EP2880294A2 - Wärmekraftmaschine und thermodynamischer kreisprozess zur umwandlung von wärme in nutzarbeit - Google Patents

Wärmekraftmaschine und thermodynamischer kreisprozess zur umwandlung von wärme in nutzarbeit

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EP2880294A2
EP2880294A2 EP13745126.6A EP13745126A EP2880294A2 EP 2880294 A2 EP2880294 A2 EP 2880294A2 EP 13745126 A EP13745126 A EP 13745126A EP 2880294 A2 EP2880294 A2 EP 2880294A2
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EP
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working gas
heat
heat engine
storage
storage arrangement
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EP13745126.6A
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István MAJOROS
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G1/044—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 having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • F02G1/0445—Engine plants with combined cycles, e.g. Vuilleumier
    • 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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    • F02G1/043—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 heat engine for converting heat into useful work according to the features of the preamble of claim 1 and a thermodynamic cyclic process.
  • heat engines are used to convert heat into useful work, which can be used for example for driving a generator or a vehicle.
  • a fuel is burned and the heat energy released thereby is converted into mechanical work.
  • a group of heat engines form the internal combustion engines.
  • a mixture of air and fuel is compressed so much by a piston that it ignites spontaneously.
  • the energy thus released leads to an expansion of the gas and thus to a force on the piston, which can then perform a mechanical work. After complete expansion of the gas, this is released as exhaust gas to the environment and the residual heat contained therein can no longer be used.
  • heat engines are hot air engines, such as a Stirling engine.
  • heat is supplied to the engine from the outside, for example by an external combustion or a solar system.
  • a closed working gas Inside the engine there is a closed working gas, to which the heat is supplied and which undergoes a thermodynamic cyclic process to convert the heat into useful work.
  • such heat engines have a storage arrangement for a working gas, which is divided into a cold and a warm chamber.
  • a working piston arrangement By means of a movable piston arrangement, the working gas is pressed back and forth between the two chambers and at the same time the total volume of the storage arrangement is changed.
  • the total volume is variable, for example, by the movement of a working piston, which dissipates the work done by the working gas as useful work.
  • Such devices have the disadvantage that the efficiency in the internal combustion engines is reduced by the fact that the waste heat of the exhaust gas can not be converted into mechanical work.
  • the hot-air engines have a relatively complex mechanism that can not simulate the ideal cycle and thereby also the efficiency is reduced.
  • the object of the invention is to provide a heat engine and a thermodynamic cycle for converting heat into useful work, which allow a low complexity of the mechanically moving elements and allow high efficiency.
  • the invention provides a heat engine for conversion of heat into useful work having the features of the preamble of claim 1 with the features of the characterizing part, according to which the heat engine comprises a second storage arrangement for the working gas, which in a second cold and a second warm chamber is divided and a second movable piston assembly is designed such that it changes the total volume of the second storage arrangement and the working gas between the two second chambers back and forth, and that a connection between the first and the second storage arrangement is provided that at least during a subset of the working gas is exchanged between the two storage arrangements of a predefined constellation of the two piston assemblies.
  • the heat engine according to the invention provides a first storage arrangement with a first movable piston assembly which reciprocates the working gas contained therein between the two first chambers and additionally comprises a second storage arrangement, in which a second movable storage arrangement, the working gas between the two second chambers back and forth and in addition a connection between the first and the second memory arrangement is provided to exchange a partial amount of the working gas between the two storage arrangements during a predefined constellation of the two piston assemblies, a pressure equalization between the two memory arrangements is achieved.
  • a mass Am of the working gas is discharged from the one higher pressure accumulator assembly to the other lower pressure accumulator assembly.
  • the heat engine may be an internal combustion engine or a hot air engine.
  • the warm chambers may be designed to be heated by an external heat source.
  • the cold chambers may be designed so that heat can be dissipated to an external storage or to the environment.
  • the two storage arrangements can be designed as cylinders, in each of which the movable piston arrangements run.
  • the storage arrangements can be tubular, in which in particular the piston arrangements run with a linear movement.
  • the first and second memory arrangements may be the same.
  • the first and second movable piston assemblies may be mechanically coupled together.
  • the working gas may comprise a monatomic or biphasic gas, and in particular may be a gas mixture.
  • the static pressure of the gas may be variable in a range of 2 to 150 bar.
  • the working gas may be in particular air.
  • the temperature difference between the hot and the cold chamber of a respective storage arrangement may preferably be in a range from 1 K to 1000 K, in particular in a range from 10 K to 300 K, in particular in a range from 50 K to 150 K.
  • the heat engine may be configured so that the working gas is hermetically sealed in the two storage arrangements.
  • connection of the two storage arrangements can be designed such that an exchange of a partial quantity of the working gas from the warm chamber of the one storage arrangement flows to the cold chamber of the second storage arrangement. This ensures that part of the heat already present in the one memory arrangement is transferred to the other memory arrangement.
  • connection of the two storage arrangements be designed so that when exchanging a partial amount of the working gas, the volume of the warm chamber of the one storage arrangement and the cold chamber of the other storage arrangement is maximum.
  • the first and the second memory arrangement can be designed as first and second displacement cylinders.
  • At least one storage arrangement may comprise a piston arrangement with a displacement piston and be designed so that the total volume of the storage arrangement does not change during a movement of the displacement piston.
  • the piston assembly may be configured to divide the accumulator assembly into the cold and warm chambers.
  • connection between the two storage arrangements may comprise a working cylinder which is particularly suitable for changing the total volume of the two storage arrangements.
  • the power cylinder may be configured to simultaneously change the total volume of both memory arrays.
  • the change of the total volume of the two storage arrangements is effected by the working cylinder and the back and forth of the working gas between the two chambers by the displacement piston. This allows a correspondingly simple implementation of the mechanics of the heat engine.
  • the displacement cylinder and the working cylinder can be arranged on a common axis.
  • the two piston arrangements may comprise a piston rod, on which a working piston and two displacement pistons are arranged.
  • the working piston can run within the working cylinder and the two displacement pistons within the respective displacement cylinder.
  • the two storage arrangements can each comprise a heater and a cooler which are suitable for supplying or removing heat energy to the working gas.
  • the heater and the radiator of a storage arrangement can be arranged in a region of the hot or cold chamber. The fact that the two storage arrangements each comprise a heater and a cooler, a more efficient exchange is achieved with the working gas, since the heat does not have to be added or removed from the working gas via housing parts.
  • the radiator and / or the heater may be arranged so that the working gas passes through them when switching between the cold and the warm chamber.
  • the heater and / or the radiator may comprise a lamellar structure which permits efficient heat exchange with the working gas.
  • a regenerator which is suitable for storing heat from the working gas can be arranged in each case between the heater and the cooler. As a result of this arrangement, part of the heat can be extracted from the warm working gas by the regenerator and later returned to the cold working gas. Thus, the efficiency of the heat engine can be further increased.
  • the regenerator may be configured to add or remove heat to the working gas as the working gas is reciprocated between the warm and cold chambers.
  • the regenerator may have a lamellar structure.
  • the warm chamber may be divided into two sub-chambers, which are interconnected via a connecting channel.
  • At least one storage arrangement can be designed such that a displacement piston, a cold chamber, a heater, a regenerator and / or a cooler is arranged in a cylinder between the first and the second partial chamber.
  • the second sub-chamber may be connected to the working cylinder.
  • the heat engine may include a flywheel and / or a spring, which is in particular connected to the first and / or the second piston assembly.
  • the flywheel and / or the spring may be adapted to temporarily store a portion of the performed work of the first and / or the second memory array and later return it to the memory array.
