WO2023011997A1 - Wärmekraftmaschine - Google Patents

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WO2023011997A1
WO2023011997A1 PCT/EP2022/071006 EP2022071006W WO2023011997A1 WO 2023011997 A1 WO2023011997 A1 WO 2023011997A1 EP 2022071006 W EP2022071006 W EP 2022071006W WO 2023011997 A1 WO2023011997 A1 WO 2023011997A1
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WO
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unit
piston
fluid
heat
piston chamber
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/071006
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Zeidler
Original Assignee
SCAFFIDI DOMIANELLO, Fabrizio
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Publication date
Application filed by SCAFFIDI DOMIANELLO, Fabrizio filed Critical SCAFFIDI DOMIANELLO, Fabrizio
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/04—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using pressure differences or thermal differences occurring in nature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B31/00—Free-piston pumps specially adapted for elastic fluids; Systems incorporating such pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/008—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being a fluid transmission link

Definitions

  • the invention relates to a heat engine for generating mechanical energy from heat, having a heating unit for heating a fluid, in particular air, a compressor unit for compressing the fluid and an expansion unit for expanding the fluid. Furthermore, the invention relates to a method for generating mechanical energy from heat.
  • Corresponding heat engines are used in very different areas of technology such as, for example, to drive vehicles and aircraft, but also to mechanically drive other machines.
  • the starting point is usually thermal energy, which is obtained, for example, from the combustion of fuel and which can then be converted into mechanical energy by the heat engine.
  • corresponding heat engines have a heating unit and a compressor unit, in each of which the fluid is charged with energy. Thermal energy is supplied to the fluid in the heating unit, whereupon it heats up.
  • the fluid is condensed or compressed in the compressor unit.
  • the fluid After the fluid has been compressed and heated, it is expanded using an expansion unit, which means that the pressure is reduced again and the fluid also cools down again.
  • the mechanical energy obtained in the expansion unit can be used, for example, to directly drive a vehicle or alternatively to drive a generator, with which the mechanical energy can be converted into electrical energy.
  • the compressor unit and the expansion unit can be mechanically coupled to one another via a shaft, for example, as is also known from turbomachines.
  • the fluid can admittedly then compress without an additional source of energy, but the compression reduces the mechanical energy that can be tapped at the expansion unit.
  • the invention therefore sets itself the task of specifying a heat engine of the type mentioned at the outset, which is characterized by increased efficiency. Furthermore, the invention sets itself the task of specifying a corresponding method for generating mechanical energy from heat.
  • the compressor unit is designed as a piston unit that is fluidly coupled to the heating unit and the expansion unit and has two piston chambers that are separated from one another by a piston, with the piston being arranged in the piston unit so that it can move freely.
  • the piston unit Due to the free movement of the piston in the piston unit, it is not necessary to actively drive the piston under the supply of external energy or by diverting energy obtained by the expander unit from the expansion of the fluid. Rather, the piston can move independently as a function of the pressure levels prevailing in the piston chambers.
  • the piston is not mechanically connected to driving or driven elements, but is only moved as a result of the fluid in the two piston chambers and any pressure differences.
  • the freely movable piston thus enables the fluid to be self-compressed, in that fluid at a higher pressure can be used to compress fluid at a lower pressure without any additional supply of energy from the outside.
  • the piston unit can be designed analogously to a heat exchanger as a passive pressure transmitter which, due to an overpressure in one of the two piston chambers, can compress the fluid in the other piston chamber.
  • the heating unit, the expansion unit and the piston unit are fluidly coupled to one another in such a way that fluid flowing out of the heating unit can flow into the first piston chamber and fluid flowing out of the expansion unit can flow into the second piston chamber.
  • the heating unit or an outlet of the heating unit can be connected or fluidly coupled to the first piston chamber and the expansion unit or an outlet of the expansion unit to the second piston chamber.
  • the fluid exiting the expander unit may be at a lower pressure than the fluid exiting the heating unit such that the lower pressure fluid is passively compressed in the piston unit by the higher pressure fluid.
  • the fluid coupling can be realized by lines such as pipes or hoses.
  • the piston seals the two piston chambers from one another. This refinement thus prevents fluid from flowing from one piston chamber past the piston and thus directly into the other piston chamber.
  • the piston can be mounted in a floating manner in the piston unit in such a way that it can only move back and forth in one direction.
  • the piston unit may be of cylindrical geometry and the piston may correspondingly have the shape of a circular disk which is free to reciprocate in the direction of the longitudinal axis of the piston unit.
  • the piston unit can have guides, in particular linear guides, in which the piston can be guided and can move back and forth depending on the prevailing pressures.
  • the heating unit, the piston unit and the expansion unit are closed to one another Main circuit are connected.
  • the fluid can circulate in this closed main circuit and have different pressures and temperatures, which will be explained in more detail below. Since this is a closed main circuit, the system must be sufficiently tight on the one hand, but at the same time no dirt can penetrate the system, so that reliable functioning is also guaranteed over a longer period of time.
  • the two piston chambers of the piston unit can each have an inlet and an outlet through which the fluid can flow into the corresponding piston chamber or out of it.
  • the heating unit can be fluidly coupled to an inlet of the first piston chamber and to an outlet of the second piston chamber and the expansion unit can be fluidly coupled to the outlet of the first piston chamber and the inlet of the second piston chamber. The fluid can thus flow in the main circuit from the heating unit via the first piston space to the expansion unit and after the expansion via the second piston space back to the heating unit.
  • the fluid in the main circuit can also be moved by the piston of the piston unit or by the after-running of the expansion unit and thus also in a passive manner without additional energy supply.
  • An additional pump or a corresponding compressor can be dispensed with.
  • the heating unit, the piston unit and the expansion unit can be connected to one another via pipes or hose lines in order to implement a fluid coupling.
  • valves in particular with two inlet valves and two exhaust valves.
  • Two valves in particular an inlet valve and an outlet valve, can be assigned to each piston chamber, so that the fluid flow can be controlled by opening the valves.
  • the valves can be controlled and switched automatically, for which they can be connected to a higher-level control unit.
  • the valves can be switching valves and not shut-off valves.
  • the valves can also be connected to sensors so that they are automatically opened and closed when the sensors detect certain threshold values.
  • the valves can open and close independently depending on the piston position or depending on the pressures prevailing in the piston chambers.
  • the valves can also ensure that the fluid cannot circulate against the direction of circulation in the main circuit.
  • they can have a non-return function and, for example, be designed with a non-return flap so that, for example, no fluid can flow from the second piston chamber back into the expansion unit or from the first piston chamber back into the heating unit.
  • additional non-return valves can also be integrated into the system in order to prevent fluid flows against the direction of circulation.
  • a bypass is provided in order to bypass the expansion unit.
  • the bypass can be equipped with a valve or a bypass flap, so that it can be controlled which proportion of the fluid located in the first piston chamber is expanded in the expansion unit.
  • the bypass can enable a short circuit between the input and the output of the expansion unit.
  • the bypass it is also possible for the bypass to be integrated only after a recovery heat exchanger, which will be explained in more detail below, or at least for a branch of the bypass. In this respect, it is also possible to control what proportion is routed via the recovery heat exchanger.
  • it can also be possible to use the bypass in the opposite direction, in order to possibly supply fluid that has not yet been completely expanded to the expansion unit again. Insufficient decompression in the expansion unit can, for example, arise due to short-circuit currents.
  • the bypass can thus improve both the efficiency and the controllability of the heat engine.
  • the heating unit it has proven to be advantageous if it can heat the fluid to a predetermined and, in particular, constant temperature.
  • the decisive energy input into the fluid can take place in the heating unit and this energy can then be at least partially converted into mechanical energy in the expansion unit.
  • a preferred embodiment of the invention provides that a recovery heat exchanger is arranged between the expansion unit and the second piston chamber, with which heat can be extracted from the fluid flowing from the expansion unit into the second piston chamber.
  • the recovery heat exchanger can be connected upstream of the second piston chamber so that the fluid first flows through the recovery heat exchanger after expansion.
  • the recovery heat exchanger can be fluidly coupled to the expansion unit on the one hand and to the second piston chamber of the piston unit on the other hand, in particular via a pipe or hose connection.
  • the recovery heat exchanger can be designed as a countercurrent heat exchanger, with the heating section, ie the section from which heat is extracted, being part of the main circuit.
  • the recovery heat exchanger is fluidly coupled to the heating unit in such a way that the heat extracted by the recovery heat exchanger can be supplied to the heating unit as thermal heat.
  • the effectiveness or the efficiency of the heat engine can be further optimized by this configuration.
  • the cooling line, ie the line to which heat is supplied, of the recovery heat exchanger can be fluidly coupled to the heating unit, so that the heat extracted from the fluid of the main circuit can be used to heat the fluid of the main circuit in the heating unit.
  • this and the heating unit are connected to form a closed recovery circuit.
  • a recovery fluid can circulate in the recovery circuit, which fluid can flow back to the recovery heat exchanger after absorbing energy in the recovery heat exchanger and releasing the energy in the heating unit.
  • the recovery heat exchanger or the cooling line can be connected to the heating unit in particular via a pipe or hose line. Due to the high thermal capacity, the use of water, possibly with additives, has proven particularly useful as a fluid in the recovery cycle.
