Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein System zur Energieumwandlung, umfas- send einen mehrere Teilwege umfassenden Hauptförderweg für ei- nen Luftmassenstrom mit einem Eingang für Umgebungsluft und einen Ausgang für Abluft, eine Luftmassenfördereinrichtung, we- nigstens eine primäre Wärmequelle, wenigstens eine Erhitzungsein- heit und eine Expansionseinheit sowie ein Verfahren zum Energie- umwandeln, wobei ein Luftstrom durch einen Hauptförderweg, der mehrere Teilförderwege umfasst, von einem Eingang für Umge- bungsluft zu einem Ausgang für Abluft gefördert wird.

Derartige Systeme zur Energieumwandlung haben eine Vielzahl von Anwendungsbereichen. Ein typisches Beispiel ist die Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie mittels einer Turbine und einem Generator. Dazu wird ein flüssiges oder gasförmiges Medium durch die Wärmeenergie erhitzt. Durch anschließende Expansion des erhitzten Mediums in der Turbine wird die Wärmeenergie in ki- netische Energie umgewandelt. Schließlich wird mit der kinetischen Energie der Generator angetrieben, der die kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt.

Bei derartigen Energieumwandlungsprozessen wird die Wärme- energie nicht vollständig in kinetische oder elektrische Energie um- gewandelt, ein Anteil der eingesetzten Wärmeenergie geht an die Umgebung verloren. Der Anteil der in kinetische Energie oder elekt- rische Energie umgewandelten Wärmeenergie wird durch den Wir- kungsgrad angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Ver- fahren zur Energieumwandlung anzugeben, bei dem die Wärme- energie einer primären Wärmequelle unter einem hohen Wirkungs- grad umgewandelt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System zur Energieumwand- lung, umfassend einen mehrere Teilförderwege umfassenden Hauptförderweg für einen Luftmassenstrom mit einem Eingang für Umgebungsluft und einem Ausgang für Abluft, eine Luftmassenför- dereinrichtung, wenigstens eine primäre Wärmequelle, wenigstens eine Erhitzungseinheit und eine Expansionseinheit, wobei ein erster Teilförderweg vom Eingang des Hauptförder- wegs zu einem ersten Eingang der Luftmassenförderein- richtung führt, ein zweiter Teilförderweg durch einen ersten Teil der Luftmassenfördereinrichtung vom ersten Eingang der Luftmassenfördereinrichtung zu einem ersten Ausgang der Luftmassenfördereinrichtung führt, ein dritter Teilförderweg vom ersten Ausgang der Luft- massenfördereinrichtung durch die wenigstens eine Erhit- zungseinheit zu einem zweiten Eingang der Luftmassen- fördereinrichtung führt, wobei die Erhitzungseinheit dazu ausgebildet ist, den Luftmassenstrom zu erwärmen, ein vierter Teilförderweg durch einen zweiten Teil der Luftmassenfördereinrichtung vom zweiten Eingang der Luftmassenfördereinrichtung zu einem zweiten Ausgang der Luftmassenfördereinrichtung führt, ein fünfter Teilförderweg vom zweiten Ausgang der Luft- massenfördereinrichtung durch die Expansionseinheit führt, wobei die Expansionseinheit dazu eingerichtet ist, Energie, die durch Expansion des erwärmten Luftmassen- stroms frei wird, in kinetische Energie umzuwandeln und einem Verbraucher zuzuführen, ein sechster Teilförderweg von einem Ausgang der Ex- pansionseinheit zur wenigstens einen Erhitzungseinheit führt, und ein siebter Teilförderweg in oder an der Erhitzungseinheit mit dem dritten Teilförderweg zum Ausgang für Abluft führt, wobei der siebte Teilförderweg so an den dritten Teilförderweg angenähert ist, dass restliche Wärme des im siebten Teilförderweg geführten Luftmassenstroms we- nigstens teilweise an den im dritten Teilförderweg geführ- ten Luftmassenstrom abgegeben wird, wobei die wenigstens eine primäre Wärmequelle ausgebildet und angeordnet ist, die Erhitzungseinheit mit Wärmeenergie zu versor- gen, wobei die Luftmassenfördereinrichtung wenigstens zwei den Luftmassenstrom fördernde bewegliche Trennmittel aufweist, die den zweiten Teilförderweg und den vierten Teilförderweg durchlau- fen und ein Teilvolumen des Luftmassenstroms im zweiten, dritten und vierten Teilförderweg zwischen sich einschließen, so dass das Teilvolumen im Wesentlichen konstant bleibt.