  • the flywheel and / or the Spring can be connected to the piston rod.
  • the invention further provides a thermodynamic cycle for a heat engine, according to which in a work cycle during a first process step in a first memory arrangement, a volume V ! of a working gas having the mass rrii + Am is expanded and heated from a temperature Tu and a compensation pressure p m to a volume Vi + AVi so that thereafter the temperature Ti 2 is greater than Tu and the pressure p 2 is greater than the compensation pressure p m , and during a second process step in a second storage arrangement, a volume V 2 + AV 2 of a working gas having the mass m 2 is compressed and cooled from a temperature T 22 and the compensation pressure p m to a volume V 2 such that thereafter the temperature T 2 i is less than T 22 and the pressure pi is smaller than the compensation pressure p m , and during a third process step a compression in the first memory arrangement and an expansion in the second memory arrangement takes place such that in both memory arrangements the same compensation pressure p m of the working gas is present, wherein preferably the two storage arrangements
  • the first and the second process step can take place simultaneously.
  • a volume V ! + AV ! of a working gas with the mass m-, starting from a temperature T 12 and the compensation pressure p m are compressed and cooled to a volume Vi so that thereafter the temperature Tu is less than Ti 2 and the pressure pn is smaller than the compensation pressure p m
  • a volume V 2 of a working gas having the mass m 2 + Am can be expanded and heated from a temperature T 21 and a compensation pressure p m to a volume V 2 + AV 2 Thereafter, the temperature T 22 is greater than T 21 and the pressure p 22 is greater than the compensation pressure p m .
  • an expansion in the first storage arrangement and a compression in the second storage arrangement can take place such that the same equilibrium pressure p m of the working gas then exists in both storage arrangements, wherein preferably the two memory arrangements are connected to one another such that a mass Am of the working gas is exchanged between the two memory arrangements.
  • the fourth and the fifth process step can take place simultaneously.
  • the heat engine may be connected to a solar system, which in particular has solar panels for converting solar energy into heat.
  • the heat engine can be provided to generate useful work from the waste heat of a second heat engine.
  • Figure 1 is a schematic representation of a heat engine according to the invention in a side view
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the heat engine according to FIG. 1 during the process steps 1 and 2 of the thermodynamic cycle
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the heat engine according to FIG. 1 during the process step 3 of the thermodynamic cycle
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the heat engine according to FIG. 1 during the process steps 4 and 5 of a further cycle of the thermodynamic cycle;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the heat engine according to FIG. 1 during the process step 6 of a further cycle of the thermodynamic cycle; and FIG. 6 shows in a pV diagram a cycle of the thermodynamic cycle.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a heat engine 1 according to the invention in a side view.
  • a first storage arrangement 2A for a working gas which is subdivided into a first cold chamber 3A and a first warm chamber 4A. The subdivision is carried out here via the first movable piston assembly 5A.
  • a second storage arrangement 2B which is divided into the second cold chamber 3B and the second hot chamber 4B by a second movable piston arrangement 5B.
  • the two storage arrangements 2A, 2B are connected to one another via a connection 6, so that during two constellations of the piston arrangements 5A, 5B a partial amount of the working gas can be exchanged between the two storage arrangements 2A, 2B.
  • the two storage arrangements 2A, 2B are designed as displacement cylinders 7A, 7B, which have a circular cross-section and are each subdivided into a warm chamber 4A, 4B and a cold chamber 3A, 3B.
  • the subdivision is realized by the piston assembly 5A, 5B, wherein the two displacement pistons 1 1 A and 1 1 B are located on a common piston rod 9.
  • the piston rod 9 moves back and forth on the axis C-C.
  • the storage devices 2A, 2B each have a heater 12A, 12B, a regenerator 14A, 14B, and a radiator 13A, 13B. With the heaters 12A, 12B, heat can be supplied to the working gas derived from an external heat source.
  • the coolers 13A, 13B are designed so that the working gas can be extracted from heat and discharged to the outside. For example, this is done by a cooling water circuit that flows through the radiator 13A, 13B.
  • a regenerator 14A, 14B is arranged, which is designed here as a copper wire mesh and thus can temporarily store heat from the working gas as it flows through.
  • the warm chambers 4A, 4B are subdivided into respectively two sub-chambers 4Aa, 4Ab, 4Ba, 4Bb, which are connected to one another via the connecting channels 15A, 15B.
  • the displacement piston 1 1 A, 1 1 B the working gas from the cold chamber 3A, 3B through the radiator 13A, 13B, the regenerator 14A, 14B, the heater 12A, 12B in which a warm compartment chamber 4Ab, 4Bb GE. long and from there via the connecting channel 15A, 15B in the other sub-chamber 4Aa, 4Ba.
  • this process can be reversed.
  • connection 6 which is designed as a working cylinder 8.
  • a working piston 10 which is also firmly connected to the piston rod 9 runs.
  • the total volume of the storage arrangement 2A, 2B is thus changed.
  • the working piston 10 is moved to the left in FIG. 1, the volume of the first storage arrangement 2A is increased or that of the second storage arrangement 2B is reduced.
  • the volume of the first storage arrangement 2A is reduced or the storage arrangement 2B is enlarged.
  • the piston rod is connected to a crankshaft, on which a flywheel is mounted (not shown here), which can buffer a part of the work done by the working gas.
  • a flywheel is mounted (not shown here)
  • the exact function of the heat engine and the movement of the working gas within the displacement piston 7A, 7B and the working piston will be explained in more detail with reference to the following four figures.
  • FIG. 2 the heat engine according to FIG. 1 is shown schematically during process steps 1 and 2 of the thermodynamic cycle, the piston rod 9 moving to the left in FIG. It can be seen that the displacement piston 1 1 A within the displacement cylinder 7A also moves to the left, the volume of the cool chamber 3A decreases. As a result, the working gas is forced through the radiator 13A, the regenerator 14A and the heater 12A, and as a result, the working gas is heated and passes from there to the sub-chamber 4Ab subsequent to the heater. A part of the working gas flows from there through the connection channel 15A back into the second partial chamber 4Aa. Thus, there is also heated working gas in the second sub-chamber 4Aa.
  • the working piston 10 moves with the piston rod 9 to the left and the total volume of the first storage device 2A is increased accordingly.
  • the volume V of the working gas with the mass m + Am is thus increased in the first storage arrangement 2A and, at the same time, the temperature is increased from to T 2 .
  • the temperature increase is chosen so that the pressure of the working gas from p m to p 2 increases. This causes a force on the working piston 1 0, whereby the actual useful work is performed by the working gas and can be derived via the working piston 1 0.
  • the volume of the warm sub-chamber 4Ba decreases and the working gas is forced through the connecting channel 15B into the second warm sub-chamber 4Bb. Subsequently, the working gas is forced by the heater 12B, the regenerator 14B and the radiator 13B and thus cooled, and then enters the cold chamber 3B. At the same time, the total volume of the storage arrangement 2B is reduced by the movement of the working piston 1 0 in Figure 2 to the left.
  • the working gas having the mass m in the second storage device 2B is cooled from the temperature T 2 to the lower temperature Ti and at the same time the volume is compressed from V + AV to V. At the same time, the working gas is cooled down so much that the pressure also drops to a low pressure p 2 .
  • the first memory device 2A Just before the pistons 1 1 A, 1 0, 1 1 B have reached their extreme position in Figure 2 left, so is in the first memory device 2A a partial mass m + Am with the high temperature T 2 , the high pressure p 2 and the larger volume V + AV.
