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WO2014187558A9 - Verfahren und wärmekraftmaschine zur nutzbarmachung von abwärme oder geothermischer wärme - Google Patents

Verfahren und wärmekraftmaschine zur nutzbarmachung von abwärme oder geothermischer wärme Download PDF

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Publication number
WO2014187558A9
WO2014187558A9 PCT/EP2014/001347 EP2014001347W WO2014187558A9 WO 2014187558 A9 WO2014187558 A9 WO 2014187558A9 EP 2014001347 W EP2014001347 W EP 2014001347W WO 2014187558 A9 WO2014187558 A9 WO 2014187558A9
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston
cylinder
heat
transfer medium
heat engine
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/001347
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English (en)
French (fr)
Other versions
WO2014187558A3 (de
WO2014187558A2 (de
Inventor
Hans Richter
Original Assignee
Richter, Berta
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from EP13002654.5A external-priority patent/EP2711509A3/de
Application filed by Richter, Berta filed Critical Richter, Berta
Priority to JP2016514297A priority Critical patent/JP2016527425A/ja
Priority to CN201480041008.0A priority patent/CN105556067A/zh
Priority to KR1020157034859A priority patent/KR20160019429A/ko
Publication of WO2014187558A2 publication Critical patent/WO2014187558A2/de
Publication of WO2014187558A9 publication Critical patent/WO2014187558A9/de
Publication of WO2014187558A3 publication Critical patent/WO2014187558A3/de
Priority to US14/948,258 priority patent/US20160201599A1/en

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K11/00—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/045—Controlling
    • F02G1/047—Controlling by varying the heating or cooling
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    • F01K21/02—Steam engine plants not otherwise provided for with steam-generation in engine-cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F01K27/005—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for by means of hydraulic motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/34—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being of extraction or non-condensing type; Use of steam for feed-water heating
    • F01K7/36—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being of extraction or non-condensing type; Use of steam for feed-water heating the engines being of positive-displacement type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/055—Heaters or coolers

Definitions

  • the invention relates to a method and a modified hot gas heat engine for utilization of waste heat or geothermal heat, or, generally speaking, of heat at a relatively low temperature level, in particular in an approximately up to the boiling point of water-reaching temperature range, in particular for generating electrical power.
  • waste heat or geothermal heat or, generally speaking, of heat at a relatively low temperature level, in particular in an approximately up to the boiling point of water-reaching temperature range, in particular for generating electrical power.
  • a hot gas heat engine operates, unlike conventional piston engines or gas or steam turbines, with remaining within the engine and not replaced gas.
  • a hot gas engine is known in the form of the Stirling engine.
  • the Stirling engine which always requires two pistons, has a permanently heated cylinder area and a permanently cooled cylinder area between which the working gas is moved back and forth. In the heated cylinder chamber, the working gas expands and does work, and contracts again in the cooled cylinder chamber.
  • a disadvantage of the known Stirling engine that the entire, for heating the hot cylinder chamber supplied heat must be supplied through the thick cylinder wall, which indeed allows the use of any type of heat supplied to the cylinder wall, but imposes considerable inertia on the Stirling engine. This inertia is also due to the fact that the working gas is interposed between each cycle
  • CONFIRMATION COPY hot cylinder space and the cold cylinder space must be moved through relatively narrow channels.
  • the hot area and cold area of the Stirling engine can not be reversed. Larger amounts of energy can therefore not be implemented with the Stirling engine.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a modified hot gas heat engine, with which considerable benefits can be implemented, and with which in particular a much more intense heat input is possible to perform mechanical work, which is used in particular for power generation.
  • the invention aims to be able to effectively exploit waste heat or heat at a relatively low temperature level, which otherwise could hardly be used except for heating purposes.
  • This object is achieved according to the invention by the method specified in claim 1 and the specified in claim 2 heat engine.
  • the heat input into the cylinder chamber of the hot gas heat engine according to the invention takes place directly from molecule to molecule and without
  • Cylinder chamber surface dependent but can be controlled by the amount of injected heat transfer medium. This can be at correspondingly large
  • the liquid heat transfer medium preferably water
  • the liquid heat transfer medium can preferably be heated by absorbing waste heat.
  • the waste heat can for example
  • Cooling towers come from power plants, in which the cooling water at
  • the modified hot gas heat engine according to the invention differs from the principle of the known Stirling engine quite substantially in that the heat input is not carried out by heat conduction through the cylinder wall, but by directly injecting a liquid heat transfer medium into a cylinder chamber. The injection takes place in the form of a cloud of droplets, so that the liquid
  • Heat transfer medium as quickly and intensively comes into contact with the gas in the cylinder chamber, and the heat exchange between the heat transfer medium and the gas takes place quickly and intensely. Due to gravity then finds one
  • Heat exchange cooled heat transfer fluid collects in the bottom region of the cylinder chamber and flows there through openings in a fluid collection chamber.
  • the in-cylinder pressurized gas expands further from the heat input from the injected liquid heat transfer medium and drives the piston, either along the cylinder in a reciprocating piston, or along its orbit in a rotary piston. That by the heat input through the
  • Heat transfer fluid heated gas cools down again due to the work and cooled cylinder walls and can be reheated when re-heat.
  • the heat transfer medium must be liquid so that it separates from the in-cylinder, pressurized gas by gravity. Nevertheless, it may be possible to use wet steam in a temperature range which causes the wet steam in the course of heat dissipation to the gas located in the cylinder chamber condenses and precipitates as condensation.
  • the sump for the spent heat transfer medium is of course closed and is under the pressure of the cylinder chamber.
  • the liquid can be discharged as needed, according to the liquid level in the collecting chamber, controlled by a valve.
  • the control can be done, for example, by a float valve, which is also opened by a gravity flap flap when enough ice crystals have collected on it.
  • the cylinder is arranged lying, and in each case a cylinder space is formed in the cylinder on both sides of the piston.
  • the hot heat transfer medium is injected alternately into the one and the other cylinder chamber and heats the gas located in the respective cylinder chamber, so that the piston is displaced respectively from the just-heated cylinder chamber in the direction of the other cylinder chamber.
  • the gas in the cylinder or working chambers is preferably air, but may be any other gas. Because of the constant throughput of liquid
  • Heat transfer medium gas can dissolve in this and consumed with the
  • Heat transfer medium can get out of the machine, the cylinder or the housing is provided with a gas inlet valve through which under the working pressure gas can flow from a compressed gas source into the cylinder chambers or working chambers to maintain the gas pressure therein.
  • the cooling of the cylinder or housing wall can be effected by means of a cooling medium which circulates through cooling channels in the cylinder or housing wall. It can be used as a cooling medium, a refrigerant application, the cylinder or
  • the cylinder or housing wall isolated from the outside air or environment by insulation so that heat from the environment can not enter the cylinder or housing wall.