  • the recovery circuit can be equipped with a circulating pump, via which the fluid in the recovery circuit can be pumped back and forth between the recovery heat exchanger and the heating unit.
  • the recovery circuit or possibly also an additional recovery circuit is connected directly to the expansion unit.
  • the expansion unit can, for example, be equipped with an internal cooling circuit, e.g. based on oil, and the heat generated within the expansion unit can be dissipated via the or an additional recovery circuit and used to heat or preheat the fluid in the main circuit.
  • the heating unit is fluidly coupled to a heat generation unit, in particular a boiler, in order to provide thermal heat.
  • the heating unit can be supplied with heat energy by the heat generation unit in order to heat the fluid circulating in the main circuit.
  • the heating unit can also be designed as a heat exchanger in which heat provided by the heat generation unit and possibly also by the recovery fluid of the recovery circuit can be used to heat the fluid of the main circuit.
  • the heat generating unit can be a boiler, in particular a boiler that can be fired, in which a fluid or a heat transfer medium is heated and which is then fed to the heating unit.
  • waste heat can also be used, e.g. from domestic or industrial plants or power plants, or alternatively solar energy or naturally occurring temperature differences can be used to supply the heating unit and thus also the fluid of the main circuit with heat. It is also possible to use a heat pump to provide thermal energy.
  • the heat generation unit has a heat exchanger, in particular a direct evaporator, via which the working medium of the heat exchanger unit can be evaporated due to the fluid of the recovery circuit.
  • a heat exchanger in particular a direct evaporator
  • the temperature of the heat supplied by the recovery fluid can be increased via the evaporation and the heat generation unit.
  • the heat exchanger of the heat generation unit or the direct evaporator can also be part of the recovery cycle.
  • the recovery fluid can emit heat both in the heating unit and in the heat exchanger of the heat generation unit, which leads to increased efficiency.
  • the recovery fluid may flow from the recovery heat exchanger first to the heating unit and then to the heat exchanger of the heat generating unit.
  • the components can be fluidly coupled to one another by pipe or hose connections.
  • the additional recovery circuit can also be dispensed with.
  • the expansion unit can be connected to the heating unit and/or also to the direct evaporator, for example via a pipe or hose connection.
  • the expanded fluid is first guided past the piston unit so that its heat is transferred directly to the heating unit and/or the direct evaporator of the heat generation unit can give.
  • the heating unit or the direct evaporator can be connected to the inlet of the second piston chamber, so that the fluid can flow into the second piston chamber after the heat has been released.
  • the recovery heat exchanger can be dispensed with, which can have a positive effect on the efficiency.
  • the longer main circuit can result in greater pressure losses in the expanded fluid.
  • the fluid after expansion in the expansion unit can also conduct the fluid after expansion in the expansion unit to the direct evaporator, so that it can give off at least part of its heat there and then only subsequently conduct the fluid through a recovery heat exchanger.
  • the fluid after expansion, can also first be passed through the recovery heat exchanger and then through the direct evaporator before it flows into the second piston chamber.
  • the individual components can be connected to corresponding lines, for example in the form of pipes or hoses.
  • the main circuit be equipped with an expansion tank. Certain pressure and volume fluctuations in the main circuit can be regulated or dampened via the expansion tank.
  • the recovery circuit can also be equipped with a pressure equalization tank.
  • the pressure equalizing vessel can be connected to the recovery heat exchanger, for example.
  • the expansion unit it has proven to be advantageous if this is coupled to a generator for generating electrical energy.
  • mechanical energy e.g. in the form of kinetic or rotational energy of a shaft of the expansion unit
  • the electrical energy can be temporarily stored in an accumulator or used directly as useful energy.
  • the generator can be mechanically coupled to the expander unit, in particular via a shaft. According to an advantageous development of the expansion unit, it is proposed that this be designed as an expansion turbine, screw expander, scroll expander, piston expander or Wankel engine.
  • the fluid flows from the heating unit into the first piston chamber of the piston unit, as a result of which the piston is moved in the direction of the second piston chamber and the fluid located in the second piston chamber is compressed.
  • the fluid can be heated to a certain temperature in the heating unit, which also increases the pressure of the fluid.
  • the inlet valve of the first piston chamber can be opened so that the heated fluid can flow into the first piston chamber.
  • the other three valves of the piston unit can be closed. Since the heating unit continuously delivers heated fluid, the pressure and temperature of the fluid located in the first piston space can remain constant even when the piston moves and the first piston space is enlarged as a result.
  • the heating unit can be designed as a reservoir with a comparatively large volume.
  • the inflowing fluid allows the piston to move in the direction of the second piston chamber and thereby compress the fluid located in the second piston chamber.
  • the compression can lead to an increase in the temperature of the fluid in the second piston chamber.
  • the piston can move in the direction of the second piston chamber.
  • the piston does not stop in the equilibrium position when the pressure in the two piston chambers is identical, but moves on continuously, thereby reducing the volume of the second piston chamber.
  • the fluid located in the second piston chamber can flow from the second piston chamber into the heating unit after compression.
  • the outlet valve of the second piston chamber can be opened for this purpose and the compressed fluid in the second piston chamber can be conveyed through the outlet valve into the heating unit by the piston moving further in the direction of the second piston chamber due to inertia. Due to the compression, the fluid located in the second piston chamber can have approximately the same pressure as the fluid flowing out of the heating unit when it flows into the heating unit. However, the temperature can be lower.
  • the inflowing fluid can be heated in the heating unit and can flow into the first piston chamber.
  • the piston can move further in the direction of the second piston chamber and continuously reduce its volume.
  • the volume of the second piston chamber can have shrunk to a minimum.
  • the fluid in the second piston chamber can no longer be compressed, but a movement of the piston can then lead to the fluid located in the lower piston chamber being conveyed into the heating unit.
  • the volume of the second piston chamber is zero at the end of this process and the piston unit or the first piston chamber is completely filled with heated and pressurized fluid.
  • the fluid located in the first piston chamber can be expanded in the expansion unit.
  • the inlet valve of the first piston chamber and the outlet valve of the second piston chamber can first be closed and then the outlet valve of the first piston chamber can be opened. Due to the higher pressure, the fluid can flow through the expansion unit and e.g. rotate a shaft of the expanding unit. Due to this relaxation, the pressure of the fluid can drop, which can also be accompanied by cooling at the same time.
  • the thermal energy and the pressure energy of the fluid can be at least partially converted into mechanical energy.
  • the fluid can flow into the second piston chamber and the piston can thereby be moved in the direction of the first piston chamber.
  • the inlet valve of the second piston chamber can be opened.
  • the inflowing fluid and the after-running of the expansion unit or a rotatable shaft of the expansion unit can create a suction effect in the first piston chamber, as a result of which the piston can be moved in the direction of the first piston chamber.
  • the size of the first piston chamber can thus decrease continuously and the size of the second piston chamber can increase continuously.
  • the piston can be in an end position and the entire piston unit can be filled with relaxed fluid.
  • the volume of the first piston space can advantageously be zero, so that no further fluid remains in the first piston space.
  • the inlet valve of the second piston chamber can be closed and then the inlet valve of the first piston chamber can be opened.
  • reheated fluid can flow into the first piston chamber and the expanded fluid in the second piston chamber can be compressed by the piston.
  • heat is withdrawn from the fluid after the expansion and before it enters the second piston chamber.
  • This heat extraction allows the fluid to flow into the second piston chamber at a lower temperature.
  • the extracted heat is used to heat the compressed fluid.
  • the heat can be withdrawn from the expanded fluid and then given back to the fluid after compression in the piston unit.
  • it can flow into the second piston chamber before it flows passed through the recovery heat exchanger.
  • the extracted heat can be transferred to the recovery fluid via the recovery heat exchanger and thus transferred to the compressed fluid via the recovery circuit, for example by the recovery fluid releasing the heat to the heating unit. This process increases the efficiency.
  • the recovery fluid not only gives off the absorbed heat to the heating unit, but also to the heat generation unit, e.g. the direct evaporator of a heat pump, which is coupled to the heating unit and provides heating capacity for the heating unit, as explained above became.
  • the heat generation unit e.g. the direct evaporator of a heat pump, which is coupled to the heating unit and provides heating capacity for the heating unit, as explained above became.
  • Air in particular pre-compressed air, ie air with a pressure above the ambient pressure, can be used as the working medium or as the fluid of the main circuit.
  • Helium has also turned out to be advantageous with regard to the degree of efficiency to be achieved.
  • a phase transition in the main circuit is advantageously not provided.
  • other working media can also be used, such as, for example, other gases or steam.
  • FIG. 2 shows a heat engine according to FIG. 1 with an additional recovery circuit
  • FIG. 3 shows a heat engine according to FIG. 2 with an expanded recovery circuit.
  • a heat engine 10 can be used to generate mechanical energy from thermal energy in the form of heat, which can then be converted into electrical energy, for example can be converted.
  • a schematic representation of a corresponding heat engine 10 for generating mechanical energy from heat is shown in the representation of FIG. 1 .
  • the heat engine 10 essentially consists of three main components, namely a heating unit 1, an expansion unit 2 and a piston unit 3. These three components are connected to form a closed main circuit H, so that the working medium can circulate between these three components. Air is used as the working medium, which has different pressures and temperatures at different points in the process. A phase transition, however, does not take place.