  • the second storage device 2B is a subset of the working gas with the mass m, the low temperature T ; the low pressure and the smaller volume V.
  • this subset Am of the working gas is cooled to the temperature Ti.
  • the corresponding gas compression work q1 is transferred from the first memory array 2A to the second memory array 2B.
  • FIG. 4 diagrammatically shows the heat engine according to FIG. 1 during process steps 4 and 5 of a further cycle of the thermodynamic cyclic process, the reverse change of state taking place here as in FIG. 2. It can be seen here that the piston rod 9 moves to the right and thus also the two displacement pistons 1 1 A, 1 1 B, and the working piston 10th
  • the working gas having the mass m is cooled to the lower temperature after the state change, and thereby the volume V + AV is compressed to V.
  • the pressure is lowered in this state change from the mean pressure p m to the lower pressure.
  • the working gas is forced from the cool chamber 3B through the radiator 13B, the regenerator 14B and the heater 12B into the sub-chamber 4Bb and heated. Subsequently, it passes through the connecting channel 15B into the second warm partial chamber 4Ba. At the same time, the total Lumen of the second memory assembly 2B by the movement of the working piston 10 in the working cylinder 8 increases.
  • the working gas with the mass m + Am in the second memory arrangement 2B after this change of state has the higher temperature T 2 , the greater volume V + AV and the higher pressure p 2 .
  • FIG. 5 shows the heat engine according to FIG. 1 during the process step 6 of a further cycle of the thermodynamic cycle.
  • the pistons 1 1 A, 10, 1 1 B are in the outermost rightmost position.
  • the volume of the cold chamber 3A and in the second storage arrangement 2B the volume of the hot chamber 4B is maximum.
  • the working piston moves so far out of the working cylinder that an open connection between the two storage arrangements 2A, 2B is formed.
  • a pressure equalization between the two storage devices 2A, 2B is achieved and a subset of the working gas with the mass Am flows from the second memory arrangement with the higher pressure p 2 in the first memory device 2A with the lower pressure pi.
  • the working gas passes past the working piston through the heater 12A and the regenerator 14A and the radiator 1 3A in the cooler chamber 3A and is thereby cooled.
  • the mean pressure q m prevails in both storage arrangements 2A, 2B.
  • FIG. 6 shows a p-V diagram of a cycle of the thermodynamic cycle in which the state changes of FIGS. 2 and 3 are summarized. You can see a diagram in which the abscissa shows the volume and the ordinate the pressure.
  • the working gas has the mean pressure p m , the volume V and the temperature T ⁇
  • the working gas now reaches the volume V + AV and is simultaneously at the temperature T 2 heated.
  • the pressure equalization between the two memory arrangements 2A, 2B takes place on the mean pressure p m , wherein now the working gas in the first memory device 2A in state Z 3 and in the second memory device 2B in state ⁇ .
  • the mass Am of the working gas is discharged from the first storage arrangement 2A to the second storage arrangement 2B.

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Abstract

Wärmekraftmaschine (1) zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit, umfassend einer ersten Speicheranordnung (2A) für ein Arbeitsgas, wobei diese in eine erste kalte (3A) und eine erste warme (4A) Kammer unterteilt ist, und eine erste bewegliche Kolbenanordnung (5A) derart ausgeführt ist, dass sie das Gesamtvolumen der ersten Speicheranordnung (2A) verändert und das Arbeitsgas zwischen den beiden ersten Kammern (3A, 4A) hin- und herdrückt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (1) eine zweite Speicheranordnung (2B) für das Arbeitsgas umfasst, wobei diese in eine zweite kalte (3B) und eine zweite warme (4B) Kammer unterteilt ist, und eine zweite bewegliche Kolbenanordnung (5B) derart ausgeführt ist, dass sie das Gesamtvolumen der zweiten Speicheranordnung (2B) verändert und das Arbeitsgas zwischen den beiden zweiten Kammern (3B, 4B) hin- und herdrückt, und dass eine Verbindung (6) zwischen der ersten und der zweiten Speicheranordnung (2A, 2B) dafür vorgesehen ist, dass zumindest während einer vordefinierten Konstellation der beiden Kolbenanordnungen (5A, 5B) eine Teilmenge des Arbeitsgases zwischen beiden Speicheranordnungen (2A, 2B) ausgetauscht wird.

Description

Wärmekraftmaschine und thermodynamischer Kreisprozess zur Umwandlung von
Wärme in Nutzarbeit
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 und einen thermody- namischen Kreisprozess.
Üblicherweise dienen Wärmekraftmaschinen zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit, die beispielsweise für den Antrieb eines Generators oder eines Fahrzeugs verwendet werden kann. Dabei wird entweder innerhalb oder au ßerhalb der Wärmekraftmaschine ein Kraftstoff verbrannt und die dabei freigesetzte Wärmeenergie in mechanische Arbeit um- gewandelt.
Eine Gruppe von Wärmekraftmaschinen bilden die Verbrennungsmotoren. Dabei wird beispielsweise in einem Dieselmotor in einem Zylinder ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff durch einen Kolben so stark komprimiert, dass es sich von selbst entzündet. Die so frei gesetzte Energie führt zu einer Expansion des Gases und somit zu einer Kraft auf den Kolben, welcher dann eine mechanische Arbeit verrichten kann. Nach der vollständigen Expansion des Gases wird dieses als Abgas an die Umwelt abgegeben und die darin enthaltene Restwärme kann nicht mehr genutzt werden.
Weitere Vertreter der Wärmekraftmaschinen sind Heißluftmotoren, wie beispielsweise ein Stirling-Motor. Dabei wird dem Motor von außen Wärme zugeführt, beispielsweise durch eine äu ßere Verbrennung oder eine Solaranlage. Innerhalb des Motors befindet sich ein abgeschlossenes Arbeitsgas, dem die Wärme zugeführt wird und das einen thermodyna- mischen Kreisprozess durchläuft, um die Wärme in Nutzarbeit umzuwandeln.
Üblicherweise weisen derartige Wärmekraftmaschinen eine Speicheranordnung für ein Arbeitsgas auf, die in eine kalte und eine warme Kammer unterteilt ist. Mittels einer be- weglichen Kolbenanordnung wird das Arbeitsgas zwischen den beiden Kammern hin- und hergedrückt und gleichzeitig das Gesamtvolumen der Speicheranordnung verändert. Das Gesamtvolumen ist dabei beispielsweise durch die Bewegung eines Arbeitskolbens veränderbar, der die vom Arbeitsgas geleistete Arbeit als Nutzarbeit abführt. Derartige Vorrichtungen haben zum Nachteil, dass der Wirkungsgrad bei den Verbrennungsmotoren dadurch vermindert wird, dass die Abwärme des Abgases nicht in mechanischer Arbeit umgewandelt werden kann. Andererseits weisen die Heißluftmotoren eine relative komplexe Mechanik auf, die den idealen Kreisprozess nicht nachbilden kann und wodurch auch hier der Wirkungsgrad vermindert wird.
Aufgabe der Erfindung ist, eine Wärmekraftmaschine und einen thermodynamischen Kreisprozess zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit bereitzustellen, die eine geringe Komplexität der mechanisch bewegten Elemente ermöglichen und einen hohen Wirkungsgrad erlauben. Die Erfindung stellt eine Wärmekraftmaschine zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils bereit, gemäß dem die Wärmekraftmaschine eine zweite Speicheranordnung für das Arbeitsgas umfasst, wobei diese in eine zweite kalte und eine zweite warme Kammer unterteilt ist und eine zweite bewegliche Kolbenanordnung derart ausgeführt ist, dass sie das Gesamtvolumen der zweiten Speicheranordnung verändert und das Arbeitsgas zwischen den beiden zweiten Kammern hin- und herdrückt, und dass eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Speicheranordnung dafür vorgesehen ist, dass zumindest während einer vordefinierten Konstellation der beiden Kolbenanordnungen eine Teilmenge des Arbeitsgases zwischen beiden Speicheranordnungen ausgetauscht wird.