  • thermodynamic effect known from the Sterling chiller ago, in which a completed
  • Air quantity is cyclically isothermally compressed, isochoric cooled, isothermally relaxed and isochorically reheated. This is done by a provided in the piston head
  • the introduction of the hot heat transfer medium is controlled in one or the other cylinder chamber.
  • This can be done by means of controlled valves, for example in the form of a rotary valve to the supply of hot
  • the valve control can be effected in dependence on the piston position, which can be detected by mechanical or other sensors, which are either assigned to the cylinder chambers to detect the achievement of a respective intended end position of the piston, or which can be arranged in a central region of the cylinder can react to counter-elements on the piston circumference.
  • the recuperator is switched between exhaust and inlet.
  • the piston is preferably designed as a plunger, which has a relatively large axial extent with its piston skirt, but is provided in its central region each with large, the volume of the cylinder chambers enlarging depressions.
  • the gap between the piston skirt and the cylinder wall can be dimensioned so that the piston slides to a certain extent on a gas film, or on Teflon rails, and a very good seal is ensured due to the length of the thin gap, what to support is through
  • the piston can also have rollers in its lower region in order to avoid friction losses.
  • the output of the heat engine in the reciprocating piston embodiment may be in the usual manner by means of a piston rod passing through the end wall of one of the cylinder chambers, or the piston may be formed as a free piston, and the piston skirt may be in the center region of the cylinder interact with piezoelectric generators, as described in the European patent
  • EP 2 013 965 B1 are known, the Shapiezobare cooperate with the piston skirt and convert its linear movement directly into electricity.
  • conventional linear generators can also be used.
  • the piston may be provided with one or more ring magnets which move with the piston displacement within a stator axially extending over a corresponding length, these ring magnets and the stator forming the electric linear generator.
  • European Patent EP 2 013 965 B1 interact directly with a disk or drum driven by the rotary piston shaft and generate electricity.
  • the supply of the fluid can be carried out at the linear generator by the piston rod, and the control can be accomplished by two mutually rotatable pistons with staggered passages, one of which is fixed and the other by a servo motor is rotatable. Gases or air may be pre-compressed prior to injection by a coupled piston.
  • valve flap located on the cylinder end wall is opened by toggle lever outwards and spring is actuated.
  • the butterfly valves have large air vents, the offset to similar openings in the wall in question are arranged so that only small opening paths are sufficient to pass large volumes can.
  • the cylinder wall of the compression piston is provided with acting in both directions pressure relief valves, namely once for suction, and in case of overpressure also to open in the opposite direction.
  • the sprayed-in water can be provided with antifreeze, e.g. to - 50 ° C, and circulated in the car by the usual air cooler are warmed from the atmosphere, so that an automobile with air heat drive is possible.
  • antifreeze e.g. to - 50 ° C
  • Fig. 1 is a heat engine according to the invention with reciprocating
  • Fig. 2 shows an enlarged view of a part of the heat engine after
  • Fig. 3 is a schematic representation of a heat engine according to the invention with rotary piston in a vertical cross-section with a recuperator for recooling.
  • Fig. 4 shows a heat engine according to the invention in sheet metal construction with reciprocating piston in axial section with recuperator and
  • Fig. 5 shows a detail of Fig. 4, a double piston for
  • the cylinder 1 has on both sides of the piston 2 displaceable therein back and forth two cylinder chambers 11 and 12, which are filled with a pressurized gas, preferably air.
  • piston 2 Trained as a free piston and displaceable in the cylinder 1 piston 2 has a piston skirt 21 with considerable axial extent and has on both sides of large, the volume of the respective cylinder chamber magnifying depressions 22. Between the piston 2 and the cylinder wall 13, a thin sealing gap is formed, which acts like a labyrinth seal, but can slide the piston 2 practically on a gas cushion.
  • the piston has rollers 23 in its lower region in order to enable a low-friction piston displacement in the cylinder 1.
  • Heat transfer medium in particular of hot water in one or the other
  • Cylinder chamber 11, 13 are provided, which open respectively via spray nozzles 31 and 41 in the upper region and preferably also in the end wall region of the respective cylinder chamber 11, 12.
  • the cylinder wall 13 is also formed with a thermal insulation 14, which serves to prevent the influx of heat from outside the cylinder.
  • the cylinder wall is provided with cooling channels 15, through which a coolant flows, in order to cool the cylinder wall, so that the gas in the cylinder chambers is cooled.
  • the coolant is circulated in the embodiment by a coolant pump 6 through the cooling channels 15.
  • the cylinder wall is thereby permanently cooled.
  • the piston 2 is in the right end position in the cylinder 1.
  • the gas in the left cylinder chamber 12 is relatively relaxed and relatively cooled, and the gas in the right cylinder chamber 11 is compressed.
  • hot heat transfer medium in particular hot water
  • the gas in the cylinder chamber 12 is greatly heated and expands and drives the piston 2 to the left.
  • the injected liquid hot heat transfer medium trickles through the cylinder chamber 11 by gravity and collects in the bottom region of the cylinder chamber, where it flows through openings in a collection chamber 6. From the collection chamber 6, depending on the level of the
  • the controlled valve may be a float valve.
  • the control valve 5 controls the supply of the liquid heat transfer medium in the other, so now the left cylinder chamber 12 to.
  • the gas in the right cylinder chamber 11 has already cooled slightly due to the work and is further cooled by the cooled cylinder wall.
  • the cylinder wall can be permanently cooled as the strong and fast
  • Heat input by the injected hot heat transfer medium causes an immediate heat transfer to the gas, which then does work and only then cools down again on the cylinder wall.
  • the output takes place in the embodiment by piezo generators 8, the
  • Center region of the cylinder 1 can be arranged around the entire circumference of the cylinder around a rim and, as already mentioned, can correspond to the concept described in European patent EP 2 013 965 Bl.
  • the steppiezo packs these piezoelectric generators 8 interact directly with the piston skirt 21, which moves in the axial direction during the reciprocating movement of the piston relative to the stationary piezoelectric generators 8.
  • another conventional electric linear generator can be used to convert the piston movement directly into electrical energy.
  • Figure 2 shows the right part of Figure 1 in an enlarged view to make the details better recognizable.
  • Fig. 1 also schematically shows an arrangement for utilizing waste heat for heating the liquid used in the heat engine
  • a chamber 16 is through an inlet 17 and an outlet 18 of hot exhaust gas from a process, such as a
  • Spray nozzles 19 is sprayed as cold water into the chamber 16, this trickles while receiving heat from the hot process exhaust gas, and finally collects in the lower part of the chamber 16 as hot water, from where it can be removed and fed as a heat transfer medium of the heat engine.