Bei der Expansionseinheit handelt es sich beispielsweise um eine Turbine und bei dem Verbraucher beispielsweise um einen Genera- tor. Die Erhitzungseinheit, in oder an der der siebte Teilförderweg an den dritten Teilförderweg angenähert ist, ist als Wärmetauscher ausgebildet.

Die Luftmassenfördereinrichtung ist von einem Motor angetrieben und fördert den Luftmassenstrom vom ersten Teilförderweg durch den zweiten Teilförderweg in den dritten Teilförderweg und vom drit- ten Teilförderweg durch den vierten Teilförderweg zum fünften Teil- förderweg. Der zweite Teilförderweg ist dabei in dem ersten Teil der Luftmassenfördereinrichtung und der vierte Teilförderweg in dem zweiten Teil der Luftmassenfördereinrichtung angeordnet. Bei ge- eigneter Konfiguration eines Verbrauchers an der Expansionsein- heit, beispielsweise eines elektrischen Generators, und Verwendung eines Elektromotors zum Antrieb der Luftmassenfördereinrichtung kann ein Teil des mit dem Generator erzeugten Stroms zur Bestro- mung des Motors verwendet werden.

Zwischen den Trennmitteln der Luftmassenfördereinrichtung sind Kammern umfasst, in denen der geförderte Luftmassenstrom trans- portiert wird. Die Trennmittel bewegen sich zyklisch durch den ers- ten Teil und den zweiten Teil der Luftmassenfördereinrichtung und fördern so die Luft vom ersten Eingang zum ersten Ausgang und vom zweiten Eingang zum zweiten Ausgang. Durch die Trennmittel und die zwischen den Trennmitteln eingeschlossenen Kammern wird der Luftmassenstrom dem dritten Teilförderweg portioniert zu- und abgeführt. Das Teilvolumen, welches die Luft im dritten Teilförderweg sowie die Luft in den an den dritten Teilförderweg über den ersten Aus- gang und den zweiten Eingang verbundenen Kammern umfasst, bleibt im Wesentlichen konstant. Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass das dem dritten Teilförderweg portioniert zu- und ab- geführte Luftvolumen deutlich kleiner als das Luftvolumen im dritten Teilförderweg ist. Somit findet die Erwärmung der Luft in der Erhit- zungseinheit oder den Erhitzungseinheiten im dritten Teilförderweg im Wesentlichen isochor statt. Unter dem Ausdruck„im Wesentli- chen isochor“ wird im Rahmen dieser Patentanmeldung verstanden, dass sich das erhitzte Luftvolumen während des Erhitzungsprozes- ses nur unwesentlich verändert und mit der Erwärmung der Luft hauptsächlich der Luftdruck ansteigt. Das veränderliche Volumen ist das Volumen des Einlasses und Auslasses im zweiten und vierten Teilförderweg, während das Volumen im dritten Teilförderweg als Bauvolumen konstant ist. Diese zyklische Volumenschwankung, die auch als isochores Leveling bezeichnet wird, hängt von dem Ver- hältnis des veränderlichen Volumens des Ein- und Auslasses zum konstanten Bauvolumen ab. Typische Werte für dieses Verhältnis sind vorzugsweise 1 :10 oder weniger, vorzugsweise 1 :20 oder we- niger.

Vorteilhaft wird durch die isochore bzw. im Wesentlichen isochore Erhitzung der Luft ein höherer Wirkungsgrad erreicht, als wenn das Luftvolumen während der Erhitzung nicht begrenzt wird und sich daher unbeschränkt ausdehnen kann. Letzteres ist beispielsweise bei einem System der Fall, bei dem die Luft ohne erfindungsgemäße Luftmassenfördereinrichtung durch eine Erhitzungseinheit geleitet wird.

Zudem wird bei dem erfindungsgemäßen System vorteilhaft die Restwärme der Abluft genutzt, um die Luft in der Erhitzungseinheit zu erwärmen. Unter Abluft wird im Rahmen der Erfindung der Luft- massenstrom verstanden, der aus der Expansionseinheit austritt, durch den sechsten und siebten Teilförderweg geleitet wird und schließlich aus dem Ausgang für Abluft austritt. Zur Erwärmung des Luftmassenstroms im dritten Teilförderweg wird also sowohl die Wärmeenergie der primären Wärmequelle als auch die Restwärme der Abluft verwendet. Auf diese Weise wird ein erhöhter Wirkungs- grad des Systems zur Energieumwandlung erzielt.