Dadurch, dass die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine eine erste Speicheranordnung mit einer ersten beweglichen Kolbenanordnung bereitstellt, welche das darin enthaltene Arbeitsgas zwischen den beiden ersten Kammern hin- und herdrückt und zusätzlich eine zweite Speicheranordnung umfasst, in der eine zweite bewegliche Speicheranord- nung das Arbeitsgas zwischen den beiden zweiten Kammern hin- und herdrückt und zusätzlich eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Speicheranordnung dazu vorgesehen ist, während einer vordefinierten Konstellation der beiden Kolbenanordnungen eine Teilmenge des Arbeitsgases zwischen beiden Speicheranordnungen auszutauschen, wird ein Druckausgleich zwischen beiden Speicheranordnungen erzielt. Durch den Druckausgleich wird eine Masse Am des Arbeitsgases von der einen Speicheranordnung mit dem höheren Druck an die andere Speicheranordnung mit dem niedrigeren Druck abgegeben. Entsprechend wird also ein Teil der Gaskompressionsarbeit in einer Spei- cheranordnung als Verdichtungsarbeit an die andere Speicheranordnung übertragen, und geht somit nicht verloren. Dies bewirkt eine entsprechende Erhöhung des Wirkungsgrads der Wärmekraftmaschine. Zusätzlich ist es möglich, die beiden beweglichen Kolbenanordnungen so zu koppeln, dass ein erster Teilzyklus des thermodynamischen Kreispro- zesses in einer Speicheranordnung abläuft und der andere Teil in der anderen Speicheranordnung. Somit kann das Arbeitsgas in einer Speicheranordnung den maximalen Druck erreichen und gleichzeitig in der anderen Speicheranordnung den minimalen Druck im Kreisprozess, so dass der Druckausgleich bei einer maximalen Druckdifferenz erfolgen kann. Hiermit kann ein noch höherer Wirkungsgrad erreicht werden. Die Wärmekraftmaschine kann ein Verbrennungsmotor oder ein Heißluftmotor sein. Die warmen Kammern können so ausgeführt sein, dass ihnen von einer externen Wärmequelle Wärme zugeführt wird. Die kalten Kammern können so ausgeführt sein, dass von diesen Wärme an einen externen Speicher oder an die Umgebung abgeführt werden kann. Die beiden Speicheranordnungen können als Zylinder ausgeführt sein, in denen jeweils die beweglichen Kolbenanordnungen laufen. Anders ausgedrückt können die Speicheranordnungen röhrenförmig sein, in denen insbesondere die Kolbenanordnungen mit einer linearen Bewegung laufen. Die erste und die zweite Speicheranordnung können gleich ausgeführt sein. Die erste und die zweite bewegliche Kolbenanordnung können mechanisch miteinander gekoppelt sein. Das Arbeitsgas kann ein einatomiges oder zwei- atomiges Gas umfassen, und insbesondere ein Gasgemisch sein. Der statische Druck des Gases kann in einem Bereich von 2 bis 150 bar variabel sein. Das Arbeitsgas kann insbesondere Luft sein.
Die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Kammer einer jeweiligen Speicheranordnung kann vorzugsweise in einem Bereich von 1 K bis 1000 K, insbesonde- re in einem Bereich von 10 K bis 300K, insbesondere in einem Bereich von 50 K bis 150 K liegen. Die Wärmekraftmaschine kann so ausgeführt sein, dass das Arbeitsgas in den beiden Speicheranordnungen hermetisch eingeschlossen ist.
Insbesondere kann die Verbindung der beiden Speicheranordnungen so ausgeführt sein, dass ein Austausch einer Teilmenge des Arbeitsgases aus der warmen Kammer der ei- nen Speicheranordnung zu der kalten Kammer der zweiten Speicheranordnung fließt. Dadurch wird erreicht, dass ein Teil der bereits in der einen Speicheranordnung vorhandenen Wärme in die andere Speicheranordnung übergeführt wird. Noch vorteilhafter kann die Verbindung der beiden Speicheranordnungen so ausgeführt sein, dass beim Austausch einer Teilmenge des Arbeitsgases das Volumen der warmen Kammer der einen Speicheranordnung und das der kalten Kammer der anderen Speicheranordnung maximal ist. Vorteilhafterweise kann die erste und die zweite Speicheranordnung als erster und zweiter Verdrängungszylinder ausgeführt sein.
Anders ausgedrückt kann mindestens eine Speicheranordnung eine Kolbenanordnung mit einem Verdrängungskolben umfassen und so ausgeführt sein, dass sich bei einer Bewegung des Verdrängungskolbens das Gesamtvolumen der Speicheranordnung nicht ver- ändert. Die Kolbenanordnung kann so ausgeführt sein, dass diese die Speicheranordnung in die kalte und die warme Kammer unterteilt.
Die Verbindung zwischen den beiden Speicheranordnungen kann ein Arbeitszylinder umfassen, der insbesondere dazu geeignet ist, das Gesamtvolumen der beiden Speicheranordnungen zu verändern. Dadurch, dass die Verbindung als Arbeitszylinder ausgeführt ist, können die erste und die zweite Speicheranordnung als Verdrängungszylinder ausgeführt sein. Der Arbeitszylinder kann so ausgeführt sein, dass er das Gesamtvolumen beider Speicheranordnungen gleichzeitig verändert. Somit wird einerseits die Veränderung des Gesamtvolumens der beiden Speicheranordnungen durch den Arbeitszylinder bewirkt und das Hin- und Herdrücken des Arbeitsgases zwischen den beiden Kammern durch die Ver- drängungskolben. Dies erlaubt eine entsprechend einfache Umsetzung der Mechanik der Wärmekraftmaschine.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung können die Verdrängungszylinder und der Arbeitszylinder auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sein. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Konfiguration der Wärmekraftmaschine. Die beiden Kolbenanordnungen können eine Kolbenstange umfassen, auf der ein Arbeitskolben und zwei Verdrängungskolben angeordnet sind. Dabei kann der Arbeitskolben innerhalb des Arbeitszylinders laufen und die beiden Verdrängungskolben innerhalb der jeweiligen Verdrängungszylinder. Dadurch, dass sowohl der Arbeitskolben, als auch die beiden Verdrängungskolben auf einer Kolbenstange angeordnet sind, ergibt sich eine besonders einfache Konstruktion der Kolbenanordnungen. Die beiden Speicheranordnungen können jeweils einen Erhitzer und einen Kühler umfassen, die dazu geeignet sind, dem Arbeitsgas Wärmeenergie zu- oder abzuführen. Der Erhitzer und der Kühler einer Speicheranordnung kann in einem Bereich der warmen bzw. kalten Kammer angeordnet sein. Dadurch, dass die beiden Speicheranordnungen jeweils einen Erhitzer und einen Kühler umfassen, wird ein effizienterer Austausch mit dem Arbeitsgas erreicht, da die Wärme dem Arbeitsgas nicht über Gehäuseteile zu- oder abgeführt werden muss.