  • the air is first heated to a certain temperature, for example 60 degrees Celsius.
  • a certain temperature for example 60 degrees Celsius.
  • the valves 3.4, 3.5, 3.6, 3.7 are shown in FIG. 2 and are also provided in the piston unit 3 according to FIG.
  • the piston unit 3 essentially consists of a cylindrical container in which a disk-shaped piston 3.3 is accommodated in a linearly movable manner.
  • the piston 3.3 thus separates the container into two chambers, namely a first piston chamber 3.1, which is arranged above the piston 3.3 according to the representation in FIG. 1 and a second piston chamber 3.2 arranged below the piston 3.3 according to the representation in FIG .
  • the Piston 3.3. is arranged in the piston unit 3 so that it can move freely, so that it can move back and forth only because of the pressure levels prevailing in the two piston chambers 3.1, 3.2. There is no direct connection between the two piston chambers 3.1 and 3.2.
  • the piston 3.3 is in an upper end position, so that the volume of the first piston chamber 3.1 is very small and the volume of the second piston chamber 3.2 is correspondingly large.
  • the air heated in the heating unit 1 flows through the opening of the inlet valve 3.4 into the first piston chamber 3.1 and in the process presses the piston 3.3 downwards. This is due to the fact that the pressure in the heating unit 1 is higher than the pressure of the air in the lower piston chamber 3.2, which will be explained in more detail below.
  • the pressure in the heating unit 1 can be, for example, approx. 22.73 bar and the pressure in the second piston chamber 3.2 can be, for example, 20 bar. This pressure difference moves the piston 3.3 in the direction R2, as is also illustrated in the illustration in FIG.
  • the air in the lower piston chamber 3.2 has the same pressure as the air in the upper piston chamber 3.1 and this is also heated during the compression, but the temperature of the air is significantly lower and after compression it can be 30.91 degrees, for example be centigrade.
  • this colder air then flows into the heating unit 1, it is heated there to around 60 degrees Celsius. Due to the mass inertia, the piston 3.3 continues to fall during this inflow process until it has reached the lower end position and the piston 3.3 reaches very close to the bottom of the piston unit 3. The volume of the first piston chamber 3.1 is then at its maximum.
  • the two valves 3.4 and 3.7 are closed and the outlet valve 3.5 is opened.
  • the piston unit 3 or the first piston chamber 3.1 is connected to the expansion unit 2.
  • the heated and pressurized air flows into the expansion unit 2 and is expanded there, as a result of which a shaft, which is not shown in the diagrammatic representation, is driven and in this respect mechanical energy is generated.
  • the corresponding shaft of the expansion unit 2 can be connected to a generator, not shown in the figures, which can convert the mechanical energy generated into electrical energy.
  • the pressure after relaxation can be about 20 bar and the temperature can be about 20 degrees Celsius.
  • the inlet valve 3.6 is opened so that the expanded air can flow into the second piston chamber 3.2. Because of the expansion, the pressure in both piston chambers 3.1, 3.2 is roughly the same, but the overrun of the expansion unit 2 ensures that the piston 3.3 is moved in the direction of R1 and thus in the direction of the first piston chamber 3.1. There is no compression or expansion, but basically only a promotion of the air from the first piston chamber 3.1 into the second piston chamber 3.2. When the piston 3.3 then reaches its upper end position and the second piston space 3.2 thus reaches its maximum volume and is filled with relaxed air at a pressure of, for example, 20 bar, the valves 3.5 and 3.6 are closed again.
  • a cycle is now complete and a new cycle can be started by opening the inlet valve 3.1, so that air from the heating unit 1 at, for example, approx. 60 degrees Celsius and 22.73 bar can flow into the first piston chamber 3.1 and Air can compress in the lower piston chamber 3.2.
  • FIG. 2 now shows a heat engine 10 which has an extension in the form of a recovery circuit R compared to the heat engine 10 shown in FIG. 1 .
  • the basic mode of operation of the heat engine 10 and the function of the piston unit 3 correspond to the configuration according to FIG. 1, so that reference is made to the above statements in this regard.
  • the expanded air according to FIG. Heat is extracted from the air in the recovery heat exchanger 4 and the air is cooled, so that the temperature of the air flowing into the second piston chamber 3.2 is somewhat lower in the heat engine 10 according to FIG. 2 than in the heat engine 10 according to FIG.
  • the heat extracted from the air is transferred via the recovery heat exchanger 4 to a recovery fluid, in particular water, which is heated in the recovery heat exchanger 4 in this respect.
  • the warmed-up recovery fluid is transported from the recovery heat exchanger 4 to the heating unit 1 in order to correspondingly heat up or at least preheat the air flowing out of the piston unit 3 there.
  • the required additional heating power of the heating unit 1 can be reduced as a result.
  • Heat can thus be withdrawn from the expanded air via the circulating recovery fluid or the recovery circuit R and then fed back to the compressed air.
  • a pump can be integrated into the recovery circuit R, but this is not shown in the illustration in FIG.
  • a heat generation unit 5 can be seen in FIG. 2, which can be a heat pump, for example.
  • This heat generating unit 5 can provide heating power to heat the air in the heating unit 1 .
  • a combined provision of heat output takes place in the heating unit 1, namely both by the heat generation unit 5 and at least to a certain extent by the recovery fluid circulating in the recovery circuit R.
  • the recovery circuit R has been expanded. Because the recovery fluid does not flow directly back to the recovery heat exchanger 4 after the heating unit 1, but first into a direct evaporator 5.1 of the heat generation unit 5. In the direct evaporator 5.1, small amounts of heat can also be extracted from the recovery fluid, which overall increases the efficiency of the recovery circuit R . The heat extracted from the recovery fluid in the direct evaporator 5.1 can in turn be used in the heat generation unit 5 to generate heat at a higher temperature, with which the air of the main circuit H can then be heated accordingly in the heating unit 1.
  • an expansion tank 6 is provided in the heat engine 10 according to FIG. 3, which ensures that the pressure is kept as constant as possible.
  • the expansion tank 6 can be integrated into the main circuit H.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine (10) zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme mit einer Heizeinheit (1) zur Erwärmung eines Fluids, insbesondere Luft, einer Verdichtereinheit zur Verdichtung des Fluids und einer Expandiereinheit (2) zur Entspannung des Fluids, wobei die Verdichtereinheit als eine mit der Heizeinheit (1) und der Expandiereinheit (2) fluidgekoppelte Kolbeneinheit (3) ausgestaltet ist, die zwei über einen Kolben (3.3) voneinander getrennte Kolbenräume (3.1, 3.2) aufweist, wobei der Kolben (3.3) in der Kolbeneinheit (3) frei bewegbar angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie, welches mit einer entsprechenden Wärmekraftmaschine (10) durchgeführt wird.

Description

Wärmekraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme mit einer Heizeinheit zur Erwärmung eines Fluids, insbesondere Luft, einer Verdichtereinheit zur Verdichtung des Fluids und einer Expandiereinheit zur Entspannung des Fluids. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme.
Entsprechende Wärmekraftmaschinen werden in ganz verschiedenen Bereichen der Technik wie bspw. zum Antrieb von Fahrzeugen und Flugzeugen aber darüber hinaus auch zum mechanischen Antrieb anderweitiger Maschinen eingesetzt. Ausgangspunkt ist dabei in der Regel Wärmeenergie, welche bspw. bei der Verbrennung von Treibstoff gewonnen wird und welche dann durch die Wärmekraftmaschine in mechanische Energie umgewandelt werden kann.
In der Regel weisen entsprechende Wärmekraftmaschinen eine Heizeinheit und eine Verdichtereinheit auf, in denen das Fluid jeweils mit Energie beladen wird. In der Heizeinheit wird dem Fluid thermische Energie zugeführt, woraufhin sich dieses erhitzt.
In der Verdichtereinheit wird das Fluid verdichtet bzw. komprimiert.
Nach der Verdichtung und der Erhitzung des Fluids wird dieses über eine Expandiereinheit entspannt, wodurch der Druck wieder abgebaut wird und sich das Fluid zudem auch wieder abkühlt. Die in der Expandiereinheit gewonnene mechanische Energie kann bspw. zum direkten Antrieb eines Fahrzeugs oder alternativ auch zum Antrieb eines Generators verwendet werden, mit dem sich die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln lässt.
Da in der Regel zur Verdichtung des Fluids in der Verdichtereinheit ebenfalls mechanische Energie benötigt wird, ist es bekannt, einen kleinen Teil der von der Expandiereinheit gewonnenen mechanischen Energie zur Verdichtung des Fluids zu verwenden. Die Verdichtereinheit und die Expandiereinheit können dafür bspw. über eine Welle mechanisch miteinander gekoppelt sein, so wie dies auch von Turbomaschinen bekannt ist. Zwar lässt sich bei einer derartigen Ausgestaltung das Fluid dann ohne zusätzliche Energiequelle verdichten, die Verdichtung verringert jedoch die an der Expandiereinheit abgreifbare mechanische Energie.
Wenngleich sich entsprechende Wärmekraftmaschinen in der Praxis bewährt und diese daher auch in ganz unterschiedlichen Ausgestaltungen für verschiedenste Zwecke eingesetzt werden, weisen diese jedoch beim Wirkungsgrad oftmals Verbesserungspotential auf.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, die sich durch einen erhöhten Wirkungsgrad auszeichnet. Weiterhin stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme anzugeben.