Nachdem die Abluft im siebten Teilförderweg ihre Restwärme zu- mindest teilweise an den Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg abgegeben hat, wird sie im siebten Teilförderweg zum Ausgang für Abluft geleitet.

Vorteilhaft wird in dem System ausschließlich Luft als energietra- gendes Medium verwendet. Die Zugabe eines Treibstoffs ist nicht erforderlich. Es genügt, wenn außer der Umgebungsluft die Wärme- energie der primären Wärmequelle sowie kinetische Energie zum Antrieb der beweglichen Trennmittel durch einen Motor zur Verfü- gung gestellt wird, wobei für den Antrieb der beweglichen Trennmit- tel auch ein Teil der aus der Expansionseinheit oder dem Verbrau- cher erzeugten Energie verwendet werden kann. Weiterhin vorteil haft werden durch das System zur Energieumwandlung keine schä- digenden Verbrennungsprodukte freigesetzt, da nur die Abluft als Endprodukt an die Umgebung abgegeben wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Luftmas- senfördereinrichtung wenigstens drei den Luftmassenstrom fördern- de bewegliche Trennmittel, wobei die Trennmittel um eine zentrale Drehachse rotierbar sind.

In dieser Ausführungsform sind die Trennmittel bevorzugt zwischen einem inneren und einem äußeren zylindrischen Körper angeordnet und rotieren um eine gemeinsame Drehachse. Zwischen den Trennmitteln sind die Kammern der Luftmassenfördereinrichtung eingeschlossen. In dem ersten Teil der Luftmassenfördereinrichtung ist der erste

Eingang und der erste Ausgang und in dem zweiten Teil der zweite Eingang und der zweite Ausgang angeordnet. Die Eingänge und Ausgänge sind jeweils bevorzugt als Aussparungen in dem äußeren zylindrischen Körper ausgebildet. Durch die Rotation der Trennmit- tel wird die Luft in den Kammern von dem ersten Eingang zum ers- ten Ausgang und vom zweiten Eingang zum zweiten Ausgang trans- portiert.

Vorteilhaft wird durch die Verwendung von wenigstens drei Trenn- mittein, die um eine gemeinsame Drehachse rotieren, erreicht, dass der Luftmassenstrom durch den Hauptförderweg gefördert und gleichzeitig das zusammenhängende Teilvolumen im zweiten, drit ten und vierten Teilförderweg im Wesentlichen konstant gehalten wird.

Bevorzugt ist in der Luftmassenfördereinrichtung der zweite Teilför- derweg von dem vierten Teilförderweg durch einen ersten Separator und einen zweiten Separator getrennt, wobei der erste Separator und der zweite Separator dazu eingerichtet sind, sich bei einem Durchgang der beweglichen Trennmittel zu öffnen.

Der erste Teil der Luftmassenfördereinrichtung wird somit vom zwei- ten Teil durch die Separatoren getrennt. Der erste Separator ist da- bei zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Eingang und der zweite Separator zwischen dem zweiten Ausgang und dem ers- ten Eingang angeordnet.

Durch die Separatoren wird verhindert, dass der Luftmassenstrom von dem zweiten Teilförderweg in den vierten Teilförderweg oder umgekehrt gefördert wird, also direkt vom ersten Ausgang zum zweiten Eingang oder direkt vom zweiten Ausgang zum ersten Ein- gang. Mit anderen Worten verhindern die Separatoren eine Durch- mischung der Umgebungsluft im zweiten Teilförderweg mit dem er- wärmten Luftmassenstrom im vierten Teilförderweg.

Damit die Separatoren nicht mit den beweglichen Trennmitteln kolli- dieren, sind die Separatoren dazu eingerichtet, sich kurz vor dem Durchgang der Trennmittel zu öffnen und sich nach dem Durchgang wieder zu schließen. Es entsteht durch die kurzzeitige Öffnung nur ein geringfügiger Verlust an Wirkungsgrad, der durch geeignete schnelle Steuerung und Bewegung der Separatoren begrenzt wer- den kann.

Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der erste Separator und der zweite Separator dazu eingerichtet sind, bezüglich der zentralen Drehach- se der beweglichen Trennmittel radial nach außen oder innen ver- schoben zu werden, insbesondere mittels elektromagnetischer

Krafteinwirkung.

