführt und über die Arbeitsdruckmessanlage (R. Pos. 10) und der Verbindungsleitung C1 der Expansionsanlage zugeführt.
- 4. Dieses Treibgasvolumen entwickelt nun abhängig vom Bewegungswiderstand der Expansionsanlage Druckvolumen welches über das linke geöffnete Einlassventil (Expansionsteil, nachfolgend E. Pos. 9 genannt) auf die Kreisringfläche des linken Kolbens (E. Pos.7) wirkt und diesen in Bewegung nach links versetzt.
- 5. Aufgrund der Verbindung der Bauteile Kolben (E. Pos. 7), Kolbenstangen (E. Pos.6) und der Verbindungsstange (E. Pos. 5) wird eine zusammenhängende Lineareinheit geschaffen, die wechselseitig jeweils richtungsabhängig mit dem zuständigen Zahnsegmentrad verzahnt im Eingriff ist und damit jeweils die von der Lineareinheit und dem Arbeitsdruck entwickelte Kraft in die Zahnsegmenträder ab- bzw. umleitet und dabei in den Wellen / Freilaufwellen (E. Pos. 13) mit denen sie drehmomentfest verbunden sind ein Drehmoment erzeugt. Auf den Wellen (E. Pos. 13) befinden sich auch drehmomentfest verbunden die gleich großen Zahnräder für das Synchrongetriebe (E. Pos. 4), welche die jeweils wechselseitigen Drehmomente drehrichtungsgleich, auf das zentrale Synchronrad (E. Pos. 4), das sich ebenfalls drehmomentfest verbunden auf der Zentralwelle / Abtriebswelle (E. Pos. 14) befindet, übertragen. Über die Zentralwelle / Abtriebswelle (E. Pos. 14) können nunmehr die jeweils wechselseitig linear erzeugten Kräfte in einem drehrichtungsgleichen Drehmoment / Leistung umgewandelt nach außen abgeleitet, bzw. dort genutzt werden.
- 6. Beim Erreichen des 1. linken Umkehrpunktes nimmt der Federspeicher (E. Pos. 12) die kinetische Energie der gesamten Lineareinheit auf und lenkt sie um 180° um. Gleichzeitig wechseln alle Ventile ihre Schaltzustände, wodurch nunmehr das über der linken Kreisringfläche stehende Druckvolumen auf die konstruktiv vorgegebene X mal größere Differenzdruckfläche wirkt und damit die Lineareinheit vom linken Federspeicher unterstützt und von der rechten Kreisringfläche und dem anstehenden Arbeitsdruck zusätzlich angetrieben die Lineareinheit nach rechts treibt. Erklärung alle Ventile : Mit Ausnahme der Einlassventile (E. Pos. 9) sind alle Ventile synchron (drehwinkelabhängig) gesteuert, dass heißt sie wechseln ihre jeweiligen Schaltzustände genau zum Zeitpunkt eines jedem Richtungswechsels der Lineareinheit.
- 7. Die Einlassventile jedoch öffnen (synchrongesteuert) immer genau zum Zeitpunkt des jeweiligen Richtungswechsels der jeweiligen Wirkrichtung nach außen, der ggf. arbeitsdruck-abhängige Schließzeitpunkt wird jedoch von der zentralen Maschinensteuerung (R. Pos. 16) über den folgenden Richtungswechsel hinausgehend beeinflusst, damit immer genügend Expansionsdruckvolumen für den Expansionshub zur Verfügung steht, wodurch keine Vakuumverluste bis zum folgenden Richtungswechsel eintreten können.
- 8. Ebenfalls genau zum Zeitpunkt des 1. Richtungswechsels verlässt das obere Zahnsegmentrad den Eingriff in die obere Verzahnung der Verbindungsstange und das untere Zahnsegmentrad greift in den unteren Teil der Verzahnung der Verbindungsstange ein und übernimmt damit die Kraft- bzw. Drehmomentübertragung, wie diese sinngemäß unter Punkt 5 erklärt wurde. Zum Zeitpunkt des wie vor beschriebenen Taktwechsels (Lineareinheit Richtungswechsel), Wechsel der Ventilschaltzustände und Wechsel der Kraft- bzw. Drehmomentverkopplung von Verbindungsstange und jeweiligen Zahnsegmentrad) sind 90° des Drehwinkels der WWKM vollendet.
- 9. Während des folgenden Taktes vollziehen sich weitere 180° Drehwinkel der Maschine, wobei sich das untere Zahnsegmentrad mit der unteren Verzahnung der Verbindungsstange im Eingriff befinden und wie vor für oben beschrieben, der Kraft- bzw. Drehmomentfluss analog für unten gewährleistet ist.
