WO1998035151A2 - Vorrichtung zur erzeugung von elektrischer energie aus niedertemperaturwärme - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung von elektrischer energie aus niedertemperaturwärme Download PDF

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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
    • F02G1/0435—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 the engine being of the free piston type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/70—Liquid pistons

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating electrical energy from low-temperature heat, comprising: two essentially vertically arranged working cylinders which are partially filled with a working fluid; a connecting line between the working cylinders for overflowing the working fluid between the working cylinders; a piston which is arranged in the connecting line. to obtain mechanical work from the movement of the working fluid, the piston preferably cooperating with a linear generator in order to generate electrical energy from the movement.
  • An electrical generator is known from WO 88/05223, which is able to generate electrical current due to the temperature difference between two heat stores.
  • An electrically conductive liquid serves as a hydraulic piston and at the same time as part of a power generator.
  • the object of the present invention is to avoid these disadvantages and to further develop the above device in such a way that higher efficiencies are achieved with a simpler construction.
  • a gas container which is intended for this purpose. to be kept at a higher temperature, a gas container designed to do so. to be kept at a lower temperature, which gas containers are filled with a working gas are, and at least one control valve for the optional connection of the gas container with the working cylinders.
  • the working gas itself which causes the piston to move in the working cylinders, is permanently heated or cooled in corresponding gas containers.
  • gas containers can in principle be of any size, so that the heating or cooling of the working gas can be carried out continuously and with an optimal efficiency.
  • a particular advantage of the present invention is that no heat transfer takes place between different working media in the area of the working cylinder.
  • the working process running in the device according to the invention essentially corresponds to a Stirling process. Thermal energy is applied to the working gas via a heating medium in the expansion phase.
  • the working gas is cooled in counter-expansion to expansion via a cooling medium in the second gas container.
  • Both gas containers are alternately connected to a working cylinder.
  • the volume ratio of the two working cylinders is in a predetermined ratio to the displacement of the piston.
  • the gas pressure in the cold gas container increases in this ratio. It is essential that there is no mass shift from the warm to the cold gas container.
  • the two working cylinders are connected to one another by one or more pistons made of high-performance magnets in a working fluid. Switching the valves causes the pistons to move back and forth, which is converted into electrical energy via the inductance.
  • the voltage is stabilized with known electronic controllers, and the frequency can be adapted to the respective consumers by means of suitable frequency converters.
  • the resting pressure in the gas containers can be varied within wide limits. Sealing the gas is easy.
  • the device according to the invention is particularly suitable for low-temperature heat. With a temperature difference of 35 ° and using helium as the working gas, up to 5% efficiency can be achieved. This efficiency can be increased even further by using a regenerator described below.
  • control is simplified if the control valves are coupled to one another in order to connect the other gas container to the other working cylinder when a gas container is connected to one working cylinder. In this way, only a single control pulse is required for switching the two valves, which reduces the corresponding control effort.
  • control valve is designed as a four-way valve, which connects a gas container with a working cylinder and the other gas container with the other working cylinder.
  • the pump device consists of a pump that pumps the working fluid from an intermediate store into the working cylinder or pumps it out of the working cylinder into the intermediate store. Since in this way the sufficiency can be found with a single pump, the apparatus structure of the device becomes particularly simple. This enables cost-effective production.
  • the overall efficiency of the device according to the invention can be improved in a particularly advantageous embodiment of the invention in that one gas container is connected to a heating circuit, and in that the other gas container is connected to a cooling circuit and that the heating circuit and the cooling circuit are connected via a regenerator for heat exchange stand.
  • the present invention relates to a method in which the pump device is controlled by a control device which receives signals about the pressure and / or the temperature in the gas containers via sensors.
  • the method according to the invention is characterized in that working fluid is withdrawn from the working cylinders via a pump device, or is fed to the working cylinders, in order to keep the amount of gas in the two gas containers constant. This type of control ensures the optimal efficiency of the process.
  • the stroke ratio i. i. the ratio between the volume of the working gas at the top dead center of the piston in relation to the volume of the working gas at the bottom dead center of the piston is optimal at about 1: 1.08. This means that with a cubic capacity of 1 1, the gas volume is 12.5 1 or 13.5 1 at the respective dead centers.