In dieser Ausführungsform bewegen sich die Trennmittel bevorzugt auf einer Kreisbahn, so dass durch eine Bewegung der Separatoren in radialer Richtung ein Durchgang für die Trennmittel geöffnet wird. Indem das Öffnen und Schließen der Separatoren mittels elektro- magnetischer Krafteinwirkung geschieht, kann dieser Prozess schnell und präzise ausgeführt werden. Alternativ ist eine mechani- sche Krafteinwirkung hierzu vorgesehen, beispielsweise mittels ei- ner Kulisse, in der ein oder mehrere Mitnehmer ablaufen, insbeson- dere abrollen.

Gemäß einer Ausführungsform ist die primäre Wärmequelle als So- lareinheit ausgebildet, die zur Umwandlung von Energie aus Son- neneinstrahlung in Wärmeenergie eingerichtet ist. Vorteilhaft wird auf diese Weise ein System zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische oder elektrische Energie bereitgestellt, bei der zur Er- wärmung des Luftmassenstroms eine erneuerbare Energiequelle eingesetzt wird. Gemäß alternativen Ausführungsformen handelt es sich bei der primären Wärmequelle um andere Wärmeenergiequel- len, wie beispielsweise Verbrennungsprozesse.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verläuft der dritte Teil- förderweg in Richtung des Luftmassenstroms zunächst durch eine erste Erhitzungseinheit und anschließend durch eine zweite Erhit- zungseinheit, wobei in oder an der ersten Erhitzungseinheit die rest- liehe Wärme des im siebten Teilförderweg geführten Luftmassen- stroms wenigstens teilweise an den im dritten Teilförderweg geführ- ten Luftmassenstrom abgegeben wird und wobei die zweite Erhit- zungseinheit dazu eingerichtet ist, von der primären Wärmequelle mit Wärmeenergie versorgt zu werden.

In dieser Ausführungsform wird der Luftmassenstrom im dritten Teil- förderweg zunächst durch die Restwärme der Abluft vorgewärmt und anschließend durch die Wärmeenergie der primären Wärme- quelle weiter erhitzt. Es wird dabei die Tatsache genutzt, dass durch die Restwärme der Abluft der Luftmassenstrom im dritten Teilför- derweg nicht ohne weiteres über die Temperatur der Abluft hinaus erhitzbar ist. Mit der Restwärme der Abluft wird also bevorzugt die noch kalte Umgebungsluft vorgewärmt. So muss für die Erhitzung der vorgewärmten Luft in der zweiten Erhitzungseinheit weniger Wärmeenergie aufgewendet werden, als wenn die Umgebungsluft nicht vorgewärmt würde, und der Wirkungsgrad wird gesteigert.

In einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist in dem sechsten Teilförderweg ein Ablufterhitzer umfasst, der dazu eingerichtet ist, den Luftmassenstrom im sechsten Teilförderweg durch Zufuhr von Wärmeenergie der primären Wärmequelle und/oder einer sekundären Wärmequelle zu erhitzen.

Gemäß dieser Ausführungsform wird die Wärmeenergie der Wär- mequelle nicht direkt dem Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg zugeführt, sondern zur Erhitzung der Abluft verwendet. Bevorzugt wird eine einzelne Erhitzungseinheit verwendet, die als Wärmetau- scher ausgebildet ist. Da die Abluft nach dem Austritt aus der Ex- pansionseinheit wärmer ist als die Umgebungsluft, muss weniger Energie aufgewendet werden, um die Abluft auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen, als dies bei der kalten Umgebungsluft der Fall wäre.

Alternativ kann auch in der Ausführungsform mit zwei Erhitzungs- einheiten die Abluft zusätzlich mittels Wärmeenergie der primären Energiequelle oder einer sekundären Energiequelle erhitzt werden.

Weiterhin bevorzugt ist zudem ein Umgebungslufterhitzer umfasst, der dazu eingerichtet ist, durch einen separaten Eingang zugeführte Umgebungsluft durch Zufuhr der Wärmeenergie der primären Wär- mequelle oder der sekundären Wärmequelle zu erhitzen, wobei der Umgebungslufterhitzer durch eine Zuleitung mit dem sechsten Teil- förderweg und/oder dem siebten Teilförderweg verbunden ist. Gerade beim Anlaufen des Systems wird die Abluft vergleichsweise wenig Restwärme aufweisen. In diesem Fall ist es sinnvoll, zur Er- wärmung des Luftmassenstroms im dritten Teilförderweg zunächst die Wärmeenergie von Heißluft zu verwenden, die in einem Umge- bungslufterhitzer aufgeheizt wurde. Die Erwärmung von Umge- bungsluft im Umgebungslufterhitzer geschieht dabei durch Wärme- energie der primären oder der sekundären Wärmequelle. Die Heiß- luft wird dem sechsten Teilförderweg oder dem siebten Teilförder- weg zugeleitet, um den Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg durch Wärmeaustausch zu erwärmen.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind in dem sechsten Teilför- derweg auf beiden Seiten des Ablufterhitzers und in der Zuleitung Sperrventile angeordnet. Durch die Sperrventile kann die Zufuhr von Heißluft und/oder geheizte Abluft in den siebten Teilförderweg ge- sperrt werden. Vorteilhaft werden die Sperrventile so geschaltet, dass dem System beim Anlaufen nur Heißluft und im späteren Be- trieb nur geheizte Abluft zugeführt wird. Zudem wird durch die Sperrventile auf beiden Seiten des Ablufterhitzers sichergestellt, dass die Abluft auf eine gewünschte Temperatur aufheizbar ist, be- vor sie dem siebten Teilförderweg zugeführt wird.

Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Ener- gieumwandeln, wobei ein Luftstrom durch einen Hauptförderweg, der mehrere Teilförderwege umfasst, von einem Eingang für Umge- bungsluft zu einem Ausgang für Abluft gefördert wird, mit den fol- genden Verfahrensschritten:

Zuführen eines Luftmassenstroms zu einer Luftmassen- fördereinrichtung in einem ersten Teilförderweg,

Transportieren des Luftmassenstroms in einem zweiten Teilförderweg mittels der Luftmassenfördereinrichtung zu wenigstens einer Erhitzungseinheit, im Wesentlichen isochores Erhitzen des Luftmassen- stroms in einem dritten Teilförderweg mittels der wenigs- tens einen Erhitzungseinheit durch Zuführen von Wärme- energie einer primären Wärmequelle,

Weiterleiten des Luftmassenstroms in einem vierten Teil- förderweg mittels der Luftmassenfördereinrichtung zu ei- ner Expansionseinheit,

Expandieren des Luftmassenstrom in einem in der Expan- sionseinheit angeordneten fünften Teilförderweg, wobei frei werdende Energie einem Verbraucher zugeführt wird,

Rückführen des aus der Expansionseinheit austretendem Luftmassenstroms zu der wenigstens einen Erhitzungs- einheit in einem sechsten Teilförderweg und

Annähern des rückgeführten Luftmassenstroms in einem in oder an der Erhitzungseinheit verlaufenden siebten Förderweg an den Luftmassenstrom im dritten Förderweg, wodurch die restliche Wärme des rückgeführten Luftmas- senstroms wenigstens teilweise an den Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg abgegeben wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird ein Teilvolumen des Luft- massenstroms im zweiten, dritten und vierten Teilförderweg durch Zuführung und Abführung von Luft mittels wenigstens drei bewegli- cher Trennmittel der Luftmassenfördereinrichtung im Wesentlichen konstant gehalten. Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Luftmas- senstrom in dem dritten Teilförderweg zunächst in einer ersten Er- hitzungseinheit durch restliche Wärme des rückgeführten Luftmas- senstroms im siebten Teilförderweg und anschließend in einer zwei- ten Erhitzungseinheit durch Zuführen der Wärmeenergie der pri mären Wärmequelle erhitzt.

In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird der rückgeführte Luftmassenstrom in dem sechsten Teilförderweg durch Wärmeenergie der primären Wärmequelle und/oder einer sekundä- ren Wärmequelle erhitzt. Bevorzugt erfolgt dabei das Erhitzen des Luftmassenstroms, insbesondere zeitweise, durch Wärmeaustausch mit Heißluft, die in den sechsten Teilförderweg oder den siebten Teilförderweg eingeleitet wird, wobei die Heißluft vor dem Einleiten durch Wärmeenergie der primären Wärmequelle oder der sekundä- ren Wärmequelle erhitzt wird. Weiterhin bevorzugt erfolgt das Erhit- zen des Luftmassenstroms in dem dritten Teilförderweg zu einem ersten Zeitpunkt ausschließlich durch Wärmeaustausch mit der Heißluft und zu einem zweiten Zeitpunkt anschließend ausschließ- lich durch Wärmeaustausch mit dem rückgeführten Luftmassen- strom, wobei insbesondere der erste Zeitpunkt vor dem zweiten Zeitpunkt liegt. Das Verfahren weist die gleichen Vorteile, Merkmale und Eigen- schaften auf wie das erfindungsgemäße System zur Energieum- wandlung.

Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung er- findungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprü- chen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsge- mäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemei- nen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelhei- ten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems zur

Energieumwandlung mit zwei Erhitzungseinhei- ten,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Systems zur

Energieumwandlung mit einem Ablufterhitzer und einem Umgebungslufterhitzer,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Luftmassen- fördereinrichtung.

In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 2 zur Energieumwandlung. Das System 2 umfasst eine erste Erhitzungseinheit 31 und eine zweite Erhitzungseinheit 32 zur Erwärmung von Umgebungsluft. In einer Expansionseinheit 51 , bei der es sich beispielsweise um eine Turbi- ne handelt, wird die erhitzte Luft expandiert und die Wärmeenergie der erhitzten Luft in kinetische Energie umgewandelt. Diese kineti sche Energie wird einem Verbraucher 52, bei dem es sich bei- spielsweise um einen Generator handelt, zugeführt. Zur Zufuhr und Abfuhr von Luft umfasst das System eine Luftmassenfördereinrich- tung 25.

Der Luftmassenstrom wird in dem System in einem Hauptförderweg geleitet, der mehrere Teilförderwege umfasst. Im ersten Teilförder- weg 10 wird Luft durch einen Eingang 1 1 für Umgebungsluft zu ei- nem zweiten Teilförderweg 20 geleitet, der durch einen ersten Teil der Luftmassenfördereinrichtung 25 verläuft. Die Luftmassenförder- einrichtung 25 fördert den Luftmassenstrom in Richtung des dritten Teilförderwegs 30, der durch die erste Erhitzungseinheit 31 und die zweite Erhitzungseinheit 32 verläuft.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Erhitzungseinheit 31 als Wärmetauscher und die zweite Erhitzungseinheit 32 zur Nutzung der Wärmeenergie einer primären Energiequelle 4, in diesem Bei- spiel eine Solareinheit, ausgebildet. Der Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg wird zunächst in der ersten Erhitzungseinheit 31 durch Restwärme der Abluft vorgewärmt und anschließend durch die zweite Erhitzungseinheit 32 geleitet, in der eine weitere Erhit- zung des Luftmassenstroms durch die Wärmeenergie der primären Energiequelle 4 stattfindet. In der Luftmassenfördereinrichtung 25 wird die dem dritten Teilförderweg 30 zugeführte und abgeführte Luft portioniert. Das Volumen der so portionierten Luft innerhalb der Luftmassenfördereinrichtung 25 ist deutlich kleiner als das Volumen im dritten Teilförderweg 30. Dadurch wird der Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg 30 im Wesentlichen isochor erhitzt, was zu ei- ner Steigerung des Wirkungsgrads führt. Die Nutzbarmachung der Restwärme der Abluft erhöht den Wirkungsgrad weiter. Ausgehend von dem dritten Teilförderweg 30 wird der Luftmassen- strom mittels der Luftmassenfördereinrichtung 25 durch einen vier- ten Teilförderweg 40 gefördert, der in einem zweiten Teil der Luft- massenfördereinrichtung 25 verläuft. Von dort wird der Luftmassen- strom in einen fünften Teilförderweg 50 geleitet, der durch die Ex- pansionseinheit 51 verläuft. In der Expansionseinheit 51 wird die erhitzte Luft expandiert und die dem Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg 30 zugeführte Wärmeenergie in kinetische Energie umgewandelt und dem Verbraucher 52 zugeführt. Der sechste Teil- förderweg 60 erstreckt sich vom Ausgang der Expansionseinheit 51 zur ersten Erhitzungseinheit 31 und führt der ersten Erhitzungsein- heit 31 die aus der Expansionseinheit 51 austretende Abluft zu.

Der siebte Teilförderweg 70 verläuft in oder an der ersten Er- hitzungseinheit 31 und mündet schließlich im Ausgang 71 für Abluft. In der Erhitzungseinheit 31 ist der siebte Teilförderweg 70 so an den dritten Teilförderweg 30 angenähert, dass die Restwärme der Abluft zumindest teilweise dem Luftmassenstrom im dritten Teilför derweg 30 zugeführt wird, so dass eine Erwärmung des Luftmas- senstrom im dritten Teilförderweg 30 stattfindet, ohne dass ein Aus- tausch von Luft zwischen dem dritten und siebten Teilförderweg stattfindet.