Die Aufgabe wird bei einer Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Verdichtereinheit als eine mit der Heizeinheit und der Expandiereinheit fluidgekoppelte Kolbeneinheit ausgestaltet ist, die zwei über einen Kolben voneinander getrennte Kolbenräume aufweist, wobei der Kolben in der Kolbeneinheit frei bewegbar angeordnet ist.
Durch die freie Bewegung des Kolbens in der Kolbeneinheit ist es nicht erforderlich, den Kolben aktiv unter der Zuführung von externer Energie oder durch Abzweigung von durch die Expandiereinheit aus der Expansion des Fluids gewonnener Energie abzutreiben. Der Kolben kann sich vielmehr in Abhängigkeit der in den Kolbenräumen vorherrschenden Druckniveaus selbstständig bewegen. Der Kolben ist nicht mechanisch mit antreibenden oder angetriebenen Elementen verbunden, sondern dieser wird nur aufgrund des in den beiden Kolbenräumen befindlichen Fluids und etwaiger Druckunterschiede bewegt. Der frei bewegbare Kolben ermöglicht somit eine Selbstverdichtung des Fluids, indem Fluid mit einem höheren Druck zur Verdichtung von Fluid mit einem geringeren Druck ohne zusätzliche Energiezufuhr von außen verwendet werden kann. Die Kolbeneinheit kann insofern analog zu einem Wärmeübertrager als passiver Druckübertrager ausgestaltet sein, der aufgrund eines Überdrucks in einem der beiden Kolbenräume, das Fluid in dem anderen Kolbenraum komprimieren kann.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Heizeinheit, die Expandiereinheit und die Kolbeneinheit derart miteinander fluidgekoppelt sind, dass aus der Heizeinheit ausströmendes Fluid in den ersten Kolbenraum und aus der Expandiereinheit ausströmendes Fluid in den zweiten Kolbenraum einströmen kann. Die Heizeinheit bzw. ein Ausgang der Heizeinheit kann entsprechend mit dem ersten Kolbenraum und die Expandiereinheit bzw. ein Ausgang der Expandiereinheit mit dem zweiten Kolbenraum verbunden bzw. fluidgekoppelt sein. Das aus der Expandiereinheit ausströmende Fluid kann einen geringeren Druck als das aus der Heizeinheit ausströmende Fluid aufweisen, so dass Fluid mit dem geringeren Druck in der Kolbeneinheit durch das Fluid mit dem höheren Druck auf passive Weise verdichtet wird. Die Fluidkopplung kann durch Leitungen wie Rohre oder Schläuche realisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolben die beiden Kolbenräume gegeneinander abdichtet. Diese Ausgestaltung verhindert somit, dass Fluid von einem Kolbenraum am Kolben vorbei und somit direkt in den anderen Kolbenraum strömt. Um Reibungsverluste bei einer Bewegung des Kolbens in der Kolbeneinheit zu verringern bzw. zu minimieren, kann der Kolben in der Kolbeneinheit derart schwimmend gelagert sein, dass sich dieser nur in einer Richtung hin- und her bewegen kann. Die Kolbeneinheit kann von zylinderförmiger Geometrie sein und der Kolben kann entsprechend die Form einer Kreisscheibe aufweisen, die sich in Richtung der Längsachse der Kolbeneinheit frei hin und her bewegen kann. Um eine entsprechende Bewegung des Kolbens zu ermöglichen, kann die Kolbeneinheit Führungen, insbesondere Linearführungen aufweisen, in denen der Kolben geführt sein und sich in Abhängig der herrschenden Drücke hin und her bewegen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizeinheit, die Kolbeneinheit und die Expandiereinheit zur einem geschlossenen Hauptkreislauf verschaltet sind. Das Fluid kann in diesem geschlossenen Hauptkreislauf umlaufen und dabei verschiedene Drücke und Temperaturen aufweisen, was nachfolgend noch näher erläutert werden wird. Da es sich um einen geschlossen Hauptkreislauf handelt, muss zwar auf der einen Seite eine ausreichende Dichtigkeit des Systems gewährleistet werden, gleichzeig können jedoch keine Verschmutzungen in das System eindringen, so dass auch über einen längeren Zeitraum eine zuverlässige Funktionsweise gewährleistet bleibt.
Ferner kann vorgesehen sind, dass die Heizeinheit, die Expandiereinheit und die Kolbeneinheit derart miteinander fluidgekoppelt sind, dass das Fluid aus dem ersten Kolbenraum der Kolbeneinheit in die Expandiereinheit und aus dem zweiten Kolbenraum der Kolbeneinheit in die Heizeinheit strömen kann. Die beiden Kolbenräume der Kolbeneinheit können insofern jeweils einen Zulauf und einen Ablauf aufweisen, durch den das Fluid in den entsprechenden Kolbenraum einströmen oder aus diesen ausströmen kann. Die Heizeinheit kann mit einem Zulauf des ersten Kolbenraums und mit einem Ablauf des zweiten Kolbenraums fluidgekoppelt sein und die Expandiereinheit kann mit dem Ablauf des ersten Kolbenraums und dem Zulauf des zweiten Kolbenraums fluidgekoppelt sein. Das Fluid kann somit im Hauptkreislauf von der Heizeinheit über den ersten Kolbenraum zur Expandiereinheit und nach der Expansion über den zweiten Kolbenraum zurück zur Heizeinheit fließen. Es ist möglich, dass sich das Fluid nur aufgrund der herrschenden Druckunterschiede sowie auch der verschiedenen Fluiddichten selbstständig bewegt und im Hauptkreiskauf zirkuliert. Auch durch den Kolben der Kolbeneinheit oder durch den Nachlauf der Expandiereinheit kann das Fluid im Hauptkreislauf und somit ebenfalls auf passive Weise ohne zusätzliche Energiezufuhr bewegt werden. Auf eine zusätzliche Pumpe bzw. einen entsprechenden Verdichter kann verzichtet werden. Gleichwohl ist es jedoch auch möglich, entsprechende Pumpen und/oder Verdichter in den Hauptkreislauf zu integrieren, sofern dies aufgrund der Randparameter erforderlich oder zuträglich ist. Die Heizeinheit, die Kolbeneinheit und die Expandiereinheit zur Realisierung einer Fluidkopplung über Rohr- oder Schlauchleitungen miteinander verbunden sein.
Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Kolbeneinheit zur Steuerung der Fluidflüsse mit Ventilen, insbesondere mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen, ausgestattet ist. Jedem Kolbenraum können dabei zwei Ventile, insbesondere ein Einlassventil und ein Auslassventil, zugeordnet sein, so dass über die Öffnung der Ventile der Fluidfluss gesteuert werden kann. Die Ventile können automatisch gesteuert und geschaltet werden, wofür diese mit einer übergeordneten Steuereinheit verbunden sein können. Es kann sich bei den Ventilen insofern um Schaltventile und nicht um Absperrventile handeln. Fener können die Ventile auch mit Sensoren verbunden sein, so dass diese automatisch geöffnet und geschlossen werden, wenn die Sensoren bestimmte Schwellwerte detektieren. Bspw. können sich die Ventile in Abhängigkeit der Kolbenposition oder in Abhängigkeit der in den Kolbenräumen vorherrschenden Drücke selbstständig öffnen und schließen.
Die Ventile können ferner dafür sorgen, dass das Fluid nicht entgegen der Zirkulationsrichtung im Hauptkreislauf zirkulieren kann. Sie können dafür eine Rückschlagfunktion aufweisen und bspw. mit einer Rückschlagklappe ausgestaltet sein, so dass bspw. kein Fluid aus dem zweiten Kolbenraum zurück in die Expandiereinheit oder aus dem ersten Kolbenraum zurück in die Heizeinheit strömen kann. Alternativ können neben den Ein- und Auslassventilen auch zusätzliche Rückschlagventile in das System eingebunden sein, um Fluidströme entgegen der Zirkulationsrichtung zu unterbinden.
Gemäß einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Bypass vorgesehen ist, um die Expandiereinheit zu überbrücken. Der Bypass kann mit einem Ventil oder einer Bypassklappe ausgestattet sein, so dass gesteuert werden kann, welcher Anteil des sich in dem ersten Kolbenraum befindlichen Fluids in der Expandiereinheit entspannt wird. Der Bypass kann insofern einen Kurzschluss zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Expandiereinheit ermöglichen. Ferner ist es auch möglich, dass der Bypass erst hinter einem nachfolgend noch näher erläuterten Rückgewinnungswärmeübertrager eingebunden ist oder zumindest eine Abzweigung des Bypasses. Insofern lässt sich auch steuern, welcher Anteil über den Rückgewinnungswärmeübertrager geleitet wird. Weiterhin kann es auch möglich sein, den Bypass in der entgegengesetzten Richtung zu nutzen, um ggf. noch nicht vollständig entspanntes Fluid der Expandiereinheit ein weiteres Mal zuzuführen. Eine nicht ausreichende Entspannung in der Expandiereinheit kann bspw. aufgrund von Kurzschlussströmen entstehen. Durch den Bypass kann sich somit sowohl der Wirkungsgrad als auch die Regelbarkeit der Wärmekraftmaschine verbessern lassen.