  • V Volume ratio of the gas at the top and bottom dead center V Volume ratio of the gas at the top and bottom dead center.
  • the valve switches to the next setting after the piston has reached the maximum displacement. Since there are the same number of gas molecules in both working cylinders, there is no mass shift.
  • the cold working cylinder is located
  • the amount of cold working gas that was in the working cylinder must be in the gas container. heated to the warm temperature in order to keep the gas pressure in the hot gas container constant.
  • the warm working gas is cooled to the cold temperature by the working cylinder and displacement.
  • the heating output there is the energy which is necessary to heat the gas quantity in the working cylinder from the cold temperature to the warm temperature, in addition to the expansion work from the piston, i.e. the pressure output. It depends on the specific heat of the gas.
  • the cooling capacity it can be calculated what energy is required to cool the hot working gas from the working cylinder and piston displacement to the cold temperature, since the gas masses are the same in both working cylinders, the heating capacity is without expansion work - pressure capacity.
  • 1 kMol of air is about 30 kg of air
  • 1 kMol of helium is 4 kg of helium for 1 kg of air, about 1 kW of power is required per degree and second
  • Part of the cooling capacity can be returned to the heating medium via a plate heat exchanger via a regenerator.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention and FIG. 2 shows a further embodiment of the invention in the form of schematic circuit diagrams.
  • a working gas under high pressure is heated in a hermetically sealed gas container WT1 by a large-area heat exchanger with the hot temperature of a heating medium.
  • the pressure of the working gas in the container WTl increases.
  • the working gas is brought to ambient temperature once by the energy loss given by the gas equation when the working gas expands and, in addition, the residual heat of the working gas can be supplied to the cold part of the heating medium or heat accumulator by means of a heat exchanger become.
  • the containers WT1 and WT2 are connected synchronously to one end of the U-shaped working cylinder.
  • the gas pressure from WTl causes the working fluid FI and thus the magnetic piston fitted in the lower part of the working cylinder to move linearly.
  • the cavities between the working liquid on both sides and the valves VI and V2 must be in the same ratio as the pressure differences between the two tanks WT1 and WT2.
  • control electronics El switch the valves VI and V2 and the pressure equalization takes place in the opposite direction.
  • the ratio for the gas free space is set by the working liquid so that this is equal to the pressure ratios of the working gas of the two containers. This ensures that there is approximately the same number of gas molecules in each of the two gas containers.
  • the control electronics with sensors S l and S4 permanently calculate the TARGET value of the two containers and compare them with the ACTUAL values. If there is a deviation, the space ratio is determined using the working fluid FI and the working fluid pump Pl on both sides of the working cylinder set in a continuous control loop.
  • a voltage is generated as in a linear synchronous generator.
  • This voltage is brought to a constant voltage by means of the electronics E2 as in a switching power supply.
  • this voltage can be processed further and thus be available as a 230 V 50 Hz mains-synchronous voltage.
  • FIG. 2 represents a modification of the embodiment variant of FIG. 1. The essential differences are explained below.
  • the working cylinders ZI and Z2 are connected to the gas containers WT1 and WT2 via purge lines 17a, 17n, 17c and 17d, which are coupled by two four-way valves 10, 11.
  • the gas container * WTl is heated via a heating circuit 12, which is circulated by a pump 13.
  • the gas container WT2 is cooled via a cooling circuit 14, which is circulated via a pump 15.
  • the heating circuit 12 is guided downstream of the gas container WT1 through a regenerator 16, which is likewise flowed through by the cooling circuit 14 downstream of the gas container WT2.
