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Title:
THERMOHYDRODYNAMIC POWER AMPLIFIER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/022962
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a thermohydrodynamic power amplifying machine, which enables a liquid working medium to carry out useful work in a three-phase working cycle (isochoric heating, isothermic expansion, contraction by regenerative cooling) while using an external heat source and an external cold sink. The work performed by the auxiliary drive (12) on the displacer (11) is considerably less than the (power amplification) produced by the conversion system (18, 19). A reverse operating externally driven machine functions as a heat pump/cooling machine.

Inventors:
KLEINWAECHTER JUERGEN (DE)
WEBER ECKHART (DE)
PACCOUD OLIVIER (FR)
Application Number:
PCT/DE2003/002810
Publication Date:
March 18, 2004
Filing Date:
August 20, 2003
Export Citation:
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Assignee:
KLEINWAECHTER JUERGEN (DE)
COLSMAN FREYBERGER CLAUS (US)
WEBER ECKHART (DE)
PACCOUD OLIVIER (FR)
International Classes:
F02G1/044; F01B21/02; F02G1/04; F02G1/053; F25B23/00; F25B1/02; F25B9/00; F25B9/14; (IPC1-7): F02G1/04
Foreign References:
US2963853A1960-12-13
GB769368A1957-03-06
DE19959687A12001-09-06
EP0043879A21982-01-20
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 010, no. 253 (M - 512) 29 August 1986 (1986-08-29)
Attorney, Agent or Firm:
Castell, Klaus (Gutenbergstrasse 12, Düren, DE)
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Claims:
Patentansprüche :
1. ThermoHydrodynamischer Kraftverstärker (;, THK") dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüs sigkeit im Inneren eines starren Zylinders mittels eines Hilfskolbens periodisch durch eine Erhit zerGeneratorKühler oder ErhitzerRekuperatorKühler Anordnung von heiß nach kalt und um gekehrt verschoben wird und dass die dadurch von der sich thermisch ebenfalls periodisch zu sammenziehenden und ausdehnenden Flüssigkeitssäule ausgeübte Kraftwirkung größer als die Hilfskolbenantriebskraft ist.
2. THK nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der thermischen Ausdehnung der Flüssigkeit freiwerdende Energie über geeignete technische Einrichtungen in nützliche mechani sche Arbeit umgewandelt wird.
3. THK nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sich thermisch ausdehnende Flüssigkeit periodisch durch einen Hydraulikmotor strömt und an dessen Welle Rotationsenergie erzeugt.
4. THK nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hydraulikmotor ein mit Atmosphärendruck oder leichtem Überdruck beaufschlagtes Ausdehnungsgefäß nachgeschaltet ist.
5. THK nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der von der expandierenden Flüs sigkeitssäule erzeugte Druck zeitlich und im Betrag durch ein schaltbares Absperrelement gere gelt werden kann.
6. THK nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gewünschte sich einstellende Flüssigkeitsdruck entweder durch das Verhältnis des Volumenstromes der expandierenden Flüs sigkeit und dem Schluckvolumen des Hydraulikmotors definiert ist, oder durch eine Kombination dieses Effektes mit dem regelbaren Absperrelement aus Anspruch 5.
7. THK nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsabgabe des Fluids wäh rend der Expansion geschielit, dieses bis auf den Umgebungsdruck oder einen nur geringfügig darüberliegenden Druck entspannt wird. und die Rückführung des Fluids in den Anfangsbestand durch Zusammenziehen über einen reversiblen Kühlvorgang erfolgt.
8. THK nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die der Expansionund Kontrak tion unterliegende Flüssigkeit zur gleichen Zeit die Hydraulikflüssigkeit des Motors ist.
9. THK nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsund Hydraulikflüssig keit verschiedene Medien eingesetzt werden, die durch ein elastisches Element voneinander ge trennt sind.