In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemä- ßen Systems 2 schematisch dargestellt, die im Wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform entspricht, wobei jedoch nur eine einzelne Erhitzungseinheit 31 vorgesehen ist, die als Wärmetau- scher ausgebildet ist. Zudem ist im sechsten Teilförderweg 60 ein Ablufterhitzer 61 angeordnet, der die Abluft im Teilförderweg 60 durch Wärmeenergie einer primären Wärmequelle 4, in diesem Bei- spiel ein Verbrennungsprozess, aufheizt. Auf beiden Seiten des Ab- lufterhitzers sind Sperrventile 63a, 63b angeordnet, durch die die Zufuhr von Abluft in den Ablufterhitzer 61 und die Zufuhr von erhitz- ter Abluft in die erste Erhitzungseinheit 31 gesteuert werden kön- nen. Wird das System gestartet, steht noch keine erhitzte Abluft zur Ver- fügung, um den Luftmassenstrom im dritten Teilförderweg 30 zu er- wärmen. Um dennoch eine ausreichende Erwärmung des Luftmas- senstroms zu erreichen, umfasst das System 2 zusätzlich einen Umgebungslufterhitzer 62. Diesem wird durch einen Eingang 67 Umgebungsluft zugeführt und mittels der Wärmeenergie einer se- kundären Energiequelle 5 erhitzt. Durch die Zuleitung 64 wird die auf diese Weise erhitzte Heißluft dem sechsten Teilförderweg 60 oder direkt dem siebten Teilförderweg 70 zugeführt. Durch das Sperrventil 63d wird die Zufuhr von Heißluft zur ersten Erhitzungs- einheit 31 reguliert.

Bei dem Verfahren zur Energieumwandlung gemäß Fig. 2 wird zu- nächst Umgebungsluft in dem Umgebungslufterhitzer 62 erhitzt. Beim Start des Verfahrens wird Umgebungsluft durch den Eingang 11 in den Hauptförderweg eingeleitet. Gleichzeitig wird das Sperr- ventil 63d geöffnet, so dass die Heißluft in den siebten Teilförder- weg 70 gelangt und dort den Luftmassenstrom in dem dritten Teil- förderweg 30 erhitzen kann.

Die Sperrventile 63a und 63b sind in diesem Zustand geschlossen und das Sperrventil 63c geöffnet, so dass die aus der Expansions- einheit 51 austretende Abluft aus dem Ausgang 68 abgeleitet wird. Um den Wirkungsgrad dieses Verfahrens zu erhöhen, wird das Sperrventil 63c geschlossen und das Sperrventil 63a geöffnet, so dass die Abluft in den Ablufterhitzer 61 eingeleitet wird. Nachdem die Abluft dort genügend erhitzt wurde, wird auch das Sperrventil 63b geöffnet und das Sperrventil 63d geschlossen. Der Luftmassen- ström im dritten Teilförderweg 30 wird in diesem Zustand allein durch die erhitzte Abluft erwärmt. Der Umgebungslufterhitzer 62 kann in diesem Zustand ausgeschaltet werden. Wie bereits zuvor dargestellt, wird die im Wesentlichen isochore Er- hitzung des Luftmassenstroms im dritten Teilförderweg dadurch er- reicht, dass die Zufuhr und Abfuhr von Luft zyklisch durch die Luft- massenfördereinrichtung 25 in kleinen, portionierten Luftvolumina erfolgt. Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine bei- spielshafte Luftmassenfördereinrichtung 25, welche im Wesentli- chen aus zwei konzentrischen, zylindrischen Körpern aufgebaut ist, die zwischen sich ein Teilvolumen einschließen. In diesem Teilvo- lumen rotieren die Trennmittel 26a, 26b, 26c um eine gemeinsame Drehachse 29, getrieben von einem nicht dargestellten Motor. Zwi- schen den Trennmitteln sind die Kammern 27a, 27b, 27c einge- schlossen. Die Luftmassenfördereinrichtung 25 weist im äußeren zylindrischen bzw. hohlzylindrischen Körper einen ersten Eingang 21 , in den der erste Teilförderweg 10 mündet, einen ersten Ausgang 22, der zum dritten Teilförderweg 30 führt, einen zweiten Eingang 41 , in den der dritte Teilförderweg mündet, und einen zweiten Ausgang 42, der zum fünften Teilförderweg 50 führt, auf. Vom ersten Eingang 21 zum ersten Ausgang 22 erstreckt sich der als Pfeil dargestellte zweite Teilförderweg 20 und vom zweiten Eingang 41 zum zweiten Ausgang 42 der ebenfalls als Pfeil dargestellte vierte Teilförderweg 40. Der zweite Teilförderweg verläuft dabei durch einen ersten Teil 23 der Luftmassenfördereinrichtung 25 und der vierte Teilförderweg

40 verläuft durch einen zweiten Teil 24 der Luftmassenfördereinrich- tung 25. Durch die Rotation der Trennmittel 26a, 26b, 26c wird die Luft in die durch die Pfeile dargestellte Richtung entlang des zwei- ten und vierten Teilförderweg 20, 40 gefördert.