  • a compressed gas refill valve 51 is provided, can be refilled by which compressed gas into the corresponding cylinder chamber 11, when the gas pressure in the Zylinderkammem 11 and 12 should decrease by gas losses, because in the liquid spent heat transfer medium dissolved gas with the spent heat transfer medium is derived.
  • FIG. 3 shows an embodiment of FIG
  • Heat engine according to the invention with rotary piston with rotary piston.
  • the cylinder 10 and the rotary piston 20 have the known from Wankelmotor ago form.
  • the rotary piston is approximately triangular in cross-section with rounded sides and three sealing edges 201, each sliding along the inner wall of the cylinder 10. The three sealing edges of the
  • Rotary piston 20 together with the inner wall of the cylinder 10 three chambers 101, 102 and 103, which rotate with the rotary piston in the direction of the arrow and thereby change their volume.
  • hot heat transfer medium is introduced through an inlet 110 into the cylinder chamber located in each case in the region of this inlet.
  • the volume of the relevant cylinder chamber which varies during the circulation in the cylinder, is small and the gas is therefore compressed.
  • the gas is heated, expands and drives the rotary piston 20 at.
  • the chamber in question continues to circulate, it enters the region of drain holes 120 leading into a spent heat transfer medium collection chamber 130. From the collection chamber 130, the consumed
  • Heat transfer medium as described above, depending on the level, for example, be discharged via a designed as a float valve 218 with ice flap 219 controlled valve. In the further circulation, this increases
  • Chamber volume as shown by the chamber 103, whereby the gas cools down and accelerates accelerated. Cooling of the cylinder wall outside the cylinder wall region, in which the injection of the hot heat transfer medium takes place, is advantageous and can be carried out similarly as in the embodiment described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • recuperators 206 and 207 is, for example, Cu wool, which absorbs the heat that arises in the cold area by compression, cached and then in the meantime by current release cold and relaxed become previous compression space 208 to flow and thus there the desired
  • Air recooling effect of the working air in the cylinder chamber 11 and 12 or 103 causes.
  • Impact nozzles 214 through which the warm air or the warm water is injected, controlled by the servo motor 212 by this rotates the rotatable piston 211 and corresponding passages relative to the fixed piston 210 releases.
  • the water inlet 213 supplies the baffles 214 via the inner tube 211 with water.
  • the compression piston 215 is driven by the piston rod 209 with and sucks on the intake valves 216, the wet steam or hot air, compresses this or these and passes them on.
  • Overpressure valves 217 open at overpressure.
  • the float valves 218 and 219 and 207 have ice flaps 219, which open the float valves 218 by appropriately gravity incurred Eiskrisstallen to dispose of the ice crystals.

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Abstract

Verfahren und Wärmekraftmaschine zur Erzeugung von elektrischem Strom oder mechanischer Leistung durch Antreiben eines Kolbens (2, 20) durch Heißgas, das sich unter Druck in einer Zylinderkammer (11, 12; 101, 102, 103) eines Zylinders (1; 10) befindet und durch Wärmezufuhr von außen wärmebeaufschlagt wird, wobei die Wärmebeaufschlagung des Heißgases dadurch erfolgt, dass heißes, insbesondere flüssiges oder kondensier-bares Wärmeträgermedium in den jeweiligen Zylinderraum eingespritzt oder eingesprüht und verbrauchtes Wärmeträgermedium in einem Bodenbereich des Zylinderraums gesammelt und in eine Sammelkammer abgeleitet wird.

Description

Verfahren und Wärmekraftmaschine zur Nutzbarmachung von Abwärme
oder geothermischer Wärme
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine modifizierte Heißgas- Wärmekraftmaschine zur Nutzbarmachung von Abwärme oder geothermischer Wärme, oder, generell gesagt, von Wärme auf relativ niedrigem Temperaturniveau, insbesondere in einem etwa bis zum Siedepunkt von Wasser reichenden Temperaturbereich, insbesondere zum Erzeugen von elektrischem Strom. Solche Kategorien von Wärme können bisher nicht zur Erzeugung von elektrischem Strom oder generell zur Erzeugung von Arbeitsleistung ausgenutzt werden, da sich herkömmliche Kraftmaschinen zum Antrieb elektrischer Generatoren damit nicht betreiben lassen. Eine Heißgas- Wärmekraftmaschine arbeitet, in Gegensatz zu üblichen Kolbenmotoren oder Gas- oder Dampfturbinen, mit innerhalb des Motors verbleibendem und nicht ausgetauschtem Gas.
Ein Heißgasmotor ist in Gestalt des Stirlingmotors bekannt. Beim Stirlingmotor, der stets zwei Kolben benötigt, ist ein permanent erhitzter Zylinderbereich und ein permanent gekühlter Zylinderbereich vorhanden, zwischen denen das Arbeitsgas hin und her bewegt wird. Im erhitzten Zylinderraum dehnt sich das Arbeitsgas aus und leistet Arbeit, und zieht sich im gekühlten Zylinderraum wieder zusammen. Nachteilig ist bei dem bekannten Stirlingmotor, dass die gesamte, zum Beheizen des heißen Zylinderraums zugeführte Wärme durch die dicke Zylinderwand zugeführt werden muss, was zwar die Benutzung jeder beliebigen Art von zur Zylinderwand zuführbaren Wärme ermöglicht, aber dem Stirlingmotor eine erhebliche Trägheit aufzwingt. Zu dieser Trägheit trägt auch der Umstand bei, dass das Arbeitsgas bei jedem Zyklus zwischen dem
BESTÄTIGUNGSKOPIE heißen Zylinderraum und dem kalten Zylinderraum durch relativ enge Kanäle verschoben werden muss. Außerdem können heißer Bereich und kalter Bereich beim Stirlingmotor nicht vertauscht werden. Größere Energiemengen können daher mit dem Stirlingmotor nicht umgesetzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine modifizierte Heißgas- Wärmekraftmaschine zu schaffen, mit welcher erhebliche Leistungen umgesetzt werden können, und mit der insbesondere ein wesentlich intensiverer Wärmeeintrag möglich ist, um mechanische Arbeit leisten zu können, die insbesondere zur Stromerzeugung dient.