10. THK nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Minimierung der beim Ver schieben des Arbeitsflüssigkeit entstehenden hydrodynamischen Reibung die Durchtrittsquer schnitte im Erhitzer, RegeneratorRekuperator, Kühler dem TemperaturViskositätsverhalten der Arbeitsflüssigkeit angepasst wird.
11. THK nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende lineare Kraft entfaltung der expandierenden Flüssigkeitssäule direkt, ohne die Umwandlung in rotatorische Energie unter Zwischenschaltung geeigneter Druckkonformatoren zur Kompression von Luft, zur Druckerzeugung in reverse osmosis Anlagen, zum Betrieb von Kältekompressoren und ähnli chen, mit linearen Bewegungen arbeitenden Energiewandlern, gekoppelt wird.
12. THK nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem Druckkonforma tor und einer linearen Drucklose Koppelung ausgestattete Maschine mittels Fremdenergie be trieben wird und als KältemaschineWärmepumpe arbeitet.
13. THK nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die antreibende Energie aus einer THK Antriebsmaschine besteht.
14. THK nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine Wärmepumpe durch eine lZylinderAnordnung realisiert wird, bei der eine im heißen Teil des Zylinders arbeitende THKMaschine als Druckpulsator dient, während eine im kalten Teil des Zylinders arbeitende, den Zyklus umgekehrt durchfahrende, phasenverschoben arbeitende zweite THKMaschine als KältemaschineWärmepumpe arbeitet.
15. THK nach Ansprächen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, zeitlich phasenverscho bene angetriebene Zylinder zu einer Glättung der abgegebenen Leistung führen.
16. THK nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei Mehrzylinderanordnungen die Rege neratoren durch Gegenstromwärmetauscher zwischen den Zylinder ersetzt werden können.
17. THK dadurch gekennzeichnet, dass eine in einem Arbeitszylinder eingeschlossene Flüssigkeit mittels eines Verdrängerkolbens periodisch durch einen Wärmeregenerator zwischen einer hei ßen und kalten Quelle verschoben wird und der sich bei Erwärmung unter Druck aufbauende Ex pansionsvolumenstrom durch einen hydraulischen, nachgeschalteten Motor in mechanische Rota tionsenergie umgesetzt wird, wobei die Flüssigkeit nach Arbeitsabgabe am Motor im Regenerator regenerativ rückgekühlt wird und sich dadurch im Volumen so verkleinert, dass sie wieder in den Arbeitszylinder passt.
18. THK dadurch gekennzeichnet, dass eine in einem Arbeitszylinder eingeschlossene Flüssigkeit von einem sich zwischen einer heißen und kalten Quelle hin und her bewegenden Regenerator durchdrungen wird und der sich bei Erwärmung unter Druck aufbauende Expansionsvolumen strom durch einen hydraulischen, nachgeschalteten Motor in mechanische Rotationsenergie um gesetzt wird, wobei die Flüssigkeit nach Arbeitsabgabe am Motor im Regenerator regenerativ rückgekühlt wird und sich dadurch im Volumen so verkleinert, dass sie wieder in den Arbeitszy linder passt.
19. THK dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeit regenerativ periodisch erhitzt und dann wieder abgekühlt wird, sodass der sich bei der Erhitzung einstellende expandierende Druck Volumenstrom in einer Arbeitsmaschine mechanische Arbeit leistet und die bei der anschließen den Kühlung erfolgende Volumenkontraktion die Flüssigkeit an den Anfangspunkt eines thermo dynamischen Kreisprozesses zurückführt.
Description:
Thermo-Hydrodynamischer Kraftverstärker Flüssigkeiten sind im Vergleich zu Gasen praktisch inkompressibel, haben eine geringere, wännebe- dingte Volumenzunahme, wesentlich höhere spezifische Wärmekapazitäten und bieten die Möglichkeit, Wärme besser zu tauschen. Der Versuch alternativ zum Arbeitsgas Flüssigkeiten in Wärmekraftmaschi- nen einzusetzen, wurde Mitte der 20-ziger Jahre des vorigen Jahrhunderts von J. F. Malone aus News- castle-on-Tyne (England) unternommen.

