Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwing¬ kolbenmotor mit einem Zylinder, beidseitig an diesen an¬ schliessenden Zylinderköpfen und einem im Zylinder axial beweglich angeordneten, eine sich durch den einen Zylin- derkopf erstreckende Kolbenstange aufweisenden Kolben sowie eine Anlage mit einem Schwingkolbenmotor.

Der thermische Wirkungsgrad von Wärmekraftanlagen ist noch heute ein Problem. Er liegt bei Verbrennungsmo¬ toren und bei Turbinenanlagen nicht über 50%. In Dampf- kraftwerken wird also weniger als 50% der eingebrachten Energie in elektrische Energie umgewandelt. Mehr als 50% dieser eingebrachten Energie verlässt die Anlage über den Kühlturm, also praktisch ungenutzt. Das ist sowohl von der Wirtschaftlichkeit wie von der Umweltbelastung her betrachtet bedenklich. Die Thermodynamik lehrt je¬ doch, dass der Wirkungsgrad der Carnot-Maschine der grösstmögliche sei.

Der Schluss, dass der thermische Wirkungsgrad des Carnot ¹ sehen Kreisprozess der Bestmögliche sei, ergibt sich aus der Feststellung dass die Entropie nicht abneh¬ men könne.

In der korrekten und vollständigen Fassung lautet die These Entropiezunahme:

"Die wahrscheinlichsten Vorgänge, die in einem isolierten System ablaufen sind jene, bei welchen die Entropie entweder zunimmt oder konstant bleibt."

Ist die nachstehend erläuterte Konstruktion als ein isoliertes System zu betrachten?

Bei den stofflichen Systemen, welche im Zusammen- hang mit dem zweiten Hauptsatz betrachtet werden, wird vorausgesetzt, dass es sich um Vielteilchensyste e han-

delt, dessen Teile einen statistischen Aspekt haben. Man denke etwa an die Definition der Entropie s=klnW (k:Boltzmann-Konstante, W:thermische Zustandswahrschein- lichkeit) . Das Prinzip der Entropiezunahme kann aus sta- tistischen Betrachtungen an Vielteilchensystemen abge¬ leitet werden.

Bezüglich der nachstehend beschriebenen Konstruk¬ tion kann man davon ausgehen, dass der im Zylinder be¬ findliche Dampf das Vielteilchensystem bildet. Der Kol¬ ben selbst ist nicht Teil des Vielteilchensystems, ihm fehlt der statistische Aspekt. Die Kolbengeschwindigkeit ist nach Betrag und Richtung bestimmt. In diesem Sinne bildet er ein eigenes System.

Nun wechselwirken aber die Dampfmoleküle mit die- sem Kolben. Mit jedem Stoss eines Moleküls auf die be¬ wegte Kolbenwand wird ein gewisser Betrag ihrer kineti¬ schen und inneren potentiellen Energie auf den Kolben übertragen. Tauscht ein Vielteilchensystem mit einem andern System Energie aus ist es eben kein isoliertes System mehr, es ist dann ein Offenes.

Für offene Systeme lautet dann das Entropiezu¬ nahmeprinzip:

"Wenn ein System nicht isoliert ist, kann seine Entropie infolge der Wechselwirkung mit andern Systemen abnehmen, deren Entropie sich dann ebenfalls verändern muss. Die gesamten Aenderungen aller Entropien der am Prozess beteiligten Systeme muss jedoch S>0 sein."

Expansionen in der Gasphase laufen allerdings auch in offenen Systemen bei konstanter oder zunehmender Entropie ab. In der Gasphase ist die Molekülbewegung immer isentrop. Deshalb gilt das Prinzip der Entropiezu¬ nahme auch für Verbrennungsmotoren, Gas- und Dampfturbi¬ nen,

Eine Ausnahme ergibt sich aber, wenn man in dem

Bereich arbeitet wo die van der Vaals'sehen Kräfte wir¬ ken, etwa in der Uebergangsphase des Nassdampf.

Die van der Waals'sehen Kräfte bilden auch die Grundlage für die flüssige Phase. In dieser Phase sind die Moleküle, mittels Atombrücken, lose untereinander gebunden. Beim Wasser sind es, zum Beispiel, die Wasser¬ stoffbrücken.