Der Kühler und/oder der Erhitzer können so angeordnet sein, dass das Arbeitsgas diese beim Wechsel zwischen der kalten und der warmen Kammer durchläuft. Der Erhitzer und/oder der Kühler kann eine Lamellenstruktur umfassen, welche einen effizienten Wärmeaustausch mit dem Arbeitsgas erlaubt.
Insbesondere kann zwischen dem Erhitzer und dem Kühler jeweils ein Regenerator angeordnet sein, der dazu geeignet ist, Wärme aus dem Arbeitsgas zu speichern. Durch diese Anordnung kann dem warmen Arbeitsgas ein Teil der Wärme durch den Regenera- tor entzogen werden und später dem kalten Arbeitsgas wieder zugeführt werden. Somit lässt sich der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine weiter erhöhen. Der Regenerator kann so ausgeführt sein, dass er die Wärme dem Arbeitsgas zu- oder abführt, wenn das Arbeitsgas zwischen der warmen und der kalten Kammer hin- und hergedrückt wird. Der Regenerator kann eine Lamellenstruktur aufweisen. Die warme Kammer kann in zwei Teilkammern unterteilt sein, die über einen Verbindungskanal miteinander verbunden sind. Mindestens eine Speicheranordnung kann so ausgeführt sein, dass in einem Zylinder zwischen der ersten und der zweiten Teilkammer ein Verdrängungskolben, eine kalte Kammer, ein Erhitzer, ein Regenerator und/oder ein Kühler angeordnet ist. Die zweite Teilkammer kann mit dem Arbeitszylinder verbunden sein.
Die Wärmekraftmaschine kann ein Schwungrad und/oder eine Feder umfassen, die insbesondere mit der ersten und/oder der zweiten Kolbenanordnung verbunden ist. Das Schwungrad und/oder die Feder können dazu geeignet sein, einen Teil der verrichteten Arbeit der ersten und/oder der zweiten Speicheranordnung zwischenzuspeichern und diese später an die Speicheranordnung zurückzugeben. Das Schwungrad und/oder die Feder können mit der Kolbenstange verbunden sein. Durch diese Anordnung kann der Gleichlauf der Wärmekraftmaschine verbessert werden.
Die Erfindung stellt ferner einen thermodynamischen Kreisprozess für eine Wärmekraftmaschine bereit, gemäß dem in einem Arbeitszyklus während eines ersten Prozessschrit- tes in einer ersten Speicheranordnung ein Volumen V! eines Arbeitsgases mit der Masse rrii + Am ausgehend von einer Temperatur Tu und einem Ausgleichsdruck pm zu einem Volumen Vi + AVi so expandiert und erwärmt wird, dass danach die Temperatur Ti2 größer ist als Tu und der Druck p2 größer ist als der Ausgleichsdruck pm, und während eines zweiten Prozessschrittes in einer zweiten Speicheranordnung ein Volumen V2 + AV2 eines Arbeitsgases mit der Masse m2 ausgehend von einer Temperatur T22 und dem Ausgleichsdruck pm zu einem Volumen V2 so komprimiert und gekühlt wird, dass danach die Temperatur T2i kleiner ist als T22 und der Druck pi kleiner ist als der Ausgleichsdruck pm, und während eines dritten Prozessschrittes eine Verdichtung in der ersten Speicheranordnung und eine Expansion in der zweiten Speicheranordnung derart erfolgt, dass da- nach in beiden Speicheranordnungen der gleiche Ausgleichsdruck pm des Arbeitsgases vorliegt, wobei bevorzugt die beiden Speicheranordnungen dabei so miteinander verbunden werden, dass eine Masse Am des Arbeitsgases zwischen beiden Speicheranordnungen ausgetauscht wird.
Dabei können der erste und der zweite Prozessschritt gleichzeitig ablaufen. In einem weiteren Arbeitszyklus kann während eines vierten Prozessschrittes in der ersten Speicheranordnung ein Volumen V! + AV! eines Arbeitsgases mit der Masse m-, ausgehend von einer Temperatur T12 und dem Ausgleichsdruck pm zu einem Volumen Vi so komprimiert und gekühlt werden, dass danach die Temperatur Tu kleiner ist als Ti2 und der Druck pn kleiner ist als der Ausgleichsdruck pm. Während eines fünften Prozessschrit- tes kann in der zweiten Speicheranordnung ein Volumen V2 eines Arbeitsgases mit der Masse m2 + Am ausgehend von einer Temperatur T21 und einem Ausgleichsdruck pm zu einem Volumen V2 + AV2 so expandiert und erwärmt werden, dass danach die Temperatur T22 größer ist als T21 und der Druck p22 größer ist als der Ausgleichsdruck pm. Während eines sechsten Prozessschrittes kann eine Expansion in der ersten Speicheranordnung und eine Verdichtung in der zweiten Speicheranordnung derart erfolgen, dass danach in beiden Speicheranordnungen der gleiche Ausgleichsdruck pm des Arbeitsgases vorliegt, wobei bevorzugt die beiden Speicheranordnungen dabei so miteinander verbunden werden, dass eine Masse Am des Arbeitsgases zwischen beiden Speicheranordnungen ausgetauscht wird. Dabei können der vierte und der fünfte Prozessschritt gleichzeitig ablaufen.
Falls kein Austausch einer Masse Am zwischen beiden Speicheranordnungen erfolgt, dann erfolgt die Verdichtung ganz mechanisch. Dabei ist insbesondere die Masse des Arbeitsgases in beiden Speicheranordnungen gleich.
Es kann dabei gelten, dass ΤΊ = Tu = T21 , T2 = T12 = T22 , V = V! = V2 und AV = AV! = AV2. Ebenso kann dabei gelten, dass pn = pi und/oder p22 = p2.
Die Wärmekraftmaschine kann mit einer Solaranlage verbunden sein, die insbesondere Solarkollektoren zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme aufweist. Die Wärmekraftmaschine kann dazu vorgesehen sein, aus der Abwärme einer zweiten Wärmekraftmaschine Nutzarbeit zu erzeugen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in einer Seitenansicht;
Figur 2 in einer schematischen Darstellung der Wärmekraftmaschine nach Figur 1 während der Prozessschritte 1 und 2 des thermodynamischen Kreisprozesses;
Figur 3 in einer schematischen Darstellung der Wärmekraftmaschine nach Figur 1 während des Prozessschrittes 3 des thermodynamischen Kreisprozesses;
Figur 4 in einer schematischen Darstellung der Wärmekraftmaschine nach Figur 1 während der Prozessschritte 4 und 5 eines weiteren Zyklus des thermodynamischen Kreisprozesses;
Figur 5 in einer schematischen Darstellung der Wärmekraftmaschine nach Figur 1 während des Prozessschrittes 6 eines weiteren Zyklus des thermodynamischen Kreisprozesses; und Figur 6 in einem p-V-Diagramm ein Zyklus des thermodynamischen Kreisprozess.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine 1 in einer Seitenansicht. Zu sehen ist hier eine erste Speicheranordnung 2A für ein Arbeitsgas, wobei diese in eine erste kalte Kammer 3A und eine erste warme Kammer 4A unterteilt ist. Die Unterteilung ist hier über die erste bewegliche Kolbenanordnung 5A ausgeführt. Spiegelsymmetrisch dazu befindet sich eine zweite Speicheranordnung 2B, die in die zweite kalte Kammer 3B und die zweite warme Kammer 4B durch eine zweite bewegliche Kolbenanordnung 5B unterteilt ist. Die beiden Speicheranordnungen 2A, 2B sind über eine Verbindung 6 miteinander verbunden, so dass während zwei Konstellationen der Kolbenanordnungen 5A, 5B eine Teilmenge des Arbeitsgases zwischen den beiden Speicheranordnungen 2A, 2B ausgetauscht werden kann.