Er entwickelte eine der Heißgas-Stirling Maschine ähnliche regenerative Maschine, die aber statt mit Luft mit Druckwasser als Arbeitsmedium gefüllt ist. (U. S. Patent 1,487, 664 vom 18. März 1924 und U. S. Patent 1, 7717, 161 vom 11. Juni 1929).

Er konnte nachweisen, dass er bei einer Temperaturdifferenz von 305K einen Wirkungsgrad von 27% erreichte, was einem beachtlichen Realisierungsgrad von 54% des idealen Carnot Zykluses gleichkommt und im Vergleich zu den damals üblichen Dampfinaschinen etwa doppelt so hoch war.

Der Grund für diesen guten Wirkungsgrad lag in der Tatsache begründet, dass die Maschine wie die Stirlingmaschine einen Wärmeregenerator besaß und zudem die gegenüber Gasen wesentlich besseren Wärmeübertragungseigenschaften der Flüssigkeiten nutzte. In Fig. 1 ist die Malone Maschine schema- tisch dargestellt. Dabei ist (1) der Arbeitszylinder, (2) der Verdrängerzylinder, (3) der Erhitzer der durch die äußere (Flammen) wärme (3a) ständig erhitzt wird, (4) der Kühler, (5) der Verdrängerkolben, der den Regenerator (2a) um 90° gegenüber dem Arbeitskolben (6) phasenverschoben von heiß nach kalt schiebt. Der mit dem Schwungrad (7) über die Pleuelstange (7a) verbundene Arbeitskolben (6) überträgt über den Hilfspleuel (8a) und den Exzenter (8) die phasenverschobene oszillierende Bewegung auf die Regeneratorstrecke (2a).

In Fig. 2 ist im PV-Diagramm sowohl ein idealer Stirling Zyklus (10), als auch der von der Malone Maschine realisierte Zyklus (9) dargestellt.

Da Wasser nur unter sehr hohen Drücken von >100 bar im verlangten Arbeitstemperaturbereich flüssig bleibt, musste Malone sehr druckfeste Zylinder einsetzen. Da er außerdem auf Kurbelwellen und Ar- beitskolben zur Umwandlung der thermisch in der Flüssigkeit erzeugten Druckschwankungen in rotie- rende Wellenenergie zurückgriff, unterwarf er die Flüssigkeit, wie bei klassischen Arbeitsmaschinen üblich einem Arbeitszyklus, bei dem prinzipiell während der (heißen) Expansionsphase über den Ar-

beitskolben und das Kurbelwellen-Schwungrad System nützliche Arbeit abgegeben wird, während bei der (kalten) Rückkompressionsphase Arbeit in das System gebracht werden muss, die aus einem Teil der Expansionsarbeit, die im Schwungrad gespeichert wurde, stammt.

Da Flüssigkeiten im Vergleich zu Gasen oder Flüssig-Dampfgemischen nahezu inkompressibel sind, ist es unvermeidlich, dass durch die starre Zwangskoppelung die Arbeitskolben, Verdränger, Kurbelwelle und Schwungrad dem Fluid aufprägen, insbesondere während der Rückkompressionsphase extrem hohe Drücke erzeugt werden. Dies führt zu sehr hohen Druckwechselbelastungen und erfordert sehr schwere Schwungmassen, die ihrerseits starke dynamische Lasten auf die Lager und die Gesamtstruktur übertra- gen.

Damit wurden die grundsätzlichen Vorteile der Malone Maschine (gegenüber Gasen wesentlich bessere Wärmeübertragungseigenschaften, hohe Wärmekapazität und damit Leistungsdichte) durch die aus dieser Bauweise resultierenden Lebensdauer limitierenden Druckschwankungen konterkariert. Dies ist auch der Grund dafür, warum diese Maschine trotz überlegener Thermodynamik keinen Eingang in den täglichen Gebrauch fand.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bereits von Malone erkannten grundsätzlichen Vorteile von Flüssigkeiten als thermodynamische Arbeitsmedien in einer technisch neuartigen Bauweise so zu nutzen, dass die beschriebenen negativen Aspekte nicht mehr auftauchen.

Die im folgendem beschriebene erfindungsgemäße Maschine wirkt als Thermo-Hydrodynamischer Kraftverstärker (THK).

Der THK durchläuft im PV-Diagramm (Fig. 3) einen grundsätzlich anderen Zyklus als klassische Wär- mekraftmaschinen. Dabei wird die Flüssigkeit von a nach b isochor erwärmt. Der Anfangsdruck Po entspricht dabei dem Umgebungsdruck (oder einem geringfügig höheren Druck). Sobald in der Flüssig- keit der gewünschte Druck P1 erreicht ist, öffnet ein Absperrelement (17) und die Flüssigkeit expan- diert, in dem sie Arbeit an einem nachgeschalteten System (Hydraulikmotor, Kompressorkolben usw.) leistet. Diese Entspannung geschieht bis bei nun größerem Volumen und höherer Temperatur gegenüber dem Anfangszustand a bei c wiederum der Anfangsdruck Po erreicht wird. Im Gegensatz zu klassischen Maschinen bei denen das Fluid in den Anfangszustand a durch mechanische Rückkompression zurück- gebracht wird, wird beim THK die Kontraktion der Flüssigkeit durch Wärmeentzug herbeigeführt. Dies hat erfindungsgemäß den großen Vorteil, dass, da sämtliche Nutzenergie während der Expansionsphase von b nach c entzogen wird, keine mechanische Energie in irgendeiner Weise (Schwungrad, Windkessel usw.) zwischengespeichert werden muss. Ferner liegt in diesem Prinzip, wie im weiteren ausgeführt

wird, die erfindungsgemäße Möglichkeit auf einen Kurbelwellemnechanismus, mit dem von diesem ausgeübten Zwangskräften auf das Fluid, vollständig zu verzichten.