  • the present invention enables a thermal power process to be performed with high efficiency.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Niedertemperaturwärme, bestehend aus: zwei im wesentlichen senkrecht angeordneten Arbeitszylindern (Z1, Z2), die teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt sind; einem Gasbehälter (WT1), der dazu bestimmt ist, auf einer höheren Temperatur gehalten zu werden; einem Gasbehälter (WT2), der dazu bestimmt ist, auf einer tieferen Temperatur gehalten zu werden; einer Verbindungsleitung zwischen den Arbeitszylindern (Z1, Z2) zum Überströmen der Arbeitsflüssigkeit zwischen den Arbeitszylindern (Z1, Z2); einem Kolben (K1), der in der Verbindungsleitung angeordnet ist, um mechanische Arbeit aus der Bewegung der Arbeitsflüssigkeit zu gewinnen, wobei der Kolben (K1) vorzugsweise mit einem Lineargenerator (L1) zusammenwirkt, um aus der Bewegung elektrische Energie zu erzeugen. Ein besonders günstiger Wirkungsgrad ergibt sich dadurch, dass Steuerventile zur wahlweisen Verbindung der Gasbehälter (WT1, WT2) mit den Arbeitszylindern (Z1, Z2) und eine Pumpeinrichtung zur Veränderung der Menge der Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitszylindern (Z1, Z2) vorgesehen sind.

Description

VORRICHTUNG ZUR ERZEUGUNG VON ELEKTRISCHER ENERGIE AUS NIEDERTEMPERATURWÄRME
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Niedertemperaturwärme, bestehend aus: zwei im wesentlichen senkrecht angeordneten Arbeitszylindern, die teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt sind; einer Verbindungsleitung zwischen den Arbeitszylindern zum Überströmen der Arbeitsflüssigkeit zwischen den Arbeitszylindern; einem Kolben, der in der Verbindungsleitung angeordnet ist. um mechanische Arbeit aus der Bewegung der Arbeitsflüssigkeit zu gewinnen, wobei der Kolben vorzugsweise mit einem Lineargenerator zusammenwirkt, um aus der Bewegung elektrische Energie zu erzeugen.
Niedertemperaturwärme steht beispielsweise aus Sonnenkollektoren. Biomasseöfen. Festbrennstoffkesseln und anderen Wärmequellen zur Verfügung. Diese Wärmeenergie kann bisher nur in unzureichender Weise in mechanische Arbeit umgesetzt werden.
Aus der WO 88/05223 ist ein elektrischer Generator bekannt, der aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen zwei Wärmespeichern in der Lage ist, elektrischen Strom zu erzeugen. Dabei dient eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit als ein hydraulischer Kolben und gleichzeitig als Teil eines Stromgenerators.
Obgleich eine solche Vorrichtung an sich funktionsfähig ist, ist der Wirkungsgrad, insbeson- ders der elektrischen Umsetzung, bescheiden. Weiters ist die elektrisch leitfähige Flüssigkeit als Natrium- und Kaliumverbindung kritisch zu handhaben und schwer zu entsorgen.
Aus der DE 38 15 606 A ist weiters eine Gas-Flüssigkeits- Wärmekraftmaschine bekannt, die im wesentlichen nach dem Stirlingprozeß arbeitet. Über eine Wärmetauscherflüssigkeit wird dabei jeder der Gasarbeitsräume abwechselnd erwärmt oder gekühlt. Eine solche Vorrichtung ist nicht nur aufwendig, sondern in ihrem Wirkungsgrad beschränkt, da bei jedem Arbeitszyklus ein Wärmeübergang zwischen der Wärmetauscherflüssigkeit und dem Arbeitsgas erfolgen muß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und die obige Vorrichtung so weiterzubilden, daß höhere Wirkungsgrade bei einfacherem Aufbau erreicht werden.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch einen Gasbehälter, der dazu bestimmt ist. auf einer höheren Temperatur gehalten zu werden, einen Gasbehälter, der dazu bestimmt ist. auf einer tieferen Temperatur gehalten zu werden, welche Gasbehälter mit einem Arbeitsgas gefüllt sind, und mindestens ein Steuerventil zur wahlweisen Verbindung der Gasbehälter mit den Arbeitszylindern.
Wesentlichen an der vorliegenden Erfindung ist. daß das Arbeitsgas selbst, das in den Arbeitszylindern die Bewegung des Kolbens bewirkt, in entsprechenden Gasbehältern permanent erwärmt bzw. abgekühlt wird. Diese Gasbehälter können grundsätzlich beliebig groß ausgeführt sein, so daß die Erwärmung bzw. Kühlung des Arbeitsgases kontinuierlich und mit einem optimalen Wirkungsgrad durchgeführt werden kann. Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei der vorliegenden Erfindung auch dadurch, daß keinerlei Wärmeübergang zwischen unterschiedlichen Arbeitsmedien im Bereich der Arbeitszylinder stattfindet.
Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann aus dem Temperaturunterschied zwischen dem heißen Ende des Heizmediums bzw. des Speichers und dem kalten Teil des Heizmediums bzw. des Speichers oder der Umgebungstemperatur elektrische Energie gewonnen werden. Dabei wird nur jene Energie dem vorhandenen Medium entzogen, welche für die Wärmekraftmaschine gebraucht wird. Die Restwärme des heißen Behälters und die Restwärme des kalten Behälters kann für weitere Heizzwecke bzw. als vorgewärmtes Heizmedium wieder für die Aufbereitung verwendet werden. In der Wärmekraftmaschine wird ein Arbeitsgas als Folge isothermer Zustandsänderungen verdichtet und in einem zweiten Behälter entspannt. Der beste Wirkungsgrad wird erfindungsgemäß bei einem solchen Prozeß dann erreicht, wenn der Kreisprozeß über isochore Zustandsänderungen, d. h. ohne Arbeitsaufwand, geschlossen wird. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine versucht eine Annäherung an einen solchen idealen Wärmekraftprozeß zu erreichen.
Der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ablaufende Arbeitsprozeß entspricht im wesentlichen einem Stirlingprozeß. Dabei wird Wärmeenergie dem Arbeitsgas über ein Heizmedium in der Expansionsphase aufgeprägt.
Die Kühlung des Arbeitsgases erfolgt im Gegentakt zur Expansion über ein Kühlmedium in dem zweiten Gasbehälter. Beide Gasbehälter werden wechselweise mit jeweils einem Arbeitszylinder verbunden. Das Volumsverhältnis der beiden Arbeitszylinder steht in einem vorbestimmten Verhältnis zum Hubraum des Kolbens. Der Gasdruck im kalten Gasbehälter erhöht sich in diesem Verhältnis. Wesentlich ist, daß keine Masseverschiebung vom warmen zum kalten Gasbehälter stattfindet.
Die beiden Arbeitszylinder sind durch einen oder mehrere Kolben aus Hochleistungsmagneten in einer Arbeitsflüssigkeit miteinander verbunden. Durch das Umschalten der Ventile werden die Kolben in eine hin- und hergehende Bewegung versetzt, die über die Induktivität in elektrische Energie umgewandelt wird. Mit an sich bekannten elektronischen Reglern wird die Spannung stabilisiert, und die Frequenz kann mittels geeigneter Frequenzumrichter den jeweiligen Verbrauchern angepaßt werden.
Der Ruhedruck in den Gasbehältern läßt sich in weiten Grenzen variieren. Die Abdichtung des Gases ist problemlos. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesonders für die Niedertemperaturwärme. Bei einer Temperaturdifferenz von 35° und bei Verwendung von Helium als Arbeitsgas können bis zu 5% Wirkungsgrad erreicht werden. Durch die Verwendung eines in der Folge beschriebenen Regenerators kann dieser Wirkungsgrad noch weiter erhöht werden.
Eine Vereinfachung der Steuerung ergibt sich dann, wenn die Steuerventile miteinander gekoppelt sind, um bei Verbindung eines Gasbehälters mit einem Arbeitszylinder den anderen Gasbehälter mit dem anderen Arbeitszylinder zu verbinden. Auf diese Weise ist nur ein einzelner Steuerimpuls für die Umschaltung der beiden Ventile erforderlich, was den entsprechenden Steuerungsaufwand verringert.
Eine weitere Vereinfachung der Steuerung ist vorzugsweise dadurch möglich, daß das Steuerventil als Vier- Wege- Ventil ausgebildet ist, das jeweils einen Gasbehälter mit einem Arbeitszylinder und den anderen Gasbehälter mit dem anderen Arbeitszylinder verbindet.