Die beiden Speicheranordnungen 2A, 2B sind als Verdrängungszylinder 7A, 7B ausgeführt, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und jeweils in eine warme Kammer 4A, 4B und eine kalte Kammer 3A, 3B unterteilt sind. Die Unterteilung wird dabei durch die Kolbenanordnung 5A, 5B realisiert, wobei sich auf einer gemeinsamen Kolbenstange 9 die beiden Verdrängungskolben 1 1 A und 1 1 B befinden. Die Kolbenstange 9 bewegt sich dabei auf der Achse C-C hin und her. Ferner weisen die Speicheranordnungen 2A, 2B jeweils einen Erhitzer 12A, 12B, einen Regenerator 14A, 14B und einen Kühler 13A, 13B auf. Mit den Erhitzern 12A, 12B kann dem Arbeitsgas Wärme zugeführt werden, die aus einer externen Wärmequelle stammt. Dies ist beispielsweise eine Solaranlage, welche warmes Wasser bereitstellt, das durch die Erhitzer 12A, 12B gepumpt wird. Die Kühler 13A, 13B sind so ausgeführt, dass damit dem Arbeitsgas Wärme entzogen und nach au ßen abgeführt werden kann. Beispielsweise erfolgt dies durch einen Kühlwasserkreislauf, der durch die Kühler 13A, 13B fließt. Zwischen dem Erhitzer 12A, 12B und dem Küh- ler 13A, 13B ist ein Regenerator 14A, 14B angeordnet, der hier als Kupferdrahtgeflecht ausgebildet ist und somit Wärme aus dem Arbeitsgas beim Durchströmen Zwischenspeichern kann.
Des Weiteren ist zu sehen, dass die warmen Kammern 4A, 4B in jeweils zwei Teilkammern 4Aa, 4Ab, 4Ba, 4Bb unterteilt sind, die über die Verbindungskanäle 15A, 15B mit- einander verbunden sind. Somit kann bei einer Bewegung des Verdrängungskolbens 1 1 A, 1 1 B das Arbeitsgas aus der kalten Kammer 3A, 3B durch den Kühler 13A, 13B den Regenerator 14A, 14B, den Erhitzer 12A, 12B in die eine warme Teilkammer 4Ab, 4Bb ge- langen und von dort über den Verbindungskanal 15A, 15B in die andere Teilkammer 4Aa, 4Ba. Ebenso kann dieser Vorgang umgekehrt erfolgen.
Zwischen den beiden Speicheranordnungen 2A, 2B befindet sich die Verbindung 6, welche als Arbeitszylinder 8 ausgeführt ist. In diesem Arbeitszylinder 8 läuft ein Arbeitskolben 10, welcher ebenfalls mit der Kolbenstange 9 fest verbunden ist. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens 10 wird somit das Gesamtvolumen der Speicheranordnung 2A, 2B verändert. Bei einer Bewegung des Arbeitskolbens 10 in der Figur 1 nach links, wird das Volumen der ersten Speicheranordnung 2A vergrößert bzw. das der zweiten Speicheranordnung 2B verkleinert. Umgekehrt wird bei einer Bewegung nach rechts des Arbeitskolbens 10 das Volumen der ersten Speicheranordnung 2A verkleinert bzw. das der Speicheranordnung 2B vergrößert.
Die Kolbenstange ist mit einer Kurbelwelle verbunden, auf der ein Schwungrad gelagert ist (hier nicht dargestellt), das einen Teil der vom Arbeitsgas geleisteten Arbeit Zwischenspeichern kann. Die genaue Funktion der Wärmekraftmaschine und die Bewegung des Arbeitsgases innerhalb der Verdrängungskolben 7A, 7B und des Arbeitskolbens werden anhand der folgenden vier Figuren genauer erläutert.
In Figur 2 wird die Wärmekraftmaschine nach Figur 1 während der Prozessschritte 1 und 2 des thermodynamischen Kreisprozesses schematisch dargestellt, wobei sich die Kol- benstange 9 dabei in Figur 2 nach links bewegt. Zu sehen ist, dass sich der Verdrängungskolben 1 1 A innerhalb des Verdrängungszylinders 7A ebenfalls nach links bewegt, wobei sich das Volumen der kühlen Kammer 3A verkleinert. Hierdurch wird das Arbeitsgas durch den Kühler 13A, den Regenerator 14A und den Erhitzer 12A gedrückt und in der Folge wird das Arbeitsgas erwärmt und gelangt von dort in die Teilkammer 4Ab im Anschluss an den Erhitzer. Ein Teil des Arbeitsgases fließt von dort durch den Verbindungskanal 15A zurück in die zweite Teilkammer 4Aa. Somit befindet sich in der zweiten Teilkammer 4Aa ebenfalls erhitztes Arbeitsgas. Gleichermaßen bewegt sich der Arbeitskolben 10 mit der Kolbenstange 9 nach links und das Gesamtvolumen der ersten Speicheranordnung 2A wird entsprechend vergrößert. Somit befindet sich im Arbeitszylinder 8 ebenfalls erhitztes Arbeitsgas in einem Bereich rechts neben dem Arbeitskolben 10. Bei dem dargelegten Prozessschritt des thermodynamischen Kreisprozesses wird somit in der ersten Speicheranordnung 2A das Volumen V des Arbeitsgases mit der Masse m + Am vergrößert und gleichzeitig die Temperatur von auf T2 erhöht. Die Temperaturerhöhung ist dabei so gewählt, dass auch der Druck des Arbeitsgases von pm auf p2 steigt. Dies bewirkt eine Kraft auf den Arbeitskolben 1 0, wodurch die eigentliche Nutzarbeit vom Arbeitsgas verrichtet wird und über den Arbeitskolben 1 0 abgeleitet werden kann.
In der zweiten Speicheranordnung 2B bewegt sich im Verdrängungszylinder 7B der Verdrängungskolben 1 1 B ebenfalls nach links, da er ebenfalls fest mit der Kolbenstange 9 verbunden ist. Somit verkleinert sich das Volumen der warmen Teilkammer 4Ba und das Arbeitsgas wird durch den Verbindungskanal 1 5B in die zweite warme Teilkammer 4Bb gedrückt. Anschließend wird das Arbeitsgas durch den Erhitzer 12B, den Regenerator 14B und den Kühler 1 3B gedrückt und somit abgekühlt, wobei es anschließend in die kalte Kammer 3B gelangt. Gleichzeitig wird das Gesamtvolumen der Speicheranordnung 2B durch die Bewegung des Arbeitskolbens 1 0 in der Figur 2 nach links verkleinert. Somit wird das Arbeitsgas mit der Masse m in der zweiten Speicheranordnung 2B von der Temperatur T2 auf die niedrigere Temperatur Ti abgekühlt und gleichzeitig das Volumen von V + AV nach V komprimiert. Gleichzeitig wird das Arbeitsgas so stark abgekühlt, dass sich auch der Druck auf einen niedrigen Druck p2 absenkt.
Kurz bevor die Kolben 1 1 A, 1 0, 1 1 B ihre Extremstellung in Figur 2 links erreicht haben, befindet sich also in der ersten Speicheranordnung 2A eine Teilmasse m+Am mit der hohen Temperatur T2, dem hohen Druck p2 und dem größeren Volumen V+AV. In der zweiten Speicheranordnung 2B befindet sich eine Teilmenge des Arbeitsgases mit der Masse m, der niedrigen Temperatur T ; dem niedrigen Druck und dem kleineren Volumen V.