Um zu verhindern, dass Luft vom zweiten Teilförderweg 20 in den vierten Teilförderweg 40 gelangt und umgekehrt, sind zwei Separa- toren 28a und 28b vorgesehen. Diese Separatoren 28a und 28b verhindern, dass sich die kalte Umgebungsluft im zweiten Teilför derweg 20 und die erwärmte Luft im vierten Teilförderweg 40 vermi- schen. Damit die Trennmittel 26a, 26b, 26c auf ihrem Umlauf nicht mit den Separatoren 28a und 28b kollidieren, werden die Separato- ren 28a, 28b kurz vor dem Durchgang der Trennmittel 26a, 26b, 26c beispielsweise mittels elektromagnetischer Krafteinwirkung radial nach außen verschoben und kurz nach deren Durchgang wieder ge- schlossen. In Fig. 3 ist dies beispielhaft für den Separator 28b ge- zeigt, der sich kurz vor dem Durchgang des Trennmittels 26c öffnet. Das Öffnen und Schließen der Separatoren 28a und 28b geschieht dabei so schnell, dass eine Vermischung der Luft im zweiten Teil- förderabschnitt 20 und dem vierten Teilförderabschnitt 40 weitest- gehend vermieden wird.

Wie in Fig. 3 wenigstens teilweise ersichtlich, entspricht in den meisten Zeitpunkten das Teilvolumen, das durch die Trennmittel 26a, 26b, 26c begrenzt wird, der Summe des Luftvolumens des drit- ten Teilförderwegs 30 und dem Volumen einer einzelnen Kammer 27a, 27b, 27c, in diesem Fall die Kammer 27b. Zu dem in Fig. 3 ge- zeigten Zeitpunkt ist die Kammer 27b durch den Separator 28a in zwei Teile unterteilt, so dass sie teilweise Umgebungsluft entlang des zweiten Teilförderwegs 20 und teilweise erwärmte Luft entlang des vierten Teilförderwegs 40 transportiert. Bewegen sich die Trennmittel 26a, 26b, 26c entlang der Pfeilrichtung weiter, so redu- ziert sich das Volumen der Kammer 27b im zweiten Teilförderweg 20 im gleichen Maße wie sich das Volumen der Kammer 27b im vierten Teilförderweg 40 erhöht. Das Teilvolumen bleibt dabei kon- stant. Dies ändert sich nur kurzzeitig, wenn sich ein Trennmittel 26a, 26b, 26c zwischen dem ersten Ausgang 22 und dem zweiten

Eingang 41 befindet. Zu diesem Zeitpunkt ist das heizbare Teilvo- lumen kurzzeitig erhöht. Da dieser Zeitpunkt jedoch nur kurz und die Erhöhung des heizbaren Teilvolumens vergleichsweise klein ist, führt dies nur zu einer unwesentlichen Abnahme des Wirkungs- grads. Durch die Luftmassenfördereinrichtung 25 wird somit erreicht, dass das heizbare Teilvolumen die meiste Zeit konstant bleibt und sich nur kurzzeitig und unwesentlich verändert. Dadurch findet die Er- wärmung im dritten Teilförderweg 30 im Wesentlichen isochor statt. Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu ent- nehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombinati- on als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausfüh- rungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombinati- on mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekenn- zeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.

Bezuqszeichenliste

2 System

4 primäre Wärmequelle

5 sekundäre Wärmequelle

1 0 erster Teilförderweg

1 1 Eingang

20 zweiter Teilförderweg

21 erster Eingang

22 erster Ausgang

23 erster Ausgang

24 erster Ausgang

25 Luftmassenfördereinrichtung

26a, 26b, 26c Trennmittel

27a, 27b, 27c Kammer

28a erster Separator 28b zweiter Separator

29 Drehachse

30 dritter Teilförderweg

31 erste Erhitzungseinheit

32 zweite Erhitzungseinheit

40 vierter Teilförderweg

41 zweiter Eingang

42 zweiter Ausgang

50 fünfter Teilförderweg

51 Expansionseinheit

52 Verbraucher

60 sechster Teilförderweg 61 Ablufterhitzer

62 Umgebungslufterhitzer

63a, 63b, 63c, 63d Sperrventil

64 Zuleitung Eingang

Ausgang

siebter Teilförderweg Ausgang