Durch diese Brückenbindungen werden die Moleküle auch polarisiert, das heisst ausgerichtet, was dann ein höherer Grad an Ordnung unter den Molekülen ergibt. Be¬ trachtet man die Entropie als Grad der Unordnung unter den Molekülen, so bedeutet das für die flüssige Phase eine kleinere Entropie als in der Gasphase. Man kann das auch sehr gut aus dem Zustandsdiagramm für Dämpfe sehen. Der Nassdampf ist die Uebergangsphase von der

Gas- in die Flüssigphase, wo sich beim Kondensieren die Atombrücken einstellen.

Die Atombrücken stellen sich bei Molekülstössen ein, die ja elastisch sind. Der Stoss kann in zwei Pha- sen unterteilt werden, die Kompressions- und die Expan- sionsphase.

In der ersten Phase, der Kompressionsphase, gera¬ ten die Kraftfelder, welche Moleküle halt eben auch sind, ineinander. Die kinetische Energie wird in poten- tielle Energie umgewandelt. In der zweiten Phase, der

Expansionsphase, bewegen sich dann die Moleküle wieder auseinander. Die potentielle Energie wird wieder in kinetische zurück verwandelt.

Diese kann allerdings nur zurückverwandelt wer- den, wenn keine erheblichen Bindungsenergien vorhanden sind.

Sind etwa die Atombrücken stärker als die poten¬ tielle, resp. die kinetische Energie, bleiben die Mole¬ küle gebunden, die Brücke hat sich damit eingestellt,

die Moleküle sind damit quasi kondensiert.

Bedenkt man nun, dass in der Gasphase die kineti¬ sche Energie ein Vielfaches der kinetischen Energie der Flüssigphase ist, so bedeutet also kondensieren den 5 Molekülen kinetische Energie entziehen.

Entzieht man Dampfmolekülen kinetische Energie, in dem Bereich wo die van der Waals'sehen Kräfte wirken, bilden sich Atombrücken. Damit werden die Dampfmoleküle geordnet was eine tiefere Entropie ergibt. -- Im statistischen Mittel sind die van der

Waals'sehen Kräfte konstante Grossen. Entzieht man nun den Molekülen kinetische Energie, gewinnen die van der Waals'sehen Kräfte an Einfluss, was dann zu einer stär¬ keren Polarisierung der Moleküle führt. Aus diesem Gund -5 scheint es möglich, dass die Entspannung eines Nassdampf gegen einen Kolben eine abnehmende Entropie hat.

Polare Moleküle verhalten sich in dieser Phase also nicht im Sinne des Entropiezunahmeprinzips, das man auch in dem Sinne deuten kann, dass Moleküle nie von 0 alleine von einem Zustand niederer Ordnung in einen Zu¬ stand höherer Ordnung übergehen würden. Polare Moleküle gehen aber offensichtlich bei abnehmendem Energieinhalt in einen Zustand höherer Ordnung über.

Betrachtet man die isentrope Entspannung eines 5 Sattdampf im Mollierdiagramm, so stellt man fest, dass diese mit einer Teilkondensation verbunden ist. Verlust¬ frei betrachtet ist die Adiabate gleich der Isentropen. Die Entspannung des Gasanteils müsste also isentrop sein. Die Kondensation hat eindeutig eine abnehmende Entropie. Führt das im ganzen nicht zu einer abnehmenden Entropie?

Die Frage ist nun wie man den Dampfmolekülen die Energie entzieht?

Ebensogut wie durch Kühlung kann das durch Ent-

spannen gegen einen Kolben erfolgen.

Will man obige Vermutung rechnerisch überprüfen so eignen sich die Methoden der kalorischen Thermodyna¬ mik kaum. Hingegen bietet die kinetische Wärmetheorie diese

Möglichkeit, wenn man von folgenden Annahmen ausgehen kann:

- Mit jedem Stoss wird an der bewegten Kolbenwand ein Teil der kinetischen und der inneren poten- tiellen Energie der Moleküle auf den Kolben übertragen.