Im Hinblick auf die Heizeinheit hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn diese das Fluid auf eine vorgegebene und eine insbesondere konstante Temperatur aufheizen kann. In der Heizeinheit kann insofern der maßgebliche Energieeintrag in das Fluid stattfinden und diese Energie kann dann zumindest teilweise in der Expandiereinheit in mechanische Energie umgewandelt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen der Expandiereinheit und dem zweiten Kolbenraum ein Rückgewinnungswärmeübertrager angeordnet ist, mit welchem dem aus der Expandiereinheit in die zweite Kolbenraum einströmenden Fluid Wärme entzogen werden kann. Der Rückgewinnungswärmeübertrager kann insofern dem zweiten Kolbenraum vorgeschaltet sein, so dass das Fluid nach der Entspannung zunächst durch den Rückgewinnungswärmeübertrager strömt. Der Rückgewinnungswärmeübertrager kann dafür auf der einen Seite mit der Expandiereinheit und auf der anderen Seite mit dem zweiten Kolbenraum der Kolbeneinheit fluidgekoppelt sein, insbesondere über eine Rohr- oder Schlauchverbindung. Der Rückgewinnungswärmeübertrager kann als Gegenstromwärmeübertrager ausgestaltet sein, wobei der Heizstrang, also der Strang dem Wärme entzogen wird, Teil des Hauptkreislaufs sein kann.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Rückgewinnungswärmeübertrager derart mit der Heizeinheit fluidgekoppelt ist, dass die vom Rückgewinnungswärmeübertrager entzogene Wärme der Heizeinheit als Heizwärme zuführbar ist. Durch diese Ausgestaltung lässt sich die Effektivität bzw. der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine noch weiter optimieren. Der Kühlstrang, also der Strang dem Wärme zugeführt wird, des Rückgewinnungswärmeübertragers kann mit der Heizeinheit fluidgekoppelt sein, so dass die dem Fluid des Hauptkreislaufs entzogene Wärme verwendet werden kann, um das Fluid des Hauptkreislaufs in der Heizeinheit aufzuheizen. Weiterhin hat es sich im Hinblick auf den Rückgewinnungswärmeübertrager als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser und die Heizeinheit zu einem geschlossenen Rückgewinnungskreislauf verschaltet sind. In dem Rückgewinnungskreislauf kann ein Rückgewinnungsfluid zirkulieren, welches nach der Aufnahme von Energie im Rückgewinnungswärmeübertrager und der Abgabe der Energie in der Heizeinheit zurück zum Rückgewinnungswärmeübertrager strömen kann. Der Rückgewinnungswärmeübertrager, bzw. der Kühlstrang, kann insofern insbesondere über eine Rohroder Schlauchleitung mit der Heizeinheit verbunden sein. Als Fluid im Rückgewinnungskreislauf hat sich aufgrund der hohen Wärmekapazität insbesondere der Einsatz von Wasser, ggf. mit Additiven, bewährt. Weiterhin kann der Rückgewinnungskreislauf mit einer Umwälzpumpe ausgestattet sein, über die das Fluid im Rückgewinnungskreislauf zwischen dem Rückgewinnungswärmeübertrager und der Heizeinheit hin und her gepumpt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der oder ggf. auch ein zusätzlicher Rückgewinnungskreislauf direkt mit der Expandiereinheit verschaltet ist. Je nachdem, wie die Expandiereinheit ausgestaltet ist, kann es erforderlich sein, diese zu Kühlen, um Überhitzungen zu vermeiden. Die Expandiereinheit kann bspw. mit einem internen Kühlkreislauf, bspw. auf Ölbasis, ausgestaltet sein und die Wärmeentwicklung innerhalb der Expandiereinheit kann über den oder einen zusätzlichen Rückgewinnungskreislauf abgeführt und zum Aufheizen bzw. zum Vorheizen des Fluids im Hauptkreislauf verwendet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizeinheit mit einer Wärmeerzeugungseinheit, insbesondere einem Heizkessel, zur Bereitstellung von Heizwärme fluidgekoppelt ist. Die Heizeinheit kann insofern durch die Wärmeerzeugungseinheit mit Wärmeenergie gespeist werden, um das im Hauptkreislauf umlaufende Fluid zu erwärmen. Auch die Heizeinheit kann als Wärmeübertrager ausgestaltet sein, in der von der Wärmeerzeugungseinheit und ggf. zudem auch durch das Rückgewinnungsfluid des Rückgewinnungskreislaufs bereitgestellte Wärme zum Aufheizen des Fluids des Hauptkreislaufs verwendet werden kann. Bei der Wärmeerzeugungseinheit kann es sich um einen, insbesondere befeuerbaren, Heizkessel handeln, in welchem ein Fluid bzw. ein Wärmeträgermedium erhitzt und welches dann der Heizeinheit zugeführt wird. Weiterhin kann aber auch Abwärme verwendet werden, bspw. von Haus- oder Industrieanlagen oder Kraftwerken, oder es können alternativ auch Solarenergie oder natürlich auftretende Temperaturdifferenzen genutzt werden, um die Heizeinheit und damit auch das Fluid des Hauptkreislaufs entsprechend mit Wärme zu versorgen. Auch der Einsatz einer Wärmepumpe zur Bereitstellung von thermischer Energie ist möglich.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Wärmeerzeugungseinheit einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Direktverdampfer, aufweist über den sich das Arbeitsmedium der Wärmeübertragereinheit aufgrund des Fluids des Rückgewinnungskreislauf verdampft werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Wärmeerzeugungseinheit als Wärmepumpe ausgestaltet ist. Über die Verdampfung und die Wärmeerzeugungseinheit kann die Temperatur der durch das Rückgewinnungsfluid zugeführte Wärme erhöht werden. Der Wärmeübertrager der Wärmeerzeugungseinheit bzw. der Direktverdampfer kann ebenfalls Teil des Rückgewinnungskreislaufs sein. Das Rückgewinnungsfluid kann durch diese Ausgestaltung sowohl in der Heizeinheit als auch in dem Wärmeübertrager der Wärmeerzeugungseinheit Wärme abgeben, was zu einem erhöhten Wirkungsgrad führt. Das Rückgewinnungsfluid kann von dem Rückgewinnungswärmeübertrager zunächst zur Heizeinheit und dann zum Wärmeübertrager der Wärmeerzeugungseinheit fließen. Es kann sowohl an die Heizeinheit als auch an die Wärmeerzeugungseinheit Wärme abgeben und dann zurück zum Rückgewinnungswärmeübertrager fließen. Auch ist es möglich, dass das Rückgewinnungsfluid zunächst in den Wärmeübertrager der Wärmeerzeugungseinheit, dann in die Heizeinheit und anschließend zurück zum Rückgewinnungswärmeübertrager fließt. Um eine entsprechend Fluidverbindung zu gewährleisten, können die Komponenten durch Rohr- oder Schlauchverbindungen miteinander fluidgekoppelt sein.
In einer alternativen Ausgestaltung kann auch auf den zusätzlichen Rückgewinnungskreislauf verzichtet werden. Dafür kann die Expandiereinheit bspw. über eine Rohr- oder Schlauchverbindung mit der Heizeinheit und/oder auch mit dem Direktverdampfer verbunden sein. Bei dieser Konfiguration wird das entspannte Fluid somit zunächst an der Kolbeneinheit vorbei geführt, so dass dieses seine Wärme direkt an die Heizeinheit und/oder den Direktverdampfer der Wärmeerzeugungseinheit abgeben kann. Die Heizeinheit oder der Direktverdampfer können mit dem Einlass des zweiten Kolbenraums verbunden sein, so dass das Fluid nach der Wärmeabgabe entsprechend in den zweiten Kolbenraum einströmen kann. Bei einer derartigen Verschaltung kann auf den Rückgewinnungswärmeübertrager verzichtet werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad auswirken kann. Allerdings können durch den längeren Hauptkreislauf größere Druckverluste beim entspannten Fluids entstehen.
Weiterhin ist es auch möglich, das Fluid nach der Entspannung in der Expandiereinheit zum Direktverdampfer zu führen, so dass dieses dort zumindest einen Teil seiner Wärme abgeben kann und das Fluid dann erst im Nachgang durch einen Rückgewinnungswärmeübertrager zu führen. Alternativ kann das Fluid nach der Entspannung auch zunächst durch den Rückgewinnungswärmeübertrager und dann im Anschluss durch den Direktverdampfer geführt werden, bevor es in den zweiten Kolbenraum einströmt. Die einzelnen Komponenten können dafür mit entsprechenden Leitungen bspw. in Form von Rohren oder Schläuchen verbunden sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Hauptkreislauf mit einem Ausdehnungsgefäß ausgestattet ist. Über das Ausdehnungsgefäß können gewisse Druck- und Volumenschwankungen im Hauptkreislauf reguliert bzw. abgedämpft werden. Auch der Rückgewinnungskreislauf kann mit einem Druckausgleichsgefäß ausgestattet sein. Das Druckausgleichsgefäß kann bspw. an den Rückgewinnungswärmeübertrager angeschlossen sein.