Insbesondere bezweckt die Erfindung dabei, Abwärme oder Wärme auf relativ niedrigem Temperaturniveau effektiv ausnutzen zu können, die sonst außer zu Heizzwecken kaum mehr nutzbar gemacht werden könnte. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren und die im Anspruch 2 angegebene Wärmekraftmaschine gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Aufgrund der Einspritzung des Wärmeträgermediums, vorzugsweise heißes Wasser, in die Zylinderkammern erfolgt der Wärmeeintrag in die Zylinderkammer der erfindungsgemäßen Heißgas- Wärmekraftmaschine unmittelbar von Molekül zu Molekül und ohne
Verzögerung. Die eingetragene Wärmemenge ist nicht von der Größe der
Zylinderkammeroberfläche abhängig, sondern kann durch die Menge des eingespritzten Wärmeträgermediums gesteuert werden. Dadurch kann bei entsprechend großem
Zylinderraum wesentlich mehr Wärme pro Zeiteinheit in die Zylinderkammer eingetragen werden, als dies bei bloßem Wärmeleitungsdurchgang durch die Zylinderwand möglich wäre.
Das flüssige Wärmeträgermedium, vorzugsweise Wasser, kann vorzugsweise durch Aufnahme von Abwärme erhitzt werden. Die Abwärme kann beispielsweise aus
Kühltürmen von Kraftwerksanlagen stammen, in dem die vom Kühlwasser beim
Hindurchrieseln durch den Kühlturm aufgenommene Wärme in der Heißgas- Wärmekraftmaschine als Nutzwärme eingesetzt wird. Dadurch wird zuvor nicht mehr ausnutzbare Abwärme in Nutzwärme umgewandelt und zugleich die Umwelt weniger belastet. Ebenso können andere Arten von Abwärme aus industriellen Prozessen in nutzbare Energie umgewandelt werden.
Die erfindungsgemäße modifizierte Heißgas- Wärmekraftmaschine unterscheidet sich vom Prinzip des bekannten Stirlingmotors ganz wesentlich dadurch, dass der Wärmeeintrag nicht durch Wärmeleitung durch die Zylinderwand hindurch erfolgt, sondern durch unmittelbares Einspritzen eines flüssigen Wärmeträgermediums in einen Zylinderraum. Das Einspritzen erfolgt in Gestalt einer Tröpfchenwolke, so dass das flüssige
Wärmeträgermedium möglichst schnell und intensiv mit dem Gas im Zylinderraum in Berührung kommt, und der Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeträgermedium und dem Gas schnell und intensiv stattfindet. Aufgrund der Schwerkraft findet dann eine
Abscheidung der Tröpfchen von dem erwärmten Gas statt, und die durch den
Wärmeaustausch abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit sammelt sich im Bodenbereich des Zylinderraums und fließt dort durch Öffnungen in eine Flüssigkeitssammelkammer. Das im Zylinder befindliche, unter Druck stehende Gas dehnt sich durch die Wärmeaufnahme von dem eingespritzten flüssigen Wärmeträgermedium weiter aus und treibt den Kolben an, entweder entlang des Zylinders bei einem hin und her gehenden Kolben, oder entlang seiner Kreisbahn bei einem Kreiskolben. Das durch den Wärmeeintrag durch die
Wärmeträgerflüssigkeit erhitzte Gas kühlt sich durch die Arbeitsleistung sowie an gekühlten Zylinderwänden wieder ab und kann beim erneuten Wärmeeintrag wieder aufgeheizt werden.
Das Wärmeträgermedium muss flüssig sein, damit es sich von dem im Zylinder befindlichen, unter Druck stehenden Gas durch Schwerkraft abscheidet. Dennoch kann es möglich sein, auch Nassdampf in einem Temperaturbereich zu verwenden, der dazu führt, dass der Nassdampf im Zuge der Wärmeabgabe an das in der Zylinderkammer befindliche Gas kondensiert und als Kondenswasser ausfällt.
Die Auffangwanne für das verbrauchte Wärmeträgermedium ist selbstverständlich geschlossen und steht unter dem Druck des Zylinderraums. Aus der Auffangkammer kann die Flüssigkeit nach Bedarf, entsprechend dem Flüssigkeitspegel in der Auffangkammer, gesteuert durch ein Ventil, abgelassen werden. Die Steuerung kann beispielsweise durch ein Schwimmerventil erfolgen, das auch geöffnet wird durch eine Schwerkraftklappe, Klappe, wenn genügend Eiskristalle auf ihr sich gesammelt haben. Bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine mit hin und her gehendem Kolben ist der Zylinder liegend angeordnet, und im Zylinder ist beiderseits des Kolbens jeweils ein Zylinderraum gebildet. Das heiße Wärmeträgermedium wird abwechselnd in den einen und den anderen Zylinderraum eingespritzt und beheizt das im jeweiligen Zylinderraum befindliche Gas, so dass der Kolben jeweils aus der gerade beheizten Zylinderkammer in Richtung zur anderen Zylinderkammer verschoben wird.
Bei der Ausbildung der Wärmekraftmaschine mit Drehkolben bildet der wie beim
Wankelmotor ausgebildete, im Querschnitt etwa dreieckige Kolben zwischen sich und der Innenwand des Gehäuses 3 mit dem Drehkolben umlaufende und sich dabei im Volumen verändernde Kammern. Dort wird das heiße Wärmeträgermedium stets in der gleichen Position eingespritzt. Während die betreffende Kammer sich mit der Drehung des Kolbens weiter bewegt, gelangt das durch Schwerkraftabscheidung vom Gas getrennte abgekühlte Wärmeträgermedium zu den in die Sammelkammer führenden Auslassöffnungen, und der in Umfangsrichtung folgende Bereich der Gehäusewand wird gekühlt, damit das Gas sich abkühlen kann, während die betreffende Kammer sich mit der Drehung des Kolbens weiter bis in die Position bewegt, wo erneut heißes Wärmeträgermedium eingespritzt wird.
Das Gas in den Zylinder- bzw. Arbeitskammern ist vorzugsweise Luft, kann aber auch jedes andere Gas sein. Da aufgrund des ständigen Durchsatzes von flüssigem
Wärmeträgermedium Gas sich in diesem lösen kann und mit dem verbrauchten
Wärmeträgermedium aus der Maschine heraus gelangen kann, ist der Zylinder bzw. das Gehäuse mit einem Gaseinlassventil versehen, durch welches unter dem Arbeitsdruck stehendes Gas aus einer Druckgasquelle in die Zylinderkammern oder Arbeitskammern nachströmen kann, um den Gasdruck darin aufrecht zu erhalten.