Wird zudem während der Arbeitsphasen a-b und c-a ein Regenerator oder Rekuperator in den Wärmetauschprozeß einbezogen und die Expansion des Fluids isotherm geführt, ist der durch die Eck- punkte a, b, c festgelegte Arbeitsprozeß mit Ausnahme von irreversiblen Verlusten im Fluid und Wär- meverlusten thermodynamisch ideal.

In Fig. 4 ist die Grundfiguration eines THK in Kombination mit einem Hydraulikmotors schematisch dargestellt.

Dabei ist (11) der Verdrängerkolben der von einem Linearantrieb (12) im Inneren der Druckzylinders (13) auf und ab bewegt wird. Er verdrängt das Arbeitsfluid periodisch über eine Erhitzer (14), Regenera- tor (15) und Kühler (16) -Strecke-hin und zurück. Als schaltbares Absperrelement (17) dient ein hydraulisches Ventil. Dieses ist zu Beginn des Zykluses (Fig. 3, Strecke a-b) geschlossen, wenn sich der Verdrängerkolben nach unten bewegt und somit die Flüssigkeit auf die heiße Seite des Systems be- fördert. Bein Erreichen des gewünschten Druckes P, im Punkte b des PV-Diagrammes öffnet das Ventil und die Flüssigkeit expandiert bei hohem Druck unter Arbeitsabgabe durch den Hydraulikmotor (18) mit angekoppeltem Schwungrad (19). Das entspannte Fluid sammelt sich anschließend in dem Sammel- gefäß (20). Eine Zirkulationsleitung mit dem Rückschlagventil (21) sorgt für einen ständigen Umlauf des Fluids vom Sammelgefäß durch den Hydraulikmotor, solange sich dieser dreht. Wenn die arbeitslie- fernde Entspannung des Fluids (Punkt c im PV-Diagramm, Fig. 3) beendet ist, wird das Ventil (17) geschlossen, der Verdränger (11) bewegt sich nach oben und verdrängt das Fluid auf die kalte Seite des Systems (Strecke c ~ a in Fig. 3). Das sich abkühlende Fluid kontrahiert zum Anfangspunkt a des Zyklusses (Fig. 3) und saugt dabei über die Leitung (22) und das Rückschlagsventil (23) Fluid aus dem Sammelgefäß (20) nach.

Da der Regenerator (15) in abwechselnder Richtung vom heißen und kaltem Fluid durchströmt wird, speichert er temporär fast ohne Entropieverlust (weil Wärme und Kälte längs eines linear ansteigenden Temperaturproßles rückgewonnen werden) Wärme und gibt diese zum richtigen Zeitpunkt wieder an das Fluid ab.

Bei geeigneter Wahl der Oszillationsfrequenz des Verdrängers (11) und der richtigen Dimensionierung der Strömungsquerschnitte durch die Erhitzer, Regenerator, Kühlerstrecke wird erreicht, dass der Betrag der von der expandierenden Flüssigkeit abgegebenen Arbeit um ein vielfaches höher ist, als die von Verdrängerkolben geleistete Arbeit. Aus diesem Grunde und wegen ihrer Wirkungsweise nennen wir die

erfindungsgemäße Maschine Thermo-Hydrodynamischer Kraftverstärker (THK).

Zum besseren Verständnis in den Figuren 4a, 4b, 4c nochmals die drei Arbeitstakte schematisch darge- stellt und dem jeweiligen Abschnitt im PV-Diagramm zugerechnet. Dabei stellt-den Fluidfluß unter Druck dar,----) Druckfluid ohne Bewegung, -*--< Fluidbewegung mit geringem Druck dar.

In Fig. 4a wird das Fluid isochor komprimiert. Der Verdrängerkolben (11) angetrieben vom Linearan- trieb (12) befindet sich auf seinem Weg nach unten. Das Hydraulikventil (17) ist geschlossen. Im PV- Diagramm wird die Strecke a ~ b durchfahren. Das Fluidniveau im Ausdelinungsgefäß (20) befindet sich auf seinem niedrigsten Stand.