Im Hinblick auf die Expandiereinheit hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem Generator gekoppelt ist. In der Expandiereinheit kann aus dem Druck und der Temperatur des im Hauptkreislauf zirkulierenden Fluids mechanische Energie, bspw. in Form von kinetischer bzw. Rotationsenergie einer Welle der Expandiereinheit, gewonnen werden, die dann über den Generator wiederum in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die elektrische Energie kann bzw. in einem Akkumulator zwischengespeichert oder als Nutzenergie auch direkt verwendet werden. Der Generator kann mechanisch, insbesondere über eine Welle, mit der Expandiereinheit gekoppelt sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Expandiereinheit wird vorgeschlagen, dass diese als Expansionsturbine, Schraubenentspanner, Scrollentspanner, Kolbenentspanner oder Wankelmotor ausgestaltet ist. Diese verschiedenen Ausgestaltungen haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, so dass die für einen konkreten Anwendungsfall die möglichst vorteilhafteste Expandiereinheit ausgewählt werden kann. Es ist ebenfalls möglich, dass verschiedene Expandiereinheiten miteinander kombiniert werden, bzw. im Rahmen einer Reihen- oder in einer Parallelschaltung. Durch eine solche mehrstufige Entspannung lässt sich der Wirkungsgrad der Expandiereinheit und damit auch der Wirkungsgrade der Wärmekraftmaschine insgesamt unter Umständen noch weiter erhöhen.
Im Hinblick auf die eingangs genannte Aufgabe wird ferner ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme vorgeschlagen, wobei das Verfahren mit einer Wärmekraftmaschine der vorstehend beschriebenen Art durchgeführt wird. Es gerben die sich die im Hinblick auf die Wärmekraftmaschine bereits beschriebenen Vorteilte.
Vorteilhaft ist es, wenn das Fluid aus der Heizeinheit in den ersten Kolbenraum der Kolbeinheit strömt, wodurch der Kolben in Richtung des zweiten Kolbenraums bewegt und das sich in zweiten Kolbenraum befindliche Fluid verdichtet wird. Das Fluid kann in der Heizeinheit auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, wodurch sich auch der Druck des Fluids erhöht. Das Einlassventil des ersten Kolbenraums kann geöffnet werden, so dass das erhitzte Fluid in den ersten Kolbenraum einströmen kann. Die anderen drei Ventile der Kolbeneinheit können geschlossen sein. Da die Heizeinheit kontinuierlich erhitztes Fluid nachliefert, können Druck und Temperatur des sich im ersten Kolbenraums befindlichen Fluids auch bei einer Bewegung des Kolbens und einer damit einhergehenden Vergrößerung des ersten Kolbenraums konstant bleiben. Die Heizeinheit kann insofern als Reservoir mit einem vergleichsweise großen Volumen ausgestaltet sein. Durch das einströmende Fluid kann sich der Kolben in Richtung des zweiten Kolbenraums bewegen und dabei das sich im zweiten Kolbenraum befindliche Fluid verdichten. Durch die Verdichtung kann es zu einem Temperaturanstieg des Fluids im zweiten Kolbenraum kommen. Der Kolben kann sich dabei in Richtung des zweiten Kolbenraums bewegen. Wenn die Drücke in den beiden Kolbenraumen identisch sind, wird der Kolben zwar nicht mehr durch einen Druckunterschied angetrieben, allerdings kann sich der Kolben aufgrund der Massenträgheit weiter in Richtung des zweiten Kolbenraums bewegen. Der Kolben stoppt daher in vorteilhafter Weise nicht in der Gleichgewichtsposition, wenn der Druck in den beiden Kolbenräumen identisch ist, sondern er bewegt sich kontinuierlich weiter und verringert dabei das Volumen des zweiten Kolbenraums.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann das sich im zweiten Kolbenraum befindliche Fluid nach der Verdichtung aus dem zweiten Kolbenraum in die Heizeinheit strömen. Das Auslassventil des zweiten Kolbenraums kann dafür geöffnet werden und durch den aufgrund der Massenträgheit weiter in Richtung des zweiten Kolbenraums bewegten Kolben kann das verdichtete und sich im zweiten Kolbenraum befindliche Fluid durch das Auslassenventil in die Heizeinheit befördert werden. Das sich im zweiten Kolbenraum befindliche Fluid kann beim Einströmen in die Heizeinheit aufgrund der Verdichtung in etwa denselben Druck aufweisen, wie das aus der Heizeinheit ausströmende Fluid. Die Temperatur kann jedoch geringer sein. In der Heizeinheit kann das einströmende Fluid erhitzt werden und in den ersten Kolbenraum strömen. Der Kolben kann sich dabei weiter in Richtung des zweiten Kolbenraums bewegen und dessen Volumen kontinuierlich verkleinern. Am Ende des Vorgangs, wenn der Kolben seine Endposition erreicht hat, kann das Volumen des zweiten Kolbenraums auf ein Minimum geschrumpft sein. Nachdem das Auslassventil des zweiten Kolbenraums geöffnet wurde, kann keine Kompression des Fluids im zweiten Kolbenraum mehr stattfinden, sondern eine Bewegung des Kolbens kann dann zu einer Förderung des sich im unteren Kolbenraums befindlichen Fluids in die Heizeinheit führen. Vorteilhaft beträgt das Volumen des zweiten Kolbenraums am Ende dieses Vorgangs Null und die Kolbeneinheit bzw. der erste Kolbenraum ist komplett mit erhitztem und unter Druck stehenden Fluid gefüllt.
In einem nächsten Schritt kann das sich im ersten Kolbenraum befindliche Fluid in der Expandiereinheit entspannt werden. Dafür kann zunächst das Einlassventil des ersten Kolbenraums und das Auslassventil des zweiten Kolbenraums geschlossen und dann das Auslassventil des ersten Kolbenraums geöffnet werden. Das Fluid kann aufgrund des höheren Drucks durch die Expandiereinheit strömen und bspw. eine Welle der Expandiereinheit in Drehung versetzen. Aufgrund dieser Entspannung kann der Druck des Fluids absinken, was gleichzeitig auch mit einer Abkühlung einhergehen kann. In diesem Verfahrensschritt kann insofern die thermische Energie und die Druckenergie des Fluids zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt werden.
Weiterhin kann das Fluid nach der Entspannung in den zweiten Kolbenraum einströmen und dadurch kann der Kolben in Richtung des ersten Kolbenraums bewegt werden. Damit das Fluid entsprechend in den zweiten Kolbenraum einströmen kann, kann das Einlassventil des zweiten Kolbenraums geöffnet werden. Durch das einströmende Fluid und den Nachlauf der Expandiereinheit bzw. einer drehbaren Welle der Expandiereinheit, kann im ersten Kolbenraum eine Sogwirkung entstehen, aufgrund welcher der der Kolben in Richtung des ersten Kolbenraums bewegt werden kann. Die Größe des ersten Kolbenraums kann somit kontinuierlich ab und die Größe des zweiten Kolbenraums kontinuierlich zunehmen. Wenn dieser Prozess abgeschlossen ist, kann sich der Kolben in einer Endlage befinden und die gesamte Kolbeneinheit kann mit entspanntem Fluid gefüllt sein. Das Volumen des ersten Kolbenraums kann dabei vorteilhaft Null betragen, so dass im ersten Kolbenraum kein weiteres Fluid verbleibt.
In einem nächsten Schritt kann das Einlassventil des zweiten Kolbenraums geschlossen und dann das Einlassventil des ersten Kolbenraums geöffnet werden. Dadurch kann wieder erhitztes Fluid in den ersten Kolbenraum strömen und das entspannte Fluid im zweiten Kolbenraum durch den Kolben verdichtet werden.
Weiterhin hat es sich im Hinblick auf das Verfahren als vorteilhaft herausgestellt, wenn dem Fluid nach der Entspannung und vor dem Eintritt in den zweiten Kolbenraum Wärme entzogen wird. Durch diesen Wärmeentzug kann das Fluid mit einer geringeren Temperatur in den zweiten Kolbenraum einströmen. Vorteilhaft ist es, wenn die entzogene Wärme zur Erhitzung des verdichteten Fluids genutzt wird. Die Wärme kann insofern dem entspannten Fluid entzogen und dann nach der Verdichtung in der Kolbeneinheit wieder an das Fluid abgegeben werden. Um dem Fluid die Wärme zu entziehen kann dieses vor dem Einströmen in den zweiten Kolbenraum durch den Rückgewinnungswärmeübertrager geleitet werden. Die entzogene Wärme kann über den Rückgewinnungswärmeübertrager an das Rückgewinnungsfluid abgegeben und so über den Rückgewinnungskreislauf an das verdichtete Fluid abgegeben werden, bspw. indem das Rückgewinnungsfluid die Wärme an die Heizeinheit abgibt. Durch diesen Prozess lässt sich der Wirkungsgrad erhöhen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Rückgewinnungsfluid die aufgenommene Wärme nicht nur an die Heizeinheit abgibt, sondern darüber hinaus an die Wärmeerzeugungseinheit, bspw. den Direktverdampfer einer Wärmepumpe, die mit der Heizeinheit gekoppelt ist und Heizleistung für die Heizeinheit bereitstellt, so wie dies obenstehend erläutert wurde.