- 10. Bei 270° Drehwinkel angekommen vollzieht sich erneut der wie vor beschrieben Taktwechsel analog (Richtungswechsel der Lineareinheit verbunden mit gleichzeitigen Wechsel des Kraft- Drehmomentflusses vom unteren zum oberen Zahnsegmenteinheit und Ventilumschaltung) für die folgenden 180° Drehwinkel, womit dann mehr als 360° Funktionsablauf schlüssig dargestellt wurden und damit der folgende annähernd unendliche Funktionsablauf beschrieben ist.
- 11. Da zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht ausgeschlossen werden kann, dass durch die konstruktive Ausprägung der Verzahnung von der Verbindungsstange und der Verzahnung Zahnsegmenträder eine ausreichend sichere Synchronisation der Lineareinheit mit den rundlaufenden Teilen der Maschine sicherzustellen ist, kann ggf. der Synchronstangentrieb für die notwendige Synchronisation beim Taktwechsel sorgen. Ebenfalls möglich ist es das Zahnsegmentrad mit einem Rücklauffreilaufsystem auszurüsten damit die Zahnsegmenträder ständig im Eingriff mit den Verzahnungen der Verbindungsstange bleiben kann (diese Konstruktion ist in der Zeichnung nicht dargestellt).
-
- 1. Im Gegensatz zu allen Motorenarten muss die WWKM an keiner Stelle zum Schutz vor thermischer Beschädigung gekühlt werden.
- 2. Der Treibgasreaktor und die Expansionsmaschine (Zylinder) sollten gut gegen Wärmeabfluss isoliert werden.
- 3. Im Gegensatz zu allen Motorenarten entwickelt die WWKM bei jedem Drehwinkel infolge des konstanten Hebelarmes (r) ein Drehmoment. Alle Motoren haben in etwa zum Zeitpunkt ihrer größten Kraftfreisetzung infolge der Kurbelwellen Drehmomenterzeugung eine Hebelarmlänge die gegen 00 geht und infolge dessen annähernd kein Drehmoment erzeugt.
- 4. Im Gegensatz zu allen Motorenarten entwickelt die WWKM in jeder Drehwinkelstellung Kraft, Drehmoment und somit auch Leistung, sie ist ein echter Eintakter. Schon als Doppelanlage ist die WWKM in der Lage ein nur noch geringfügig schwankendes Drehmoment abzugeben.
- 5. Im Gegensatz zu allen Motorensystemen wird der erzeugte Treibgasdruck bei der WWKM völlig abgebaut und dabei nutzbringend in Drehmoment bzw. Leistung umgesetzt.
- 6. Die WWKM Technik ist prädestiniert zur Herstellung sehr großer Leistungen mit hohen Drehmomenten und geringen Drehzahlen.
Wird die WWKM Technik für den Antrieb immer gleicher Drehzahl und Leistung genutzt, so kann, wenn es dem Wirkungsgrad positiv beeinflusst, zur Treibgaserzeugung auch ein konventioneller Dampfkessel verwendet werden. Die hier dargestellte Reaktortechnik ermöglicht eine relativ schnelle Drehzahl- bzw. Leistungsänderung. - 7. Die WWKM Technik wird nach ihrer erfolgreich abgeschlossenen Entwicklungsphase prädestiniert sein als Antriebsmaschine für Kraftwerke, Schiffe oder Lokomotiven eingesetzt zu werden. Sie wird dort einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung dieser Anlagen besonders im Hinblick auf den ökonomischen und ökologischen Betrieb leisten.
- 8. Nach heutiger Einschätzung erscheint ein Gesamtwirkungsgrad der WWKM Technik in der Größenordnung von ca. 70 % als möglich.
-
- 1. Energieverlust durch Wärmeabfuhr, für den Selbstschutz des Motors, notwendige Kühlung um den Verbrennungsraum, Verlust ca. 32 %
- 2. Energieverlust durch Treibgasausstoß mit sehr hoher ungenutzter Temperatur, Verlust ca. 29 %
- 3. Energieverlust durch Wärmeabstrahlung des Motorblocks, Verlust ca. 7 %
- 4. Energieverlust durch schlechte Kraft- bzw. Drehmomentwandlung infolge ungünstiger Kurbelwellenstellung. Das heißt, zum Zeitpunkt der größten Krafterzeugung (Zündzeitpunkt = ca. oberer Totpunkt der Kurbelwelle) ist der Hebelarm (Wirkradius) der Kurbelwelle annähernd = 0. Im Verlauf der folgenden Drehwinkeländerung wird gleichzeitig der Wirkradius größer und die Kraft des Kolbens infolge der Expansion des Treibgases kleiner.