Die Kühlung der Zylinder- oder Gehäusewand kann mittels eines Kühlmediums erfolgen, das durch Kühlkanäle in der Zylinder- oder Gehäusewand zirkuliert. Dabei kann als Kühlmedium auch ein Kältemittel Anwendung finden, das die Zylinder- oder
Gehäusewand weit unter die Umgebungstemperatur kühlt, um das Abkühlen des Gases zu beschleunigen und ein möglichst großes Temperaturgefälle zwischen dem heißen flüssigen Wärmeträgermedium und dem Gas im Zeitpunkt des Einspritzens des
Wärmeträgermediums zu erzeugen. In diesem Fall ist die Zylinder- oder Gehäusewand durch eine Isolation gegen die Außenluft oder Umgebung isoliert, damit nicht Wärme aus der Umgebung in die Zylinder- oder Gehäusewand eintreten kann.
Dieser Rückkühleffekt kann aber auch durch einen von der Sterling Kältemaschine her bekannten thermodynamischen Effekt erzeugt werden, bei der eine abgeschlossene
Luftmenge zyklisch isotherm verdichtet, isochor abkühlt, isotherm entspannt und isochor wieder erwärmt wird. Dies geschieht durch einen im Kolbenboden vorgesehenen
Rekuperator zur Energiezwischenspeicherung und Durchströmung zur Gegenseite hin. Bei einer Ausführung der Wärmekraftmaschine mit Drehkolben ist eine Umsteuerung natürlich nicht erforderlich, da sich der Drehkolben kontinuierlich drehend bewegt. Bei der Ausführung mit hin und her gehendem Kolben ist eine zyklische Umsteuerung
erforderlich, wodurch die Einleitung des heißen Wärmeträgermediums in den einen oder in den anderen Zylinderraum gesteuert wird. Dies kann mittels gesteuerten Ventilen erfolgen, beispielsweise in Gestalt eines Drehschiebers, um die Zufuhr des heißen
Wärmeträgermediums in den einen oder in den anderen Zylinderraum zu steuern, und dazwischen gegebenenfalls kurzzeitig zu unterbrechen. Die Ventilsteuerung kann dabei in Abhängigkeit von der Kolbenposition erfolgen, die durch mechanische oder andere Sensoren erfasst werden kann, die entweder den Zylinderkammern zugeordnet sind, um das Erreichen einer jeweils vorgesehenen Endstellung des Kolbens zu erfassen, oder die in einem mittleren Bereich des Zylinders angeordnet sein können, um auf Gegenelemente am Kolbenumfang zu reagieren. Zur Rückkühlung wird der Rekuperator zwischen Auspuff- und Einlass geschaltet. Der Kolben ist vorzugsweise als Plungerkolben ausgebildet, der mit seinem Kolbenmantel eine relativ große axiale Ausdehnung hat, in seinem zentralen Bereich aber jeweils mit großen, die Volumen der Zylinderkammern vergrößernden Vertiefungen versehen ist. Bei großer axialer Länge des Kolbenmantels kann der Spalt zwischen Kolbenmantel und Zylinderwand so bemessen sein, dass der Kolben gewissermaßen auf einem Gasfilm gleitet, oder auch auf Teflonschienen , und eine sehr gute Abdichtung wird aufgrund der Länge des dünnen Spalts gewährleistet ist, was noch zu unterstützen ist durch
sägezahnartige Rillen 222 in der Zylinderwand, in denen sich der Druck durch Labyrinth- Effekte abbaut. Da der Zylinder liegend angeordnet ist, kann der Kolben in seinem unteren Bereich außerdem auch Rollen haben, um Reibungsverluste zu vermeiden. Der Abtrieb der Wärmekraftmaschine kann bei der Ausführungsform mit hin und her gehendem Kolben in üblicher Weise mittels einer Kolbenstange erfolgen, die durch die Endwand einer der Zylinderkammern hindurch geführt ist, oder der Kolben kann als Freikolben ausgebildet sein, und der Kolbenmantel kann im Mittenbereich des Zylinders mit Piezogeneratoren zusammenwirken, wie sie aus dem europäischen Patent
EP 2 013 965 Bl bekannt sind, deren Schrittpiezopakete mit dem Kolbenmantel zusammenwirken und dessen lineare Bewegung direkt in elektrischen Strom umwandeln. Jedoch können auch herkömmliche Lineargeneratoren zum Einsatz kommen. Dazu kann der Kolben mit einem oder mehreren Ringmagneten versehen sein, der oder die sich mit der Kolbenverschiebung innerhalb eines sich axial über eine entsprechende Länge erstreckenden Stators bewegen, wobei diese Ringmagnete und der Stator den elektrischen Lineargenerator bilden.
Bei der Ausführungsform mit Drehkolben erfolgt der Abtrieb natürlich über die
Kolbenwelle. Aber auch hier können Piezogeneratoren, wie in dem genannten
europäischen Patent EP 2 013 965 Bl beschrieben sind, unmittelbar mit einer von der Drehkolbenwelle angetriebenen Scheibe oder Trommel zusammenwirken und Strom erzeugen.
Die Zuführung des Fluids kann beim Lineargenerator durch die Kolbenstange erfolgen, und die Regelung kann durch zwei gegeneinander verdrehbare Kolben mit versetzten Durchlässen bewerkstelligt werden, von denen einer feststehend und der andere durch einen Servomotor drehbar ist. Gase oder Luft können vor dem Einspritzen durch einen angekoppelten Kolben vorverdichtet werden.
An einer Zylinderstirnwand sowie an beiden Wänden des dreieckigen Kolbenbodens befinden sich großflächige Luftdurchlass-Ventile, die über eine Schubstange mit dem Kolbenhub zwangsgesteuert werden. In Mittelstellung kann der Rekuperator durchströmt werden, so daß der Kälteeffekt entstehen kann.
Die an der Zylinderstirnwand befindliche Ventilklappe wird durch Kniehebel nach außen öffnend und Feder betätigt. Die Ventilklappen haben große Luftdurchgangsöffnungen, die versetzt zu gleichartigen Öffnungen in der betreffenden Wand angeordnet sind, so daß nur kleine Öffnungswege genügen, um große Volumina durchlassen zu können.
Die Zylinderwand des Kompressionskolbens ist mit in beiden Richtungen wirkenden Überdruckventilen versehen, nämlich einmal zum Ansaugen, und bei Überdruck auch zum Öffnen in die Gegenrichtung.
Um möglichst große Energiebereiche des warmen Wassers ausnutzen zu können, kann das eingesprühte Wasser mit Frostschutzmittel versehen werden, z.B. bis - 50 °C, und im Kreislauf geführt im KFZ durch den üblichen Luftkühler von der Atmosphäre angewärmt werden, so daß ein Automobil mit Luftwärmeantrieb möglich wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen anhand der
anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine Wärmekraftmaschine nach der Erfindung mit hin und her gehendem
Kolben im Axialschnitt,
Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen Teil der Wärmekraftmaschine nach
Fig. 1 , und
Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Wärmekraftmaschine nach der Erfindung mit Drehkolben in senkrechtem Querschnitt mit einem Rekuperator zur Rückkühlung.