Multipliziert man die pro Stoss übertragene Energie mit der Anzahl Stösse die während der Entspannung stattfinden, so kommt man auf die Energieübertragung.

- Das Wechselwirken der Dampfmoleküle mit der be¬ wegten Kolbenwand entspricht einem Spezialfall des elastischen Stoss, nämlich dem Stoss auf eine bewegte Wand.

- Es wechselwirken nur die Moleküle des Gasan- teils mit der Kolbenwand.

- Die Wärme kann auf kinetische und innere poten¬ tielle Energie der Dampfmoleküle zurückgeführt werden.

Obige Vermutung, dass die Entspannung eines Nass¬ dampf eine abnehmende Entropie haben könnte wird durch diese Berechnung bestätigt.

Bei einer Entspannung des Dampfes von 1:1000, al¬ so etwa von 10 bar auf 10 mbar, kann man fast die ganze Kondensationswärme auf den Kolben übertragen.

Das heisst anderseits, dass bei dieser Art Dampf- entspannung der Kondensator überflüssig wird und man von der Umgebungstemperatur unabhängig würde. Damit kann dieser Energiewandlungsprozess auch auf niederem Tempe- raturniveau betrieben werden (CH. Kittel/H. Krömer, Phy¬ sik der Wärme _? Ewald Wicke, Einführung in die Physikali¬ sche Chemie; Leonhard Riedel, Physikalische Chemie; Alonso/Finn, Physik) .

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen eingangs erwähnten Schwingkolbenmotor sowie eine Anlage mit einem Schwingkolbenmotor zu bauen, bei denen der Wirkungsgrad höher als bei den bisher realisierten Wärmekraftanlagen liegt.

Dies wird erfindungsge äss beim Schwingkolbenmo- tor dadurch erzielt, dass der Kolben mit einem sich durch den andern Zylinderkopf erstreckenden Dampfau≤- lassrohr verbunden ist und im Kolben Dampfdurchtrittska- näle vorgesehen sind. Bei der Anlage mit einem Schwing¬ kolbenmotor wird dies erfindungsgemäss erzielt durch ei- nen durch die Kolbenstange des Schwingkolbenmotors betä¬ tigten Lineargenerator, einen Prozessrechner zur Steue¬ rung von mit Dampfeinlässen in den Zylinderköpfen ver¬ bundenen Steuerventilen, einen mit den Ventilen verbun¬ denen Verdampfer, ein mit dem Dampf uslassrohr verbunde- nes Phasentrenngefäss sowie einen mit dem Phasentrennge- fäss und dem Verdampfer verbundenen Mittel zum Halten des Unterdruckes im Phasentrenngefäss.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erge¬ ben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprü- ehe.

Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeich¬ nung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie dessen Verwendung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch den Schwingkolbenmotor,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil des Schwingkol- benmotors mit dem Kolben in der linken Endlage, Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil des Schwingkol¬ benmotors mit dem sich nach rechts bewegenden Kolben,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Teil des Schwingkol¬ benmotors mit dem Kolben in einer rechten Lage, Fig. 5 einen Schnitt durch einen Teil des Schwingkol¬ bens mit dem Kolben in der rechten Endlage, Fig. 6 einen Schnitt gemäss Linie VI-VI der Fig. 1,

Fig. 7 einen Schnitt gemäss Linie VII-VII der Fig. 1, Fig. 8 ein Blockschaltbild der gesamten Schwingkolben¬ anlage. Der Schwingkolbenmotor 1 gemäss Fig. 1 umfasst einen Zylinder 2, an dessen beiden Enden je ein Zylin¬ derkopf 3, 4 zur Aufnahme u.a. von Ventilen angeflanscht und mit Dichtungen 5 und 6 gegenüber dem Zylinder 2 ab¬ gedichtet ist. Der Schwingkolbenmotor ist mittels Stoss- dämpfer 7 und 8 auf einer Unterlage montiert. In den Zy- linderköpfen 3 und 4 ist eine erste Dampfeinlassö fnung 9 und eine zweite Dampfeinlassöffnung 10 vorgesehen. In ringförmigen Ausnenmungen 11 und 12 ist je ein ebenfalls ringförmiges Dampfeinlassventil 13 und 14 angeordnet. Die Dampfeinlassventile 13, 14 sind gegen den Druck ei- ner Feder 15 und 16 gegenüber der Aussenwände 17 und 18 der Zylinderköpfe 3 und 4 verschiebbar. Die Federn 15 und 16 liegen an Flächen 19 und 20 eines ringförmigen Kanales 21 und 22 der Dampfeinlassventile 13 und 14 an. Die Dampfeinlassventile 13 und 14 sind je mit einem ringförmigen Dämpfungselement 23 und 24 versehen. Die