Als Arbeitsmedium bzw. als Fluid des Hauptkreislaufs kann Luft, insbesondere vorkomprimierte Luft, also Luft mit einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks, eingesetzt werden. Auch Helium hat sich im Hinblick auf den zu erzielenden Wirkungsgrad als vorteilhaft herausgestellt. Ein Phasenübergang im Hauptkreislauf ist vorteilhaft nicht vorgesehen. Zudem können aber auch andere Arbeitsmedien eingesetzt werden wie bspw. andere Gase oder Wasserdampf.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen anhand exemplarischer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Wärmekraftmaschine in einer schematischen Ansicht;
Fig. 2 eine Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 1 mit einem zusätzlichen Rückgewinnungskreislauf;
Fig. 3 eine Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 2 mit einem erweiterten Rückgewinnungskreislauf.
Mittels einer Wärmekraftmaschine 10 lässt sich aus thermischer Energie in Form von Wärme mechanische Energie erzeugen, die dann bspw. in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Eine schematische Darstellung einer entsprechenden Wärmekraftmaschine 10 zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme ist in der Darstellung der Fig. 1 gezeigt. Zunächst sollen nun die verschiedenen Verfahrensschritte, um mit der Wärmekraftmaschine 10 thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, anhand der das Grundprinzip der Erfindung verdeutlichenden Fig. 1 beschrieben werden, bevor dann im Anschluss auf die Fig. 2 und 3 eingegangen wird, die exemplarisch vorteilhafte Weiterentwicklungen der Wärmekraftmaschine 10 zeigen.
Die Wärmekraftmaschine 10 gemäß Fig. 1 besteht im Wesentlichen aus drei Hauptkomponenten, nämlich einer Heizeinheit 1 , einer Expandiereinheit 2 und einer Kolbeneinheit 3. Diese drei Komponenten sind zu einem geschlossenen Hauptkreislauf H verschaltet, so dass das Arbeitsmedium zwischen diesen drei Komponenten zirkulieren kann. Als Arbeitsmedium wird Luft verwendet, welches an unterschiedlichen Punkten im Prozess unterschiedliche Drücke und Temperaturen aufweist. Ein Phasenübergang findet hingegen nicht statt.
In der in Fig. 1 links dargestellten Heizeinheit 1 wird die Luft zunächst auf eine gewisse Temperatur, bspw. 60 Grad Celsius, erhitzt. Durch Öffnung des Einlassventils 3.4 strömt die Luft dann in die zwischen der Heizeinheit 1 und der Expandiereinheit 2 angeordnete Kolbeneinheit 3 ein. Die Ventile 3.4, 3.5, 3.6, 3.7 sind in der Darstellung der Fig. 2 dargestellt und genauso auch bei der Kolbeneinheit 3 gemäß Fig. 1 vorgesehen.
Die Kolbeneinheit 3 besteht im Wesentlichen aus einem zylinderförmigen Behälter, in dem ein scheibenförmiger Kolben 3.3 linearbeweglich aufgenommen ist. Der Kolben 3.3 trennt den Behälter somit in zwei Räume, nämlich einen ersten Kolbenraum 3.1 , der gemäß der Darstellung in der Fig. 1 oberhalb des Kolbens 3.3 angeordnet ist und einen gemäß der Darstellung in der Fig. 1 unterhalb des Kolbens 3.3 angeordneten zweiten Kolbenraum 3.2. Der Kolben 3.3. ist in der Kolbeneinheit 3 frei bewegbar angeordnet, so dass sich dieser nur aufgrund der in den beiden Kolbenräumen 3.1 , 3.2 vorherrschenden Druckniveaus hin und her bewegen kann. Eine direkte Verbindung zwischen den beiden Kolbenräumen 3.1 und 3.2 besteht dabei nicht. Am Anfang des Prozesses befindet sich der Kolben 3.3 in einer oberen Endposition, so dass das Volumen des ersten Kolbenraums 3.1 sehr klein und das Volumen des zweiten Kolbenraums 3.2 entsprechend groß ist. Durch die Öffnung des Einlassventils 3.4 strömt die in der Heizeinheit 1 erhitzte Luft in den ersten Kolbenraum 3.1 ein und drückt dabei den Kolben 3.3 nach unten. Dies liegt daran, dass der Druck in der Heizeinheit 1 höher ist als der Druck der sich im unteren Kolbenraum 3.2 befindlichen Luft, was nachfolgend noch näher erläutert werden wird. Der Druck in der Heizeinheit 1 kann bspw. ca. 22,73 bar betragen und der Druck im zweiten Kolbenraum 3.2 bspw. 20 bar. Durch diesen Druckunterschied wird der Kolben 3.3 in Richtung R2 bewegt, so wie dies auch in der Darstellung der Fig. 3 verdeutlicht ist. Bis auf das Einlassventil 3.4 sind die weiteren drei Ventile 3.5, 3.6, 3.7 der Kolbeneinheit 3 geschlossen, so dass der absinkende Kolben 3.3 zu einer Verdichtung der sich im zweiten Kolbenraum 3.2 befindlichen Luft führt. Sobald sich ein Druckgleichgewicht eingestellt hat, wird das Auslassventil 3.7 geöffnet und durch die Massenträgheit des Kolbens 3.3 sinkt dieser weiter ab und drückt das sich im zweiten Kolbenraum 3.2 befindliche und verdichtete Fluid in die Heizeinheit 1 . Bei der Verdichtung der Luft im zweiten Kolbenraum 3.2 bleiben Druck und Temperatur der Luft im ersten Kolbenraum 3.1 annähernd konstant, da die Heizeinheit 1 kontinuierlich neue Luft nachfördert.
Die Luft im unteren Kolbenraum 3.2 weist nach der Verdichtung zwar denselben Druck wie die Luft im oberen Kolbenraum 3.1 auf und diese wird bei der Verdichtung auch erwärmt, allerdings ist die Temperatur der Luft deutlich geringer und diese kann nach der Verdichtung bspw. 30,91 Grad Celsius betragen. Wenn diese kältere Luft dann in die Heizeinheit 1 einströmt, wird sie dort auf ca. 60 Grad Celsius erhitzt. Aufgrund der Massenträgheit sinkt der Kolben 3.3 bei diesem Einströmvorgang weiter ab, bis dieser die untere Endposition erreicht hat und der Kolben 3.3 sehr nahe an den Boden der Kolbeneinheit 3 heranreicht. Das Volumen des ersten Kolbenraums 3.1 ist dann maximal.
In einem nächsten Schritt werden die beiden Ventile 3.4 und 3.7 geschlossen und das Auslassventil 3.5 geöffnet. Über dieses Auslassventil 3.5 ist die Kolbeneinheit 3 bzw. der ersten Kolbenraum 3.1 mit der Expandiereinheit 2 verbunden. Die erhitzte und unter Druck stehende Luft strömt in die Expandiereinheit 2 ein und wird dort entspannt, wodurch eine in der schematischen Darstellung nicht mit dargestellte Welle angetrieben und insofern mechanische Energie erzeugt wird. Die entsprechende Welle der Expandiereinheit 2 kann mit einem in den Figuren nicht mit dargestellten Generator verbunden sein, der die erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln kann.
Durch die Entspannung der Luft sinkt sowohl deren Druck als auch deren Temperatur. Bspw. kann der Druck nach der Entspannung ca. 20 bar und die Temperatur ca. 20 Grad Celsius betragen. Nach der Entspannung wird das Einlassventil 3.6 geöffnet, so dass die entspannte Luft in den zweiten Kolbenraum 3.2 einströmen kann. Durch die Entspannung herrscht in beiden Kolbenräumen 3.1 , 3.2 zwar in etwa derselbe Druck, allerdings sorgt der Nachlauf der Expandiereinheit 2 dafür, dass der Kolben 3.3 nach in Richtung R1 und damit in Richtung des ersten Kolbenraums 3.1 bewegt wird. Dabei findet keine Verdichtung oder Entspannung, sondern im Grunde nur eine Förderung der Luft aus dem ersten Kolbenraum 3.1 in den zweiten Kolbenraum 3.2 statt. Wenn der Kolben 3.3 dann seine obere Endposition und der zweite Kolbenraum 3.2 somit sein maximales Volumen erreicht und mit entspannter Luft mit einem Druck von bspw. 20 bar gefüllt ist, werden die Ventile 3.5 und 3.6 wieder geschlossen.
Es ist nun ein Zyklus abgeschlossen und es kann durch Öffnung des Einlassventils 3.1 ein neuer Zyklus begonnen werden, so dass dann wieder Luft aus der Heizeinheit 1 bei bspw. ca. 60 Grad Celsius und 22,73 bar in den ersten Kolbenraum 3.1 strömen und die Luft im unteren Kolbenraum 3.2 verdichten kann.
In der Darstellung der Fig. 2 ist nun eine Wärmekraftmaschine 10 gezeigt, die gegenüber der in der Fig. 1 dargestellten Wärmekraftmaschine 10 eine Erweiterung in Form eines Rückgewinnungskreislaufs R aufweist. Die grundsätzliche Funktionsweise der Wärmekraftmaschine 10 und die Funktion der Kolbeneinheit 3 stimmen jedoch mit der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 überein, so dass dahingehend auf die obenstehenden Ausführungen verwiesen wird. Anders als bei der Wärmekraftmaschine 10 gemäß der Fig. 1 strömt die entspannte Luft gemäß Fig. 2 jedoch nicht direkt wieder in die Kolbeneinheit 3 ein, sondern diese wird zunächst durch einen Rückgewinnungswärmeübertrager 4 geleitet. Im Rückgewinnungswärmeübertrager 4 wird der Luft Wärme entzogen und diese abgekühlt, so dass die Temperatur der in den zweiten Kolbenraum 3.2 einströmenden Luft bei der Wärmekraftmaschine 10 gemäß Fig. 2 etwas geringer ist als bei der Wärmekraftmaschine 10 gemäß Fig. 1.