Besonders günstig ist es, wenn die Pumpeinrichtung aus einer Pumpe besteht, die Arbeitsflüssigkeit aus einem Zwischenspeicher in die Arbeitszylinder pumpt, bzw. aus den Arbeitszylindern in den Zwischenspeicher pumpt. Da auf diese Weise mit einer einzigen Pumpe das Auslangen gefunden werden kann, wird der apparative Aufbau der Vorrichtung besonders einfach. Eine kostengünstige Fertigung ist dadurch möglich.
Der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in einer besonders begünstigten Ausführungsvariante der Erfindung dadurch verbessert werden, daß ein Gasbehälter mit einem Heizkreislauf verbunden ist, und daß der andere Gasbehälter mit einem Kühlkreislauf verbunden ist und daß der Heizkreislauf und der Kühlkreislauf über einen Regenerator zum Wärmeaustausch in Verbindung stehen.
Weiters betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, das die Pumpeinrichtung von einer Steuerungseinrichtung gesteuert wird, die über Sensoren Signale über den Druck und/oder die Temperatur in den Gasbehältern empfängt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß über eine Pumpeinrichtung Arbeitsflüssigkeit aus den Arbeitszylindern entnommen wird, bzw. den Arbeitszylindern zugeführt wird, um die Gasmenge in den beiden Gasbehältern konstant zu halten. Durch diese Art der Steuerung kann der optimale Wirkungsgrad des Verfahrens sichergestellt werden.
Es hat sich herausgestellt, daß über einen weiten Bereich von Arbeitsbedingungen das Hubverhältnis, d. i. das Verhältnis zwischen dem Volumen des Arbeitsgases im oberen Totpunkt des Kolbens im Verhältnis zu dem Volumen des Arbeitsgases im unteren Totpunkt des Kolbens mit etwa 1 : 1,08 optimal ist. Dies bedeutet, daß bei einem Hubraum von 1 1 das Gasvolumen 12,5 1 bzw. 13.5 1 in den jeweiligen Totpunkten beträgt.
Mit Hilfe der Pumpe am Wärmetauscher im heißen Gasbehälter wird das Arbeitsgas erwärmt. Da das Volumen am Beginn konstant bleibt, steigt der Druck im heißen Gasbehälter gemäß der Formel Pw = PN . Tw/293 (1)
wobei
Pw Druck des heißen Gasbehälters
PN Gasdruck bei 20°C in bar,
Tw Temperatur des heißen Gasbehälters in Kelvin.
Bei einer Gastemperatur heiß von 90°C und PN von 30 bar ergibt sich dabei ein Gasdruck von 37,167 bar.
Im kalten Gasbehälter, der durch den Wärmetauscher auf der Kühltemperatur gehalten wird, ergibt sich ein Druck gemäß der folgenden Formel.
PK = PN . TK . V / 293 (2) mit
Pκ Druck des kalten Gasbehälters PN Gasdruck bei 20°C in bar. Tk Temperatur kalt in Kelvin
V Volumsverhältnis des Gases im oberen bzw. unteren Totpunkt.
Bei einer Gastemperatur kalt von 20°C, PN von 30 bar und einem Volumsverhältnis von 1,08 ergibt sich daraus ein Gasdruck von 32,4 bar. Nach dem Öffnen des Ventils wird durch die Druckdifferenz Pw - Pκ der Kolben mit einer Leistung gemäß der folgenden Formel bewegt.
PD = (Pw - Pκ) . f . V (3)
PD Druckleistung
Pw, P in Pascal f Ventilfrequenz in Hertz
V Hubvolumen in m3
Das Ventil schaltet zur nächsten Einstellung, nachdem der Kolben des maximalen Hubraum erreicht hat. Da sich in beiden Arbeitszylindern die gleiche Anzahl von Gasmolekülen befindet, findet keine Massenverschiebung statt.