In Figur 3 ist die Wärmekraftmaschine nach Figur 1 während des Prozessschrittes 3 des thermodynamischen Kreisprozesses schematisch dargestellt, wobei sich nun die Kolbenstange 9 in der linken extremen Position befindet. Zu sehen ist, dass sich nun der Arbeitskolben 1 0 soweit aus dem Arbeitszylinder 8 bewegt hat, dass eine offene Verbindung zwischen beiden Speicheranordnungen 2A, 2B besteht. Nachdem das Arbeitsgas in der ersten Speicheranordnung 2A zuvor einen größeren Druck aufweist als in der zweiten Spei- cheranordnung 2B, erfolgt nun ein Druckausgleich zwischen beiden Speicheranordnungen 2A, 2B, so dass sich ein mittlerer Druck pm einstellt. Somit gelangt ein Teil des war- men Arbeitsgases mit der Masse Am und der Temperatur T2 aus der ersten Speicheranordnung 2A in die zweite Speicheranordnung 2B und fließt durch den Erhitzer 1 2B, den Regenerator 14B und den Kühler 13B in die kalte Kammer 3B. Entsprechend wird diese Teilmenge Am des Arbeitsgases auf die Temperatur Ti abgekühlt. Die entsprechende Gaskompressionsarbeit q1 wird aus der ersten Speicheranordnung 2A in die zweite Speicheranordnung 2B überführt. Die Gaskompressionsarbeit q1 berechnet sich durch die Formel q1 = T2 x Am. Ein Teil davon verrichtet die Verdichtungsarbeit q2 = x Am in der zweiten Speicheranordnung, um die Teilmenge Am des Arbeitsgases dort zu verdichten.
In Figur 4 ist die Wärmekraftmaschine nach Figur 1 während der Prozessschritte 4 und 5 eines weiteren Zyklus des thermodynamischen Kreisprozesses schematisch dargestellt, wobei hier die umgekehrte Zustandsänderung wie in Figur 2 erfolgt. Zu sehen ist hier, dass sich die Kolbenstange 9 nach rechts bewegt und somit auch die beiden Verdrängungskolben 1 1 A, 1 1 B, sowie der Arbeitskolben 10.
Dadurch, dass sich der Verdrängungskolben 1 1 A in der ersten Speicheranordnung 2A sich nach rechts bewegt, verkleinert sich das Volumen der warmen Teilkammer 4Aa und das darin enthaltene Arbeitsgas wird durch den Verbindungskanal 15A in die zweite Teilkammer 4Ab gedrückt und von dort durch den Erhitzer 1 2A, den Regenerator 14A und den Kühler 1 3A in die kühle Kammer 3A. Dabei wird das Arbeitsgas entsprechend abgekühlt. Gleichzeitig wird das Gesamtvolumen der ersten Speicheranordnung 2A durch die Bewegung des Arbeitskolbens 10 im Arbeitszylinder 8 verkleinert, wodurch das Arbeitsgas weiter komprimiert wird.
Somit wird in der ersten Speicheranordnung 2A das Arbeitsgas mit der Masse m nach der Zustandsänderung auf die niedrigere Temperatur abgekühlt und dabei wird das Volumen V + AV auf V komprimiert. Der Druck wird bei dieser Zustandsänderung von dem Mitteldruck pm auf den niedrigeren Druck abgesenkt.
Gleichzeitig wird in der zweiten Speicheranordnung 2B im Verdrängungszylinder 7B durch die Bewegung des Verdrängungskolbens 1 1 B nach rechts das Arbeitsgas aus der kühlen Kammer 3B durch den Kühler 13B, den Regenerator 14B und den Erhitzer 12B in die Teilkammer 4Bb gedrückt und dabei erwärmt. Anschließend gelangt es durch den Verbin- dungskanal 1 5B in die zweite warme Teilkammer 4Ba. Gleichzeitig wird das Gesamtvo- lumen der zweiten Speicheranordnung 2B durch die Bewegung des Arbeitskolbens 10 in dem Arbeitszylinder 8 vergrößert.
Somit hat das Arbeitsgas mit der Masse m + Am in der zweiten Speicheranordnung 2B nach dieser Zustandsänderung die höhere Temperatur T2, das grö ßere Volumen V + AV und den höheren Druck p2.
In Figur 5 wird die Wärmekraftmaschine nach Figur 1 während des Prozessschrittes 6 eines weiteren Zyklus des thermodynamischen Kreisprozesses dargestellt. Hier ist zu sehen, dass sich die Kolben 1 1 A, 10, 1 1 B in der äu ßersten rechten Position befinden. Dabei ist in der ersten Speicheranordnung 2A das Volumen der kalten Kammer 3A und in der zweiten Speicheranordnung 2B das Volumen der warmen Kammer 4B maximal. Gleichzeitig bewegt sich der Arbeitskolben so weit aus dem Arbeitszylinder heraus, dass eine offene Verbindung zwischen den beiden Speicheranordnungen 2A, 2B entsteht.
Hierbei wird wiederum ein Druckausgleich zwischen beiden Speicheranordnungen 2A, 2B erzielt und eine Teilmenge des Arbeitsgases mit der Masse Am fließt von der zweiten Speicheranordnung mit dem höheren Druck p2 in die erste Speicheranordnung 2A mit dem niedrigeren Druck pi . Dabei gelangt das Arbeitsgas an dem Arbeitskolben vorbei durch den Erhitzer 12A und den Regenerator 14A und den Kühler 1 3A in die kühlere Kammer 3A und wird dabei abgekühlt. Somit wird die Gasimpressionsarbeit q1 = T2 x Am von der zweiten Speicheranordnung 2B an die erste Speicheranordnung 2A übertragen und leistet dort die Verdichtungsarbeit q2 = Ti x Am. Nach dem erfolgten Druckausgleich herrscht in beiden Speicheranordnungen 2A, 2B der Mitteldruck qm.
In Figur 6 ist ein p-V-Diagramm eines Zyklus des thermodynamischen Kreisprozess zu sehen, in dem die Zustandsänderungen der Figuren 2 und 3 zusammengefasst sind. Zu sehen ist ein Diagramm bei dem auf der Abszisse das Volumen und auf der Ordinate der Druck aufgetragen ist.
Zunächst befindet sich in der ersten Speicheranordnung 2A eine Menge des Arbeitsgases m + Am und weist den Zustand Ζ auf. Dabei hat das Arbeitsgas den Mitteldruck pm, das Volumen V und die Temperatur T^ Nach der Vergrößerung des Gesamtvolumens der Speicheranordnung 2A durch die Bewegung des Arbeitskolbens 8 erreicht nun das Ar- beitsgas das Volumen V + AV und wird gleichzeitig auf die Temperatur T2 erhitzt. Als Fol- ge ergibt sich ein höherer Druck des Arbeitsgases p2 und das Arbeitsgas befindet sich somit im Zustand Z2.
Gleichzeitig erfolgt eine Zustandsänderung in der zweiten Speicheranordnung 2B des Arbeitsgases mit der Masse m vom Zustand Z3 in den Zustand Z4. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens 8 in dem Arbeitszylinder 10 erfolgt eine Verkleinerung des Gesamtvolumens der zweiten Speicheranordnung 2B von V + AV auf V. Gleichzeitig wird das Arbeitsgas auf die niedrigere Temperatur ΤΊ abgekühlt und weist somit nach der Zustandsänderung einen niedrigeren Druck auf.