Die der Luft entzogene Wärme wird über den Rückgewinnungswärmeübertrager 4 an ein Rückgewinnungsfluid, insbesondere Wasser, übertragen, welches insofern im Rückgewinnungswärmeübertrager 4 aufgeheizt wird. Vom Rückgewinnungswärmeübertrager 4 wird das aufgewärmte Rückgewinnungsfluid zur Heizeinheit 1 transportiert, um dann dort die aus der Kolbeneinheit 3 ausströmende Luft entsprechend auf- bzw. zumindest vorzuheizen. Die erforderliche zusätzliche Heizleistung der Heizeinheit 1 kann dadurch verringert werden. Über das zirkulierende Rückgewinnungsfluid bzw. den Rückgewinnungskreislauf R kann somit der entspannten Luft Wärme entzogen und diese danach der verdichteten Luft wieder zugeführt werden. Um das Rückgewinnungsfluid entsprechend umzuwälzen und dieses zwischen dem Rückgewinnungswärmeübertrager 4 und der Heizeinheit 1 zu bewegen, kann eine Pumpe in den Rückgewinnungskreislauf R intergiert sein, die jedoch in der Darstellung der Fig. 2 nicht mit dargestellt ist.
Zudem ist in der Fig. 2 eine Wärmeerzeugungseinheit 5 zu erkennen, bei der es sich bspw. um eine Wärmepumpe handeln kann. Diese Wärmeerzeugungseinheit 5 kann Heizleistung bereitstellen, um die Luft in der Heizeinheit 1 zu erhitzen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel findet in der Heizeinheit 1 insofern eine kombinierte Bereitstellung von Heizleistung statt, nämlich sowohl durch die Wärmeerzeugungseinheit 5 jedoch zumindest zu einem gewissen Teil auch durch das im Rückgewinnungskreislauf R zirkulierende Rückgewinnungsfluid.
Eine zusätzliche Erweiterung der Wärmekraftmaschine 10 ist in der Darstellung der
Fig. 3 dargestellt. Nachfolgend werden nur die Unterschiede gegenüber der vorstehend anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Wärmekraftmaschinen 10 näher erläutert. Im Übrigen wird auf die vorstehenden Erläuterungen verwiesen.
Zunächst ist ersichtlich, dass der Rückgewinnungskreislauf R erweitert wurde. Denn das Rückgewinnungsfluid strömt nun nach der Heizeinheit 1 nicht direkt wieder zurück zum Rückgewinnungswärmeübertrager 4, sondern zunächst in einen Direktverdampfer 5.1 der Wärmeerzeugungseinheit 5. Im Direktverdampfer 5.1 können dem Rückgewinnungsfluid auch noch geringe Mengen an Wärme entzogen werden, was insgesamt den Wirkungsgrad des Rückgewinnungskreislaufs R erhöht. Die dem Rückgewinnungsfluid im Direktverdampfer 5.1 entzogene Wärme kann in der Wärmeerzeugungseinheit 5 wiederum zur Erzeugung von Wärme höherer Temperatur verwendet werden, mit der sich die Luft des Hauptkreislaufs H dann in der Heizeinheit 1 entsprechend erhitzen lässt.
Zudem ist bei der Wärmekraftmaschine 10 gemäß Fig. 3 ein Ausdehnungsgefäß 6 vorgesehen, welches dafür sorgt, den Druck möglichst konstant zu halten. Das Ausdehnungsgefäß 6 kann in den Hauptkreislauf H eingebunden sein. Weiterhin ist es aber auch möglich alternativ oder zusätzlich ein entsprechendes Ausdehnungsgefäß 6 auch in den Rückgewinnungskreislauf R einzubinden.
Bezugszeichenliste
1 Heizeinheit
2 Expandiereinheit
3 Kolbeneinheit
3.1 erster Kolbenraum
3.2 zweiter Kolbenraum
3.3 Kolben
3.4 Einlassventil
3.5 Auslassventil
3.6 Einlassventil
3.7 Auslassventil
4 Rückgewinnungswärmeübertrager
5 Wärmeerzeugungseinheit
5.1 Direktverdampfer
6 Ausdehnungsgefäß
10 Wärmekraftmaschine
H Hauptkreislauf
R Rückgewinnungskreislauf
R1 Richtung
R2 Richtung

Claims

Patentansprüche Wärmekraftmaschine zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme mit einer Heizeinheit (1 ) zur Erwärmung eines Fluids, insbesondere Luft, einer Verdichtereinheit zur Verdichtung des Fluids und einer Expandiereinheit (2) zur Entspannung des Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinheit als eine mit der Heizeinheit (1 ) und der Expandiereinheit (2) fluidgekoppelte Kolbeneinheit (3) ausgestaltet ist, die zwei über einen Kolben (3.3) voneinander getrennte Kolbenräume (3.1 , 3.2) aufweist, wobei der Kolben (3.3) in der Kolbeneinheit (3) frei bewegbar angeordnet ist. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit (1 ), die Expandiereinheit (2) und die Kolbeneinheit (3) derart miteinander fluidgekoppelt sind, dass aus der Heizeinheit (1 ) ausströmendes Fluid in den ersten Kolbenraum (3.1 ) und aus der Expandiereinheit (2) ausströmendes Fluid in den zweiten Kolbenraum (3.2) einströmen kann. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit (1 ), die Kolbeneinheit (3) und die Expandiereinheit (2) zur einem geschlossenen Hauptkreislauf (H) verschaltet sind. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit (1 ), die Expandiereinheit (2) und die Kolbeneinheit (3) derart miteinander fluidgekoppelt sind, dass das Fluid aus dem ersten Kolbenraum (3.1 ) der Kolbeneinheit (3) in die Expandiereinheit (2) und aus dem zweiten Kolbenraum (3.
2) der Kolbeneinheit (3) in die Heizeinheit (1 ) strömen kann. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbeneinheit (3) zur Steuerung der Fluidflüsse mit Ventilen (3.4, 3.5, 3.6,
3.7), insbesondere mit zwei Einlassventilen (3.
4, 3.6) und zwei Auslassventilen (3.
5, 3.7), ausgestattet ist.
6. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Expandiereinheit (2) und dem zweiten Kolbenraum (3.2) ein Rückgewinnungswärmeübertrager (4) angeordnet ist, mit welchem dem aus der Expandiereinheit (2) in den zweiten Kolbenraum (3.2) einströmenden Fluid Wärme entzogen werden kann.
7. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückgewinnungswärmeübertrager (4) derart mit der Heizeinheit (1 ) fluidgekoppelt ist, dass die vom Rückgewinnungswärmeübertrager (4) entzogene Wärme der Heizeinheit (1 ) als Heizwärme zuführbar ist.
8. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückgewinnungswärmeübertrager (4) und die Heizeinheit (1 ) zu einem geschlossenen Rückgewinnungskreislauf (R) verschaltet sind.
9. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit (1 ) mit einer Wärmeerzeugungseinheit (5), insbesondere einem Heizkessel oder einer Wärmepumpe, zur Bereitstellung vom Heizwärme fluidgekoppelt ist, wobei die Wärmeerzeugungseinheit (5) einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Direktverdampfer (5.1 ), aufweist, über den das Arbeitsmedium der Wärmeerzeugungseinheit (5) aufgrund des Fluids des Rückgewinnungskreislauf (R) verdampft werden kann.
10. Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expandiereinheit (2) zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem Generator gekoppelt ist, wobei die Expandiereinheit als Expansionsturbine, Schraubenentspanner, Scrollentspanner, Kolbenentspanner oder Wankelmotor ausgestaltet ist. Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme mit einer Wärmekraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass Fluid aus der Heizeinheit (1 ) in den ersten Kolbenraum (3.1 ) der Kolbeinheit (3) strömt, wodurch der Kolben (3.3) in Richtung des zweiten Kolbenraums (3.2) bewegt und das sich im zweiten Kolbenraum (3.2) befindliche Fluid verdichtet wird, wobei das sich im zweiten Kolbenraum (3.2) befindliche Fluid nach der Verdichtung aus dem zweiten Kolbenraum (3.1 ) in die Heizeinheit (1 ) strömt. Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das sich im ersten Kolbenraum (3.1 ) befindliche Fluid in der Expandiereinheit (2) entspannt wird. Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid nach der Entspannung in den zweiten Kolbenraum (3.2) einströmt und dadurch der Kolben (3.3) in Richtung des ersten Kolbenraums (3.1 ) bewegt wird. Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fluid nach der Entspannung und vor dem Eintritt in den zweiten Kolbenraum (3.2) Wärme entzogen wird, wobei die entzogene Wärme zur Erhitzung des verdichteten Fluids genutzt wird.
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DE2912857A1 (de) * 1979-03-30 1980-10-02 Lothar Coenen Kaeltemotor
WO2008154730A1 (en) * 2007-06-18 2008-12-24 Klassen James B Energy transfer machine and method
CN102562195A (zh) * 2011-01-12 2012-07-11 王政玉 一种热泵式发动机

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