Dampfeinlassventile 13 und 14 weisen je einen in Rich¬ tung des Zylinderraumes 25 gerichteten Ansatz 26 und 27 auf, in welchen Ansätzen eine ringförmige Nut 28 und 29 eingelassen ist. Die Dampfeinlassventile 13 und 14 lie-

gen an ihrem äusseren Umfang in der in Fig. l gezeigten geschlossenen Stellung an ringförmigen Anschlägen 30 und 31 an, wobei diese Anschläge 30 und 31 durch Federn 32 und-33 belastet sind. An die Zylinderköpfe 3 und 4 schliesst sich je ein ringförmiges Zwischenstück 34 und 35 mit einer im Querschnitt dreieckformigen Ringnut 36 und 37 an. Am äusseren Rand der Zwischenstücke 34 und 35 ist je ein ringförmiges dämpfendes Glied 38 und 39 vor¬ gesehen. Im Zylinder 2 ist der mit einer Kolbenstange 40 und einem Dampfauslassrohr 41 verbundene Kolben 42 axial verschiebbar angeordnet. Der Kolben 42 ist mit einem Dichtungsring 43 gegenüber der Zylinderwand 44 abgedich¬ tet. Die Kolbenstange 40 ist in einem Axiallager 45 mit Abdichtungen 46 und 47 geführt. Das Dampfauslassrohr 41 ist in einem Axiallager 48 mit Dichtungen 49 und 50 ge¬ führt. Das Dampfauslassrohr 41 weist mehrere im Quer¬ schnitt dreieckförmige Rippen 92 auf, die auf der linken Seite gemäss Fig. 1 eine etwa senkrecht zur Zylinderac - se und auf der rechten Seite gemäss Fig. 1 eine schräg zur Zylinderachse verlaufende Flanke 93, 94 aufweisen. Dies hindert das durch das Dampfauslassrohr ausfliessen¬ de Kondensat am Rückfluss. Der Kolben 42 ist mit ge¬ krümmten Dampfdurchtrittskanälen 51 und 52 versehen, an deren Ende mit dem Dampf uslassrohr 41 verbundene Rippen 87 angeordnet sind. Ein Teil 112 zwischen den Dampfaus- lasskanälen 51 _r 52 ist an seinem Ende spitz zulaufend ausgebildet. In einer ringförmigen Oeffnung 53 des Kol¬ bens 42 ist ein ebenfalls ringförmiges Dampfauslassven- til 54 angeordnet. Das Dampfauslassventil 54 ist an sei¬ nen beiden äusseren Enden mit einem ringförmigen, im Querschnitt etwa dreieckformigen Teil 55 und 56 versehen und mit zylinderförmigen Teilen, welche die Teile 55 und 56 verbinden, in Lagerbüchsen 59 und 97 geführt. Die

ringförmigen Teile 55 und 56 sind je in einer ringförmi¬ gen Steuernase 57 und 58 fortgesetzt. Am äusseren Umfang des Kolbens 42 ist ein, mit einer Feder 60 belastetes Kondensatventil 61 angeordnet. Das Dampfauslassventil 54 ist bezüglich des Kolbens 42 axial beweglich angeordnet. Die Steuernasen 57 und 58 passen mit ihren Enden 62 und 63 in entsprechend geformte Ausnehmungen 64 und 65 der Dämpfungselemente 23 und 24. Die Flächen 90, 91 des ringförmigen Teils 55, 56 des Dampfauslassventils 54 verlaufen schräg zur Achse des Zylinders 2.