Im kalten Arbeitszylinder befinden sich nach der allgemeinen Gasgleichung
Pκ * V = Nκ . Tκ (4)
Pκ Druck in bar des kalten Gasbehälters
Tk Temperatur kalten Arbeitsgases in Kelvin
V Volumen des Arbeitszylinders in Liter N Teilchenzahl Beim oben erwähnten Beispiel ergibt dies für
Nκ = 32.4 . 12,5 / 293 (5)
Im heißen Arbeitszylinder befinden sich nach der Gasgleichung
PW . V = NK . TW (6)
Pw Druck in bar des heißen Gasbehälters
Tw Temperatur heißen Arbeitsgases in Kelvin
V Volumen des Arbeitszylinders und des Hubraumes in Liter
N Teilchenzahl
Beim oben erwähnten Beispiel ergibt dies für
Nκ = 37.167 . 13.5/ 363 (7)
Da beide Arbeitszylinder gleiche Molekülanzahl haben müssen, gilt:
32.4 . 12.5 / 293 = 37,16723549488 . 13,5 / 363 (8)
Im Gasbehälter muß jene Menge an kalten Arbeitsgas, welche sich im Arbeitszylinder befunden hat. auf die warme Temperatur erwärmt werden, um den Gasdruck im heißen Gasbehälter konstant zu halten.
Im kalten Gasbehälter wird das warme Arbeitsgas vom Arbeitszylinder und Hubraum auf die kalte Temperatur abgekühlt.
Für die Heizleistung ergibt sich somit jene Energie, welche notwendig ist, die Gasmenge im Arbeitszylinder von der kalten Temperatur auf die warme Temperatur zu erwärmen, zusätzlich der Expansionsarbeit vom Kolben, also der Druckleistung. Sie ist abhängig von der spezifischen Wärme des Gases.
Für die Kühlleistung kann errechnet werden, welche Energie notwendig ist, um das heiße Arbeitsgas vom Arbeitszylinder und Kolbenhubraum auf die kalte Temperatur abzukühlen, da die Gasmassen in beiden Arbeitszylindem gleich groß ist, ist die Heizleistung ohne Expansionsarbeit - Druckleistung.
Für die Heizleistung zuzüglich der Druckleistung bzw. Kühlleistung ohne Regenerator gilt somit je nach Arbeitsgas folgende Annahme:
P . V = NKT (9)
P Druck in Pascal V in m*'
K 1.38 . 10"23
6 . 1026 ergibt 1 kMol
1 kMol Luft sind ca. 30 kg Luft
1 kMol Helium sind 4 kg Helium für 1 kg Luft wird pro Grad und Sekunde ca. 1 kW Leistung benötigt
Einen Teil der Kühlleistung kann über einen Regenerator dem Heizmedium über einen Plattenwärmetauscher wieder zugeführt werden.
Für den Wirkungsgrad ergibt sich somit Druckleistung / Heizleistung: η = PD / PH (10)
mit η Wirkungsgrad
PD Druckleistung
PH Heizleistung
Der höchste Wirkungsgrad kann mit Wasserstoff als Arbeitsgas erreicht werden. Wasserstoff ist jedoch als brennbares und explosives Gas in der Praxis problematisch. Durch die Verwendung von Helium kann ein sicherer Betrieb mit gutem Wirkungsgrad erreicht werden.
In der Folge wird die Erfindung anhand des in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigen die Fig. 1 eine erste Ausfuhrungsvariante der vorliegenden Erfindung und die Fig. 2 eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung in Form von schematischen Schaltungsdiagrammen.
Bei der Ausführungsvariante von Fig. 1 wird in einem hermetisch dichten Gasbehälter WTl durch einen großflächigen Wärmetauscher ein unter hohen Druck stehendes Arbeitsgas mit der heißen Temperatur eines Heizmediums erwärmt. Nach der allgemeinen Gasgleichung p x V = nRT würde das Gas isotherm expandieren. Da aber das Volumen gleich bleibt, wird ein Druckanstieg des Arbeitsgases im Behälter WTl erreicht.
Im zweiten hermetisch dichten Gasbehälter WT2, mit der gleichen Gasmenge, wie WTl, wird das Arbeitsgas auf Umgebungstemperatur einmal durch den durch die Gasgleichung gegebenen Energieverlust beim Ausdehnen des Arbeitsgases und zusätzlich kann mittels eines Wärmetauschers die Restwärme des Arbeitsgases dem kalten Teil des Heizmediums oder Wärmespeichers zugeführt werden.