- 5. Energieverlust durch schlechte Ausnutzung der Expansionsarbeit. Weil die Länge des Expansionshubes gleich der Länge des vorangegangenen Kompressionshubes ist, kann ausschließlich die Volumenmenge nutzbringend expandieren, die zuvor komprimiert wurde. Durch die zwischenzeitliche Kraftstoffverbrennung hat sich jedoch das ehemalige Ansaug- bzw. Kompressionsvolumen erheblich vergrößert und damit den Druck deutlich erhöht. Beim Expansionshub kann bauartbedingt das nun sehr viel größere Treibgasvolumen nutzbringend nur bis zur Volumengröße des vorangegangenen Ansaugvolumens expandiert werden, wodurch das verbleibende, unter Restdruck stehende, Treibgasvolumen nutzlos abgeleitet werden muss.
Claims (14)
- Treibgaserzeugungseinrichtung (2) zum Erzeugen eines Treibgases unter Druck zum Verrichten mechanischer Arbeit mit
einem Treibgasdruckbehälter (4, 804) zum Erzeugen des Treibgases darin,
einer Brennkammer (6, 706, 806) mit einem Brenner (8, 708, 808) zum Verbrennen eines Brennstoffes zum Erzeugen eines Brenngases, wobei die Brennkammer so mit dem Treibgasdruckbehälter (4, 804) verbunden ist, dass das Brenngas in den Treibgasdruckbehälter (4, 804) gelangt, gekennzeichnet dadurch, dass die Treibgaserzeugungseinrichtung (2)- eine Sekundärtreibstoffzufuhr (1070) zum Einleiten von Wasserdampf als Sekundärtreibstoff in den Treibgasdruckbehälter (4, 804) zum Kühlen des Brenngases, und- eine zweite Sekundärtreibstoffzufuhr (1050) zum Zuführen eines weiteren Sekundärtreibstoffs aufweist. - Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (6, 706, 806) in dem Treibgasdruckbehälter (4, 804) angeordnet ist oder einen Teil des Treibgasdruckbehälters (4, 804) bildet.
- Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (6, 706, 806) mit Brenner- eine Brennstoffzufuhr zum Zuführen des Brennstoffs und- eine Luftzufuhr zum Zuführen von Luft aufweistund der Brenner (8, 708, 808) vorbereitet ist zum Vermischen, insbesondere Verwirbeln der Luft und des Brennstoffs und zum Starten einer Verbrennung in der Brennkammer(6, 706, 806), und die Treibgaserzeugungseinrichtung weist optional einen Luftkompressor (36, 1636) zum Erzeugen von Druckluft zum Bereitstellen der Druckluft an der Luftzufuhr oder eine Ankopplung an eine Druckluftversorgung auf, und optional ein Luftmengenregelventil (22) zum Steuern des Drucks und/oder der Menge der bereitgestellten Druckluft.
- Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Brennstoffpumpe (38, 1038) und/oder einen Brennstoffkompressor um Brennstoff der Brennkammer und/oder dem Brenner insbesondere unter Druck zuzuführen, und optional ein Brennstoffmengenregelventil (26) zum Steuern der zuzuführenden Brennstoffmenge.
- Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend eine Sekundärtreibstoffpumpe, insbesondere eine Wasserpumpe (42, 1042) um den Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser an der Sekundärtreib-stoffzufuhr unter Druck bereitzustellen zum Einleiten in den Treibgasdruckbehälter (4, 804) unter Druck und optional ein Regelventil für Sekundärtreibstoff, insbesondere ein Wassermengenregelventil zum Steuern der zuzuführenden Sekundärtreibstoff- bzw. Wassermenge, und/oder
weiter umfassend eine Steuereinheit (10, 1010) zum Steuern der Treibgaserzeugungseinrichtung (2), insbesondere der Brennstoffzufuhr, der Luftzufuhr und/oder der Sekundärtreibstoffzufuhr. - Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sekundärtreibstoffleitung (872) vorgesehen ist zum Leiten des Sekundärtreibstoffs zur Sekundärtreibstoffzuführung (870), die entlang wenigstens einer Wand des Treibgasdruckbehälters (4, 804) verläuft, um eine Vorwärmung des Sekundärtreibstoffs durch Wärme des Treibgasdruckbehälters (4, 804) zu erreichen, und/oder
der Treibgasdruckbehälter (4, 804) zumindest abschnittsweise wenigstens doppelwandig ausgeführt ist und zwischen zwei Wänden der Sekundärtreibstoff und/oder die Luft zum Zuführen zum Treibgasdruckbehälter (4, 804) bzw. der Brennkammer (6, 706, 806) geführt wird. - Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend einen Wärmetauscher (1680) zum Erwärmen wenigstens eines Sekundärtreibstoffs aus Wärme des Treibgases und/oder aus Wärme eines weiteren Mediums.