Anhand der Fig. 2 - 5 wird im folgenden der Funk¬ tionsablauf des Schwingkolbenmotors in den einzelnen Phasen beschrieben. Durch den Dampfeinlass 9 strömt Dampf in die ringförmige Ausnehmung 11 und durch den ringförmigen Kanal 21 in den Raum 66 und zwischen Absät¬ zen 67 und 68 des Zwischenstückes 34 und der ringförmi¬ gen Steuernase 57 hindurch in den Raum zwischen Zwi¬ schenstück 34 und den ringförmigen Teil 55 des Dampfein- lassventiles 54. Das Dampfeinlassventil 54 wird mit dem ringförmigen Teil 55 gegen die linke Aussenwand 69 des

Kolbens 42 nach rechts gemäss Fig. 1 verschoben. In die¬ ser Position wird das Dampfeinlassventil 13 mit der ringförmigen Steuernase 57 gegen den Druck der Feder 15 nach links gedrückt. Das Ende 62 der Steuernase 57 liegt dabei in der ringförmigen Ausnehmung 64 des Dämpfungs¬ elementes 23 an.

In der Phase gemäss Fig. 3 dehnt sich der Dampf aus, und der Kolben 42 bewegt sich weiter nach rechts. Das Dampfeinlassventil 13 ist in Schliessposition ge- gangen, wobei der ringförmige Ansatz 26 dichtend zwi¬ schen die Ansätze 67 und 68 des Zwischenstückes 34 zu liegen kommt. Das Einströmen des im Verdampfer erzeugten Sattdampfes erfolgt lediglich auf einem sehr kurzen Ab¬ schnitt von beispielsweise 2 °/oo des Kolbenhubes. Der

Kolben wird weg vom Zwischenstück 34 des Zylinderkopfes 3 nach rechts auf eine Geschwindigkeit von ca. 30 - 100 m/sek beschleunigt. Das Dampfeinlassventil 13 wird, be¬ dingt durch das Druckgefälle und die Kraft der Schliess- feder 15 geschlossen. Mit der Kolbenstange 40 wird die Kraft auf einen Lineargenerator übertragen, wodurch der Kolben 42 wieder verzögert wird. Das Dampfauslassventil 54 ist auf der gemäss den Fig. 1 - 5 rechten Seite mit dem ringförmigen Teil 56 geöffnet, wodurch der im Zylin- derraum 25 befindliche Dampf zwischen dem ringförmigen

Teil 56 und der rechten Wand 70 des Kolbens 42 durch den Kanals 51 in das Da pfauslassrohr 41 strömen kann. Wird Sattdampf eingespiesen, so kann angenommen werden, dass ein Teil des Dampfes an der Kolbenfläche kondensiert. Die Kolbenflächen 70 sind konisch ausgebildet, wodurch allenfalls ausfallendes Kondensat durch die Beschleuni¬ gungskräfte in das Dampfauslassrohr 41 gefördert wird. Das Kondensat wird über das Rückschlagventil 60, 61 auf die gegenüberliegende Seite gefördert und von dort eben- falls infolge der Beschleunigungskräfte in das Dampfaus¬ lassrohr 41 gefördert. Durch das Dampfauslassrohr wird der entspannte Nassdampf in den Phasenseparator, wo die flüssige Phase und die Gasphase getrennt werden, geför¬ dert. In der Phase des Funktionsablaufes gemäss Fig. 4 ist das Dampfauslassventil 54 auf der rechten Seite ge¬ mäss Fig. 4 geschlossen. Mit der ringförmigen Steuernase 58 wird der ringförmige Ansatz 27 des Dampfeinlassventi- les abgehoben. Der in dem Raum zwischen rechter Aussen- wand gemäss Fig. 4 des ringförmigen Teils 56 des Dampf¬ auslassventiles 54 und der Aussenwand des Zwischen¬ stückes 34 des Zylinderkopfes 4 eingeschlossene Rest¬ dampf wird verdichtet.