Zwischen den Behältern WTl und WT2 herrscht nach der Gasgleichung ein je nach Temperaturunterschied mehr oder wenig großer Druckunterschied. Mit Hilfe der Ventile VI und V2 werden die Behälter WTl und WT2 synchron an jeweils einem Ende des U-förmigen Arbeitszylinders verbunden. Der Gasdruck von WTl veranlaßt die Arbeitsflüssigkeit FI und damit den im unteren Teil des Arbeitszylinders eingepaßten Magnetkolben eine lineare Bewegung. Die Hohlräume zwischen der Arbeitsflüssigkeit der beiden Seiten und den Ventilen VI und V2 müssen nach der Gasgleichung im gleichen Verhältnis, wie die Druckunterschiede der beiden Behälter WTl und WT2, sein.
Nach erfolgter linearer Bewegung des Kolbens Kl werden durch die Regelelektronik El die Ventile VI und V2 umgeschaltet und der Druckausgleich erfolgt in der Gegenrichtung.
Das Verhältnis für den Gasfreiraum wird durch die Arbeitsflüssigkeit so eingestellt, daß dieses den Druckverhältnissen des Arbeitsgases der beiden Behälter gleichgestellt ist. Damit wird gewährleistet, daß sich in jedem der beiden Gasbehälter in etwa eine gleiche Anzahl von Gasmolekülen befindet. Die Regelelektronik mit den Sensoren S l und S4 errechnet permanent den SOLL- Wert der beiden Behälter und vergleicht diese mit den IST- Werten.. Bei einer Abweichung wird das Raumverhältnis mit Hilfe der Arbeitsflüssigkeit FI und der Arbeitsflüs- sigkeitspumpe Pl auf beiden Seiten des Arbeitszylinders in einem stetigen Regelkreis eingestellt.
Mit Hilfe des Magnetkolbens Kl und der Spule Ll wird wie in einem linearen Synchrongenerator eine Spannung erzeugt. Diese Spannung wird mittels der Elektronik E2 wie in einem Schaltnetzgerät auf eine konstante Spannung gebracht. Je nach Verwendungszweck kann diese Spannung weiterverarbeitet werden und somit als netzsynchrone Spannung 230 V 50 Hz zur Verfügung stehen.
Die Ausführungsvariante von Fig. 2 stellt eine Abwandlung der Ausführungsvariante von Fig. 1 dar. In der Folge sind die wesentlichen Unterschiede erklärt.
Die Beschaltung der Arbeitszylinder ZI und Z2 mit den Gasbehältern WTl und WT2 erfolgt in dieser Ausführungsvariante über Spülleitungen 17a, 17n, 17c und 17d, die durch zwei Vier- Wege-Ventile 10, 11 gekoppelt sind. Auf diese Weise kann nach dem Umschalten der Ventile 10, 1 1 schneller das thermische Gleichgewicht zwischen den Gasbehältern WTl bzw. WT2 und ZI bzw. 22 hergestellt werden. Der Gasbehälter* WTl wird über einen Heizkreislauf 12 erwärmt, der durch eine Pumpe 13 umgewälzt wird. Analog dazu wird der Gasbehälter WT2 über einen Kühlkreislauf 14 gekühlt, der über eine Pumpe 15 umgewälzt wird. Der Heizkreislauf 12 wird stromabwärts des Gasbehälters WTl durch einen Regenerator 16 geführt, der ebenfalls vom Kühlkreislauf 14 stromabwärts des Gasbehälters WT2 durchströmt wird.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Durchführung eines Wärmekraftprozesses mit hohem Wirkungsgrad.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Niedertemperaturwärme, bestehend aus: zwei im wesentlichen senkrecht angeordneten Arbeitszylindem (ZI, Z2), die teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt sind; einer Verbindungsleitung zwischen den Arbeitszylindem (ZI, Z2) zum Überströmen der Arbeitsflüssigkeit zwischen den Arbeitszylindem (ZI, Z2); einem Kolben (Kl), der in der Verbindungsleitung angeordnet ist, um mechanische Arbeit aus der Bewegung der Arbeitsflüssigkeit zu gewinnen, wobei der Kolben (Kl) vorzugsweise mit einem Lineargenerator (Ll) zusammenwirkt, um aus der Bewegung elektrische Energie zu erzeugen, gekennzeichnet durch einen Gasbehälter (WTl), der dazu bestimmt ist. auf