Nachdem sich nun das Arbeitsgas in der ersten Speicheranordnung im Zustand Z2 und in der zweiten Speicheranordnung 2B im Zustand Z4 befindet, erfolgt der Druckausgleich zwischen beiden Speicheranordnungen 2A, 2B auf den Mitteldruck pm, wobei sich nun das Arbeitsgas in der ersten Speicheranordnung 2A im Zustand Z3 und in der zweiten Speicheranordnung 2B im Zustand Ζ befindet. Dabei wird die Masse Am des Arbeitsgases von der ersten Speicheranordnung 2A an die zweite Speicheranordnung 2B abgege- ben.
Somit ist in Figur 6 ein kompletter Arbeitszyklus der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine gezeigt. In dem folgenden Arbeitszyklus wird dieser wiederholt. Jedoch befinden sich die beiden Speicheranordnungen zu Beginn des Arbeitszyklus in entsprechend komplementären Zuständen Zi bzw. Z3. Die Kolbenstange bewegt sich während eines Zyklus von einer Extremstellung zur anderen Extremstellung, genauer gesagt in der Figur 1 von links nach rechts oder von rechts nach links. In der Figur 1 ist dabei die Kolbenstange mit einer Kurbelwelle verbunden, welche sich während eines Arbeitszyklus um 180 ° Kurbelwinkel bewegt.

Claims

Patentansprüche
Wärmekraftmaschine (1 ) zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit, umfassend einer ersten Speicheranordnung (2A) für ein Arbeitsgas, wobei diese in eine erste kalte (3A) und eine erste warme (4A) Kammer unterteilt ist, und eine erste bewegliche Kolbenanordnung (5A) derart ausgeführt ist, dass sie das Gesamtvolumen der ersten Speicheranordnung (2A) verändert und das Arbeitsgas zwischen den beiden ersten Kammern (3A, 4A) hin- und herdrückt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (1 ) eine zweite Speicheranordnung (2B) für das Arbeitsgas umfasst, wobei diese in eine zweite kalte (3B) und eine zweite warme (4B) Kammer unterteilt ist, und eine zweite bewegliche Kolbenanordnung (5B) derart ausgeführt ist, dass sie das Gesamtvolumen der zweiten Speicheranordnung (2B) verändert und das Arbeitsgas zwischen den beiden zweiten Kammern (3B, 4B) hin- und herdrückt, und dass eine Verbindung (6) zwischen der ersten und der zweiten Speicheranordnung (2A, 2B) dafür vorgesehen ist, dass zumindest während einer vordefinierten Konstellation der beiden Kolbenanordnungen (5A, 5B) eine Teilmenge des Arbeitsgases zwischen beiden Speicheranordnungen (2A, 2B) ausgetauscht wird.
Wärmekraftmaschine (1 ) zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit nach Anspruch 1 , wobei die Verbindung (6) der beiden Speicheranordnungen (2A, 2B) so ausgeführt ist, dass beim Austausch eine Teilmenge des Arbeitsgases aus der warmen Kammer (4A, 4B) der einen Speicheranordnung (2A, 2B) zu der kalten Kammer der anderen Speicheranordnung (2B, 2A) fließt.
Wärmekraftmaschine (1 ) zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste und die zweite Speicheranordnung (2A, 2B) als erster und zweiter Verdrängungszylinder (7A, 7B) ausgeführt sind.
4. Wärmekraftmaschine (1 ) zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindung (6) zwischen den Speicheranordnungen (2A, 2B) einen Arbeitszylinder (8) umfasst, der insbesondere dazu geeignet ist, das Gesamtvolumen der beiden Speicheranordnungen (2A, 2B) zu verändern.
5. Wärmekraftmaschine (1 ) zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit nach Anspruch 3 und 4, wobei die Verdrängungszylinder (7A, 7B) und der Arbeitszylinder (8) auf einer gemeinsamen Achse (C-C) angeordnet sind.
6. Wärmekraftmaschine (1 ) zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die beiden Kolbenanordnungen (5A, 5B) eine Kolbenstange (9) umfassen, auf der ein Arbeitskolben (10) und zwei Verdrängungskolben (1 1 A, 1 1 B) angeordnet sind.
7. Wärmekraftmaschine (1 ) zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit nach einem der vorangegangen Ansprüche, wobei die beiden Speicheranordnungen (2A, 2B) jeweils einen Erhitzer (12A, 12B) und einen Kühler (13A, 13B) umfassen, die dazu geeignet sind dem Arbeitsgas Wärmeenergie zu- oder abzuführen.
8. Wärmekraftmaschine (1 ) zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit nach Anspruch 7, wobei der Kühler (13A, 13B) und/oder der Erhitzer (12A, 12B) so angeordnet sind, dass das Arbeitsgas diese beim Wechsel zwischen der kalten (3A, 3B) und der warmen (4A, 4B) Kammer durchläuft.
9. Wärmekraftmaschine (1 ) zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit nach Anspruch 7 oder 8, wobei zwischen dem Erhitzer (12A, 12B) und dem Kühler (13A, 13B) jeweils ein Regenerator (14A, 14B) angeordnet ist, der dazu geeignet ist Wärme aus dem Arbeitsgas zu speichern.
10. Wärmekraftmaschine (1 ) zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die warme Kammer (4A, 4B) in zwei Teilkammern (4Aa, 4Ba, 4Ab, 4Bb) unterteilt ist, die über einen Verbindungskanal (15A, 15B) miteinander verbunden sind.
1 1 . Wärmekraftmaschine (1 ) zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit nach einem der vorangegangen Ansprüche, wobei die Wärmekraftmaschine (1 ) ein Schwung- rad und/oder eine Feder umfasst, die insbesondere mit der ersten und/oder der zweiten Kolbenanordnung (5A, 5B) verbunden ist.
12. Thermodynamischer Kreisprozess für eine Wärmekraftmaschine (1 ), wobei in einem Arbeitszyklus
(1 ) in einer ersten Speicheranordnung (2A, 2B) ein Volumen V! eines Arbeitsgases mit der Masse m + Am ausgehend von einer Temperatur Tu und einem Ausgleichsdruck pm zu einem Volumen Vi + AVi so expandiert und erwärmt wird, dass danach die Temperatur Ti2 größer ist als Tu und der Druck p2 größer ist als der Ausgleichsdruck pm, und
(2) in einer zweiten Speicheranordnung (2A, 2B) ein Volumen V2 + AV2 eines Arbeitsgases mit der Masse m2 ausgehend von einer Temperatur T22 und dem Ausgleichsdruck pm zu einem Volumen V2 so komprimiert und gekühlt wird, dass danach die Temperatur T2i kleiner ist als T22 und der Druck pi kleiner ist als der Ausgleichsdruck pm, und
(3) eine Verdichtung in der ersten Speicheranordnung (2A) und eine Expansion in der zweiten Speicheranordnung (2B) derart erfolgt, dass danach in beiden Speicheranordnungen (2A, 2B) der gleiche Ausgleichsdruck pm des Arbeitsgases vorliegt, wobei bevorzugt die beiden Speicheranordnungen (2A, 2B) dabei so miteinander verbunden werden, dass eine Masse Am des Arbeitsgases zwischen beiden Speicheranordnungen (2A, 2B) ausgetauscht wird.
13. Thermodynamischer Kreisprozess für eine Wärmekraftmaschine (1 ) nach Anspruch 12, wobei die Prozessschritte (1 ) und (2) gleichzeitig ablaufen.
14. Thermodynamischer Kreisprozess für eine Wärmekraftmaschine (1 ) nach Anspruch 12 oder 13, wobei = J = 2i , T2 = T12 = T22 , V = V! = V2 und AV = AV! = AV2 gilt.
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