Die Flächen 90, 91, 102, 103, 104, 105, 106, 107

des ringförmigen Teils 55, 56 des Dampfauslassventils 54 verlaufen schräg zur Achse des Zylinders 2 und zwar so¬ wohl diejenigen benachbart der zylinderförmigen Verbin¬ dungsteile 95, 96 als auch diejenigen benachbart den Steuernasen 57 und 58. Die Aussenflachen des Ventils 54 verlaufen vorzugsweise symmetrisch zu den Steuernasen 57, 58. Die den ringförmigen Teilen 55, 56 des Ventils 54 gegenüberliegenden Flächen 108, 109, 110, 111 des Kolbens verlaufen ebenfalls schräg zur Achse des Zylin- ders 2 und passen genau auf die entsprechenden Flächen 90, 91, 102, 103, 104, 105, 106, 107 der ringförmigen Teile des Ventils.

In der Phase gemäss Fig. 5 befindet sich der Kol¬ ben 42 in der rechten Endlage. Mit der ringförmigen Steuernase 58 des Dampfauslassventils 54 wird das Dampf¬ einlassventil 14 gegen den Druck der Feder 16 von den Ansätzen 70 und 71 des Zwischenstückes 35 des Zylinder¬ kopfes 4 abgehoben. Vom Verdampfer strömt Hochdruckdampf durch den Dampfeinlass 10 in den Raum zwischen dem ring- förmigen Teil 56 des Kolbens 42 und dem Zwischenstück 35 des Zylinderkopfes 4 ein.

Beim erfindungsge ässen Schwingkolbenmotor wird ein Nassdampf gegen einen Kolben entspannt.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt gemäss Linie VI-VI der Fig. 1.

Fig. 7 zeigt einen Schnitt gemäss Linie VII-VII der Fig. l.

Fig. 8 zeigt in schematischer Weise die Gesamtan¬ lage mit dem Schwingkolbenmotor. Mit dem Schwingkolben- motor l wird ein Lineargenerator 72 angetrieben, der zum Start des Schwingkolbenmotors auf Motorbetrieb umge¬ schaltet wird. Ueber einen Prozessrechner 73 werden Ven¬ tile 74 und 75, die zu den Dampfeinlassen 9 und 10 füh¬ ren, betätigt. Im weiteren werden durch den Prozessrech-

ner Messdaten eines an der Zylinderwand 44 angeordneten Hall-Generators 76 zur Messung der Axialbewegung des Kolbens 42 erfasst. Zu diesem Zweck ist in der Aussen- wand des Kolbens 42 ein Magnet 77 angeordnet. Von einem Verdampfer 78 wird über eine Leitung 79 den Ventilen 74 und 75 Sattdampf zugeführt. Das Dampfauslassrohr 41 des Schwingkolbenmotors ist über einen Faltenbalg 80 mit ei¬ nem Phasentrenngefäss 81 verbunden. Ueber eine Restgas¬ verdichtungsvorrichtung mit Rückkühlung 82 wird das Restgas über Leitung 84 dem Verdampfer 78 zugeführt. Das Phasentrenngefäss ist über eine Kondensatpumpe 85 mit der Restgasverdichtungsvorrichtung 82 über eine Leitung 36 verbunden. Im Verdampfer 78 ist eine Spirale 98 ange¬ ordnet, die einen Wärmeaustauscher symbolisiert, mit dem die notwendige Wärme, das könnte zum Beispiel Abwärme aus industriellen Anlagen sein, in das System einge¬ bracht wird, die dann mit dem Schwingkolbenmotor in mechanische, resp. elektrische Energie umgewandelt wer¬ den soll. Die Wärme kann aus irgendwelchen Wärmequellen stammen und mittels Dampf, Abluft oder anderen Wärme¬ trägern zum Wärmeaustauscher gebracht werden. Im Wärme¬ austauscher wird diese dann auf das Kreisprozessmedium übertragen und damit Dampf erzeugt.

Vom Lineargenerator führen elektrische Leitungen 99, 100, 101 zum Verbraucher.

Falls anstelle des linearen Generators 72 ein Mo¬ tor eingesetzt wird oder der lineare Generator als Motor betrieben wird, so kann die beschriebene Anlage mit ei¬ nem Schwingkolbenmotor auch als Kältemaschine betrieben werden.

Der Schwingkolbenmotor könnte auch als Kondensationsmotor bezeichnet werden.