einer höheren Temperatur gehalten zu werden, einen Gasbehälter (WT2), der dazu bestimmt ist. auf einer tieferen Temperatur gehalten zu werden, welche Gasbehälter (WTl, WT2) mit einem Arbeitsgas gefüllt sind, und mindestens ein Steuerventil (VI, V2) zur wahlweisen Verbindung der Gasbehälter (WTl, WT2) mit den Arbeitszylindem (ZI, Z2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Steuerventile (VI, V2) miteinander gekoppelt sind, um bei Verbindung eines Gasbehälters (WTl) mit einem Arbeitszylinder (ZI, Z2) den anderen Gasbehälter (WT2) mit dem anderen Arbeitszylinder (Z2, ZI) zu verbinden.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil als Vier- Wege- Ventil ausgebildet ist. das jeweils einen Gasbehälter (WTl) mit einem Arbeitszylinder (ZI, Z2) und den anderen Gasbehälter (WT2) mit dem anderen Arbeitszylinder (Z2, ZI) verbindet.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis.3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpeinrichtung zur Veränderung der Menge der Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitszylindem (ZI, Z2) vorgesehen ist, die aus einer Pumpe besteht, die Arbeitsflüssigkeit aus einem Zwischenspeicher (Bl) in die Arbeitszylinder (ZI, Z2) pumpt, bzw. aus den Arbeitszylindem (ZI, Z2) in den Zwischenspeicher (Bl) pumpt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasbehälter (WTl) mit einem Heizkreislauf (12) verbunden ist, und daß der andere Gasbehälter (WT2) mit einem Kühlkreislauf (14) verbunden ist und daß der Heizkreislauf und der Kühlkreislauf über einen Regenerator (16) zum Wärmeaustausch in Verbindung stehen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Spülleitungen (17a, 17b, 17c, 17d) zur Verbindung der Gasbehälter (WTl, WT2) mit der Arbeitszylindem (ZI, Z2) vorgesehen sind.
7. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Niedertemperaturwärme, bei dem die folgenden Schritte wiederholt ausgeführt werden:
- Verbinden eines ersten Gasbehälters (WTl), der ein Gas hoher Temperatur enthält mit einem ersten Arbeitszylinder (21) und gleichzeitig Verbinden eines zweiten Gasbehälters (WT2), der ein kaltes Gas enthält, mit einem zweiten Arbeitszylinder (22);
- Überströmen einer Arbeitsflüssigkeit vom ersten Arbeitszylinder (21) in den zweiten Arbeitszylinder (22), wodurch ein Kolben zur Gewinnung elektrischer Energie bewegt wird;
- Verbinden des ersten Gasbehälters (WTl) mit dem zweiten Arbeitszylinder (22) und gleichzeitig Verbinden des zweiten Gasbehälters (WT2) mit dem ersten Arbeitszylinder (21);
- Überströmen der Arbeitsflüssigkeit vom zweiten Arbeitszylinder (22) in den ersten Arbeitszylinder (21), wodurch ein Kolben zur Gewinnung elektrischer Energie bewegt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Beginn jedes Arbeitsschrittes eine vorbestimmte Gasmenge in den heißen Gasbehälter (WTl) zurückströmen gelassen wird und daß die gleiche Gasmenge im weiteren Verlauf des Arbeitsschrittes wieder zuströmt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Pumpeinrichtung Arbeitsflüssigkeit aus den Arbeitszylindem (ZI, Z2) entnommen wird, bzw. den Arbeitszylindem (ZI, Z2) zugeführt wird, um das Hubverhältnis in den Arbeitszylindem zu verändern.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasbehälter (WTl) durch ein Heizmedium erwärmt wird, und daß der Gasbehälter (WT2) durch ein Kühlmedium gekühlt wird und daß das Heizmedium nach Durchströmen des Gasbehälters (WTl) durch einen Regenerator (16) geführt wird, der gleichzeitig vom Kühlmedium durchströmt wird, das aus dem Gasbehälter (WT2) austritt.
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