Fig. 4 eine Wärmekraftmaschine nach der Erfindung in Blechbauweise mit hin und her gehendem Kolben im Axialschnitt mit Rekuperator und
Kolbenkompressor mit Kolbenstange.
Fig. 5 einen Ausschnitt aus Fig. 4, der einen Doppelkolben zur
geregelten Einspritzung über die Kolbenstange zeigt. Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils im Axialschnitt eine Wärmekraftmaschine nach der Erfindung mit hin und her gehendem Kolben und liegend angeordnetem Zylinder.
Der Zylinder 1 hat beiderseits des darin hin und her verschiebbaren Kolbens 2 zwei Zylinderkammern 11 und 12, die mit einem unter Druck stehenden Gas, vorzugsweise Luft gefüllt sind.
Der als Freikolben ausgebildete und im Zylinder 1 verschiebbare Kolben 2 hat einen Kolbenmantel 21 mit erheblicher axialer Ausdehnung und weist an beiden Seiten große, das Volumen der jeweiligen Zylinderkammer vergrößernde Vertiefungen 22 auf. Zwischen dem Kolben 2 und der Zylinderwand 13 ist ein dünner Dichtspalt gebildet, der wie eine Labyrinthdichtung wirkt, aber den Kolben 2 praktisch auf einem Gaspolster gleiten lässt. Zusätzlich hat der Kolben in seinem unten liegenden Bereich Rollen 23, um eine reibungsarme Kolbenverschiebung im Zylinder 1 zu ermöglichen.
In der Zylinderwand 13 sind Leitungen 3 und 4 zur Zuführung von heißem
Wärmeträgermedium, insbesondere von heißem Wasser in die eine oder andere
Zylinderkammer 11, 13 vorgesehen, die jeweils über Sprühdüsen 31 bzw. 41 im oberen Bereich und vorzugsweise auch im Endwandbereich der jeweiligen Zylinderkammer 11, 12 ausmünden. Ein Steuerventil 5, das in Fig. 1 als Drehschieberventil beispielsweise dargestellt ist, steuert die Zufuhr von heißem Wärmeträgermedium aus einer
Wärmeträgermediumquelle zu der einen oder anderen Zylinderkammer 11, 12, sowie gegebenenfalls dazwischenliegende kurze Unterbrechungen. Die Zylinderwand 13 ist außerdem mit einer Wärmeisolierung 14 ausgebildet, die dazu dient, das Einströmen von Wärme von außerhalb des Zylinders zu vermeiden. Innerhalb der Wärmeisolation 14 ist die Zylinderwand mit Kühlkanälen 15 versehen, die von einem Kühlmittel durchströmt werden, um die Zylinderwand zu kühlen, damit das Gas in den Zylinderkammern gekühlt werden. Das Kühlmittel wird beim Ausführungsbeispiel durch eine Kühlmittelpumpe 6 durch die Kühlkanäle 15 zirkuliert. Die Zylinderwand wird dadurch permanent gekühlt. In den Figuren 1 und 2 befindet sich der Kolben 2 in der rechten Endposition im Zylinder 1. Das Gas im linken Zylinderraum 12 ist relativ entspannt und relativ abgekühlt, und das Gas im rechten Zylinderraum 11 ist komprimiert. In dieser Kolbenposition wird nun heißes Wärmeträgermedium, insbesondere heißes Wasser, in den rechten Zylinderraum 11 eingespritzt, wie in der Zeichnung dargestellt ist. Dadurch wird das Gas in der Zylinderkammer 12 stark erwärmt und dehnt sich aus und treibt den Kolben 2 nach links. Das eingespritzte flüssige heiße Wärmeträgermedium rieselt aufgrund der Schwerkraft durch den Zylinderraum 11 hindurch und sammelt sich im Bodenbereich des Zylinderraums, wo es durch Öffnungen in eine Sammelkammer 6 abfließt. Aus der Sammelkammer 6 wird in Abhängigkeit vom Pegelstand des
gesammelten flüssigen und abgekühlten Wärmeträgermediums dieses durch ein gesteuertes Ventil abgelassen. Das gesteuerte Ventil kann ein Schwimmerventil sein. Nach Erreichen der linken Endstellung des Kolbens 2 im Zylinder 1 kehrt sich der Vorgang um. Dazu steuert das Steuerventil 5 die Zufuhr des flüssigen Wärmeträgermediums in den anderen, also nunmehr den linken Zylinderraum 12 um. Das Gas im rechten Zylinderraum 11 hat sich bereits durch die Arbeitsleistung etwas abgekühlt und wird weiter durch die gekühlte Zylinderwand abgekühlt.
Die Zylinderwand kann permanent gekühlt werden, da der starke und schnelle
Wärmeeintrag durch das eingespritzte heiße Wärmeträgermedium einen unmittelbaren Wärmeübergang auf das Gas bewirkt, das dann Arbeit leistet und sich erst anschließend an der Zylinderwand wieder abkühlt.
Zur Umsteuerung des Kolbens 2 können mechanische oder andere, zum Beispiel elektronische Sensoren 7 vorgesehen sein, welche das Erreichen der jeweiligen
Endstellung durch den Kolben 2 erfassen und die Umsteuerung über das Steuerventil 5 veranlassen.
Der Abtrieb erfolgt beim Ausführungsbeispiel durch Piezogeneratoren 8, die im
Mittenbereich des Zylinders 1 kranzartig um den gesamten Zylinderumfang herum angeordnet sein können und, wie eingangs schon gesagt, der im europäischen Patent EP 2 013 965 Bl beschriebenen Konzeption entsprechen können. Die Schrittpiezopakete dieser Piezogeneratoren 8 wirken unmittelbar mit dem Kolbenmantel 21 zusammen, der sich in axialer Richtung bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens relativ zu den feststehenden Piezogeneratoren 8 bewegt. Alternativ dazu kann, wie ebenfalls eingangs beschrieben, ein anderer herkömmlicher elektrischer Lineargenerator eingesetzt werden, um die Kolbenbewegung unmittelbar in elektrische Energie umzuwandeln.
Figur 2 zeigt den rechten Teil der Figur 1 in vergrößerter Darstellung, um die Einzelheiten besser erkennbar zu machen.