- Verfahren zum Erzeugen eines Treibgases unter Druck zum Verrichten mechanischer Arbeit unter Verwendung einer Treibgaserzeugungseinrichtung (2) mit einem Treibgasdruckbehälter (4, 804), einer mit dem Treibgasdruckbehälter (4, 804) verbundenen Brennkammer (6, 706, 806) und einer Sekundärtreibstoffzufuhr zum Einleiten von Sekundärtreibstoff in den Treibgasdruckbehälter (4, 804), umfassend die Schritte- Verbrennen eines Brennstoffes in der Brennkammer (6, 706, 806) zum Erzeugen eines Brenngases,- Leiten des Brenngases in den Treibgasdruckbehälter (4, 804) und- Einleiten von Wasserdampf als Sekundärtreibstoff in den Treibgasdruckbehälter (4, 804) zum Kühlen des Brenngases, und- Einleiten von einem weiteren Sekundärtreibstoff in den Treibgasdruckbehälter,um dadurch das Treibgas in dem Treibgasdruckbehälter (4, 804) unter Druck zu erzeugen.
- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass- das Verbrennen des Brennstoffs zu dem Brenngas unter Zuführung von Luft erfolgt,- das Treibgas Brenngas und Wasserdampf und/oder wenigstens einen Sekundärtreibstoff aufweist, insbesondere ein Gemisch aus Brenngas und Wasserdampf und/oder wenigstens einem Sekundärtreibstoff ist, und/oderdie Verbrennung unter Überdruck stattfindet.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer (6, 706, 806) Druckluft durch einen Druckluftkompressor bereitgestellt wird, optional unter zusätzlicher Verwendung eines Druckluftregelventils, und der Druck und/oder die Menge der Druckluft gesteuert wird, und/oder
der Brennkammer (6, 706, 806) und/oder dem Brenner Brennstoff mittels einer Brennstoffpumpe (38, 1038) und/oder einem Brennstoffkompressor zugeführt wird, optional unter Verwendung eines Brennstoffmengenregelventils (26), insbesondere unter Druck, und wobei die zuzuführende Brennstoffmenge gesteuert wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff ein fließfähiger Brennstoff verwendet wird, insbesondere Gas, Öl, Benzin und Diesel, und/oder
als Sekundärtreibstoff vorgeheiztes Wasser verwendet wird und/oder Wasser in den Treibgasdruckbehälter (4, 804) unter Druck eingenebelt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärtreibstoffzufuhr (850), die Brennstoffzufuhr und/oder die Druckluftzufuhr (750) abhängig von Messungen von Zuständen in der Treibgaserzeugungseinrichtung (2) erfolgt, insbesondere abhängig von Messungen der Temperatur, des Volumens, des Drucks und/oder der Zusammensetzung des Treibgases und/oder abhängig von der Temperatur im Brenner erfolgt und/oder eine Steuerung der Mengenverhältnisse und/oder des Drucks der Druckluft, des Brennstoffs und des Wassers erfolgt, und/oder
das Verfahren so gesteuert wird, dass das Treibgas den Treibgasdruckbehälter (4) etwa mit einem Druck von 10 bis 50 bar und einer Temperatur im Bereich von 750 °C bis 1200 °C verlässt. - Wärmekraftmaschine (1000) zum Erzeugen einer mechanischen Bewegung unter Verwendung eines Brennstoffs, umfassend- eine Treibgaserzeugungseinrichtung (2) zum Erzeugen eines Treibgases nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und- eine Expansionsmaschine (202, 902, 1102) zum Wandeln einer Expansion von Treibgas unter Druck in eine mechanische Bewegung, insbesondere Drehbewegung,wobei die Treibgaserzeugungseinrichtung (2) und die Expansionsmaschine (202, 902, 1102) so miteinander gekoppelt sind, dass das von der Treibgaserzeugungseinrichtung (2) erzeugte Treibgas der Expansionsmaschine (202, 902, 1102) zugeführt wird, insbesondere an wenigstens einem bzw. dem wenigstens einen Füllventil oder einem Einlassventil an einer Treibgasexpansionskammer bereitgestellt wird.
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