Der linke Teil der Fig. 1 zeigt außerdem schematisch eine Anordnung zur Ausnutzung von Abwärme zum Erhitzen des in der Wärmekraftmaschine ausgenutzten flüssigen
Wärmeträgermediums, insbesondere Wasser. Eine Kammer 16 wird durch einen Einlaß 17 und einen Auslaß 18 von heißem Abgas aus einem Prozeß, beispielsweise einer
Verbrennung, durchströmt und gibt dabei seine Wärme an Wasser ab, das durch
Sprühdüsen 19 als Kaltwasser in die Kammer 16 eingesprüht wird, diese durchrieselt und dabei Wärme von dem heißen Prozeßabgas aufnimmt, und sich schließlich im unteren Bereich der Kammer 16 als Heißwasser sammelt, von wo aus es entnommen und als Wärmeträgermedium der Wärmekraftmaschine zugeführt werden kann.
Außerdem ist im rechten Endbereich des Zylinders 1 ein Druckgas-Nachfüllventil 51 vorgesehen, durch welches Druckgas in die entsprechende Zylinderkammer 11 nachgefüllt werden kann, wenn der Gasdruck in den Zylinderkammem 11 und 12 durch Gasverluste absinken sollte, weil im flüssigen verbrauchten Wärmeträgermedium gelöstes Gas mit dem verbrauchten Wärmeträgermedium abgeleitet wird.
Figur 3 zeigt im achssenkrechten Querschnitt eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine mit Drehkolben. Der Zylinder 10 und der Drehkolben 20 haben die vom Wankelmotor her bekannte Form. Der Drehkolben ist im Querschnitt etwa dreieckförmig mit gerundeten Seiten und drei Dichtkanten 201, die jeweils entlang der Innenwand des Zylinders 10 gleiten. Die drei Dichtkanten des
Drehkolbens 20 bilden zusammen mit der Innenwand des Zylinders 10 drei Kammern 101, 102 und 103, die mit dem Drehkolben in Pfeilrichtung umlaufen und dabei ihr Volumen verändern.
Über ein hier nicht dargestelltes Steuerventil wird durch einen Einlaß 110 in die jeweils im Bereich dieses Einlasses befindliche Zylinderkammer heißes Wärmeträgermedium eingeleitet. An der Einleitungsstelle ist das Volumen der betreffenden Zylinderkammer, das während des Umlaufs im Zylinder variiert, klein und das Gas deshalb verdichtet. Durch das eingespritzte Wärmeträgermedium wird das Gas erhitzt, dehnt sich aus und treibt den Drehkolben 20 an. Während die betreffende Kammer weiter umläuft, gelangt sie in den Bereich von Ablauföffnungen 120, die in eine Sammelkammer 130 für verbrauchtes Wärmeträgermedium führen. Aus der Sammelkammer 130 kann das verbrauchte
Wärmeträgermedium, wie zuvor schon beschrieben, in Abhängigkeit vom Pegelstand beispielsweise über ein als Schwimmerventil 218 mit Eisklappe 219 ausgebildetes gesteuertes Ventil abgelassen werden. Im weiteren Umlauf vergrößert sich das
Kammervolumen, wie durch die Kammer 103 dargestellt ist, wodurch das Gas sich entspannt und beschleunigt abkühlt. Eine Kühlung der Zylinderwand außerhalb des Zylinderwandbereichs, in welchem die Einspritzung des heißen Wärmeträgermediums erfolgt, ist vorteilhaft und kann ähnlich wie bei der mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 beschriebene Ausführungsform erfolgen.
In den Rekuperatoren 206 und 207 befindet sich beispielsweise Cu- Wolle, die die Wärme, die im kalten Bereich durch Kompression entsteht, aufnimmt, zwischenspeichert und in den dann durch Stromabgabe mittlerweile kalt und entspannt gewordenen vorherigen Kompressionsraum 208 überströmen lässt und damit dort den gewünschten
Luftrückkühleffekt der Arbeitsluft im Zylinderraum 11 bzw. 12 bzw. 103 bewirkt.
Auf der Kolbenstange 209 befinden sich sog. Pralldüsen 214, durch die die warme Luft oder das warme Wasser eingespritzt wird, gesteuert durch den Servomotor 212 , indem dieser den drehbaren Kolben 211 verdreht und entsprechende Durchlässe gegenüber dem feststehenden Kolben 210 freigibt.
Der Wassereintritt 213 versorgt die Pralldüsen 214 über das Innenrohr 211 mit Wasser. Der Kompressionskolben 215 wird durch die Kolbenstange 209 mit angetrieben und saugt über die Ansaugventile 216 den Naßdampf oder Warmluft an, verdichtet diesen oder diese und leitet sie weiter. Überdruckventile 217 öffnen bei Überdruck.
Die Schwimmerventile 218 und 219 sowie 207 besitzen Eisklappen 219, die bei entsprechend ausreichend angefallenen Eiskrisstallen durch deren Schwerkraft die Schwimmerventile 218 öffnen, um die Eiskristalle zu entsorgen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine zur Erzeugung von elektrischem Strom oder mechanischer Leistung, indem ein Kolben (2, 20) durch Heißgas
angetrieben wird, das sich unter Druck in einer Zylinderkammer (11, 12; 101, 102, 103) eines Zylinders (1, 10) der Wärmekraftmaschine befindet und durch Wärmezufuhr von außen wärmebeaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebeaufschlagung des Heißgases in der
Zylinderkammer durch Einspritzen eines heißen Wärmeträgermediums in flüssigem oder naßdampfförmigem Zustand in die Zylinderkammer eingespritzt oder eingesprüht wird, und dass verbrauchtes Wärmeträgermedium als Flüssigkeit oder in Gestalt von Eiskristallen in einem Bodenbereich der Zylinderkammer aufgefangen und in eine Sammelkammer abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Wärmeträgermedium abwechselnd in die eine (11) und die andere (12) von zwei beiderseits eines hin- und herverschieblichen
Kolbens (2) in einem liegend angeordneten Zylinder (1) befindlichen
Zylinderkammern (11, 12) eingespritzt oder eingesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wärmeträgermedium in die jeweils in einem bestimmten Umfangsbereich eines Zylinders (10) zwischen der Zylinderwand und einem darin umlaufenden Kreiskolben (20) gebildeten Zylinderkammer (101, 102, 103) eingespritzt oder eingesprüht wird.
4. Heißgas- Wärmekraftmaschine, mit einem Zylinder (1) und einem darin beweglichen, von dem Heißgas angetriebenen Kolben (2, 20), wobei das Heißgas durch extern zugeführte Wärme in der jeweiligen Zylinderkammer (11, 12; 101, 102, 103) erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (31, 41; 110) zum Einspritzen oder Einsprühen eines heißen Wärmeträgermediums in flüssigem oder naßdampfförmigem Zustand in die jeweilige Zylinderkammer und Mittel zum Sammeln und Ableiten von
verbrauchtem Wärmeträgermedium in flüssigem Zustand in einem Bodenbereich der jeweiligen Zylinderkammer vorgesehen sind. 5. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, mit her- und hergehendem Kolben (2), wobei der Zylinder (1) liegend angeordnet ist und die Mittel zum Einspritzen oder Einsprühen eines heißen Wärmeträgermediums dieses jeweils entsprechend der Kolbenposition gesteuert abwechselnd in die eine (11) und die andere (12) von zwei axial beiderseits des im Zylinder (1) hin- und herbeweglichen Kolbens (2) angeordneten
Zylinderkammern (11, 12) eingespritzt oder eingesprüht wird.
6. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 5, wobei die Zylinderwand (13) permanent
gekühlt wird. 7. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, wobei der Kolben (2) ein Drehkolben (20) nach dem Prinzip des Wankelmotors ist, der zwischen sich und der Zylinderwand (110) mit dem Drehkolben umlaufende Zylinderkammern (101, 102, 103) bildet, die während ihres Umlaufs volumenveränderlich sind, und wobei die Mittel zum Einspritzen oder Einsprühen des Wärmeträgermediums in einen bestimmten Bereich des
Zylinderumfangs angeordnet sind.
8. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 7, wobei die Zylinderwand (110) in einem
umfangsmäßig von der Einspritz- oder Einsprühstelle des Wärmeträgermediums entfernten Bereich permanent gekühlt ist.
9. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei zur Kühlung der
Zylinderwand (13, 110) in der Zylinderwand Kühlkanäle vorgesehen sind, die von einem Kühlmittel oder Kältemittel durchströmt werden.
10. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei ein Druckgasfüllventil (51) in der Zylinderwand (13, 110) vorgesehen ist, um Druckgasverluste
auszugleichen.
11. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei der oder jeder
Sammelkammer (6, 130) für verbrauchtes Wärmeträgermedium ein durch den
Flüssigkeitspegel gesteuertes Ablaßventil (218) zugeordnet ist.
12. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 11, wobei der Kolben (2; 20) direkt oder indirekt auf einen piezoelektrischen Generator (8) wirkt, der mit
Schrittpiezopaketen unmittelbar mit dem Kolben (2) oder mit einem vom Kolben bewegten Abtriebsorgan zusammenwirken.
13. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, wobei der hin- und hergehende Kolben mit seinem Kolbenmantel (21) unmittelbar mit den Schrittpiezopaketen von um den Umfang des Kolbens herum angeordneten piezoelektrischen Generatoren (8) zusammenwirkt oder der Kolben (2) mit daran angeordneten Magnetringen mit einem den Kolben umgebenden elektrischen Stator einen elektrischen Lineargenerator bildet.
14. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 5, wobei der Kolben (2) in seinem unteren
Bereich mit Rollen (23) versehen ist, die mit dem unten liegenden Bereich der
Zylinderwand (13) zusammenwirken.
15. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rekuperator (206) vorgesehen ist, vorzugsweise im Boden des Kolbens (207) oder im
Zylindergehäuse (10) zur Arbeitsluft- Rückkühlung. 16. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenstange (209) ein Kompressionskolben (215) zugeordnet ist.
17. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß Eisklappen (219) vorgesehen sind.
18. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einspritzregelung mittels zweier gegeneinander durch einen Servomotor (212) verstellbare Kolben (210, 211) erfolgt.
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KR1020157034859A KR20160019429A (ko) 2013-05-21 2014-05-20 폐열 또는 지열 열을 이용하기 위한 방법 및 그 열 엔진
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015165581A2 (de) * 2014-04-27 2015-11-05 Richter, Berta Verfahren und wärmekraftmaschine zur nutzbarmachung von abwärme oder geothermischer wärme zur erzeugung von elektrischer energie
CN105897049B (zh) * 2016-06-06 2017-12-19 南京航空航天大学 一种转动碰撞式月面压电能量收集装置及其工作方法
CN108035780B (zh) * 2017-12-26 2024-05-28 广西电力职业技术学院 一种冷凝发电机
CN108674197B (zh) * 2018-07-09 2021-07-23 哈尔滨工程大学 一种适用于四驱电动汽车的动力装置及动力驱动方法
CN109882309A (zh) * 2019-03-05 2019-06-14 廖红林 一种余热高效温差发电机
US11125183B1 (en) 2020-08-04 2021-09-21 Navita Energy, Inc. Effective low temperature differential powered engines, systems, and methods
FR3120916B1 (fr) * 2021-03-17 2023-03-17 Berthelemy Pierre Yves Cartouche pour machine thermique à cycle thermodynamique et module pour machine thermique associé
CN114542197B (zh) * 2022-02-28 2024-10-22 池州市金能供热有限公司 一种地热能循环发电装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3608311A (en) * 1970-04-17 1971-09-28 John F Roesel Jr Engine
US3869863A (en) * 1973-03-22 1975-03-11 Mark A Juge Rotary steam vapor and external combustion engine
US4393653A (en) * 1980-07-16 1983-07-19 Thermal Systems Limited Reciprocating external combustion engine
WO2007068441A1 (de) * 2005-12-12 2007-06-21 Richter, Berta Piezoelektrischer motor zur verwendung als fahrzeugantrieb, stellantrieb und dergleichen
WO2010105288A1 (en) * 2009-03-15 2010-09-23 Ivec Pty Ltd Thermal engine using an external heat source
WO2010132924A1 (en) * 2009-05-18 2010-11-25 Martin De Silva System, method and components for steam power
US20110030646A1 (en) * 2009-08-10 2011-02-10 Barry Leonard D Jet exhaust piston engine
DE102010005232A1 (de) * 2010-01-21 2011-09-08 Gerhard Stock Anordnung zum Umwandeln von thermischer in motorische Energie
US8234863B2 (en) * 2010-05-14 2012-08-07 Sustainx, Inc. Forming liquid sprays in compressed-gas energy storage systems for effective heat exchange
DE102012004158A1 (de) * 2012-03-05 2013-09-05 Bomat Heiztechnik Gmbh Anlage zur Nutzung von Wärmeenergie
EP2711509A3 (de) * 2012-09-20 2015-02-25 Richter, Berta Verfahren und Wärmekraftmaschine zur Nutzbarmachung von Abwärme oder geothermischer Wärme
DE202013011700U1 (de) * 2013-02-07 2014-04-08 En3 Gmbh Anordnung zur direkten thermopneumatischen oder thermohydraulischen Umwandlung von Dampfenergie in Nutz-Energie

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160019429A (ko) 2016-02-19
US20160201599A1 (en) 2016-07-14
WO2014187558A3 (de) 2015-03-19
WO2014187558A2 (de) 2014-11-27
CN105556067A (zh) 2016-05-04
JP2016527425A (ja) 2016-09-08

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