In Fig. 4a wird das Fluid isochor komprimiert. Der Verdrängerkolben (11) angetrieben vom Linearan- trieb (12) befindet sich auf seinem Weg nach unten. Das Hydraulikventil (17) ist geschlossen. Im PV- Diagramm wird die Strecke a-b durchfahren. Das Fluidniveau im Ausdehnungsgefäß (20 befindet sich auf seinem niedrigsten Stand.

In Fig. 4b hat der Verdrängerkolben (11) den unteren Totpunkt erreicht. Der Linearantrieb (12) steht.

Das Hydraulikventil (17) hat geöffnet. Im PV-Diagramm wird die Strecke b-c durchfahren. Der Hyd- raulikmotor (18) wird von der sich entspannenden Flüssigkeit angetrieben. Das Fluidniveau im Ausdeh- nungsgefäß (20) steigt.

In Fig. 4c bewegt sich der Verdrängerkolben (11) durch den Linearantrieb (12) nach oben. Das Hydrau- likventil (17) ist geschlossen. Das drucklose heiße Fluid wird über den Regenerator (15) und Kühler (16) auf die Anfangstemperatur rückgekühlt und erfährt dadurch eine Kontraktion. Der dadurch entstehende Unterdruck saugt Fluid über die Leitung (22) aus dem Ausdehnungsgefäß (20). Dessen Niveau sinkt bis zum tiefsten Wert. Im PV-Diagramm wird die Strecke c-a durchfahren. Damit ist wieder der An- fangszustand a des Zykluses erreicht.

Das bisher geschilderte Grundfunktionsprinzip einer Dreitakt-THK Maschine kann auf verschiedene Weise variiert werden. Eine erfindungsgemäße Möglichkeit besteht darin, statt des Hydraulikventils (17) den Druckaufbau durch den Hydraulikmotor (18) selbst zu nutzen. Dieser Kommt dadurch zustande, dass das Schluckvolumen des Hydraulikmotors (18) so gewählt wird, dass es deutlich kleiner ist als der Volumenstrom des Fluids der durch die Erwännung des Fluids auf der Strecke a- b im PV-Diagramm entsteht. In Fig. 5 ist ein aus einem solchen THK-Prozess resultierendes PV-Diagramm dargestellt.

Dabei wird erfindungsgemäß der Prozeß wiederum begonnen, wenn sich das Fluid im Druckzustand Po befindet. Das durch Verschieben des Fluids von kalt nach heiß sich ausdehnende Medium durchströmt

den Hydraulikmotor (17) unter ansteigendem Druck bis bei P', bei b der Verdrängerkolben (11) seinen unteren Totpunkt erreicht hat. Anschließend entspannt sich das Fluid bei festgehaltenem Verdränger- kolben zum Punkt c bei PO, und wird dann anschließend durch regenerative Kühlung von c-a kontra- hiert. Das Hydraulikventil (17) ist während des Zyklusteils a-b-c geschlossen und von c ? b ge- öffnet.

Eine solche Variante des THK-Zyklusses erreicht zwar pro Zyklus kleinere Leistungen ist aber durch einen besonders geschmeidigen, kontinuierlichen Lauf gekennzeichnet, und benötigt wegen des geringe- ren Maximaldruckes eine geringere Druckfestigkeit.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit besteht in der Kombination der Absperreigenschaf- ten des Hydraulikventils (17) und des Hydraulikmotors. In Fig. 6 ist das Indikatordiagramm einer sol- chen THK Variante dargestellt. Ausgehend vom Anfangsdruck Po wird das Fluid isochor (Ventil 17 ist geschlossen) auf den Zwischendruck Pl komprimiert. Von b nach b'entspannt das Fluid über den Hyd- raulikmotor (18) isobar (Ventil 18 ist geöffnet). Nachdem der Verdrängerkolben (11) seinen unteren Totpunkt erreicht hat, entspannt das Fluid von b'nach c (Ventil 18 ist geöffnet). Dann wird das Fluid bei geschlossenem Ventil 18 wiederum durch reversiblen Wärmeentzug von c auf den Anfangszustand a kontrahiert. Eine solche Variante des THK erreicht gute Zyklenleistungen und schont die Druckzylinder wegen des-im Verhältnis zur Grundvariante-geringeren Maximaldruckes.

Eine weitere, erfindungsgemäß vorteilhafte Ausgestaltung des THK besteht in der Möglichkeit, den Erhitzer (14) und den Kühler (16) immer nur während der Arbeitszyklusabschnitte in den Fluidkreislauf einzubinden, während dem ihre jeweilige Funktion benötigt wird. Dies minimiert einerseits die negati- ven Auswirkungen von Fluid-Totvolumen und ermöglicht anderseits, die Druckströmungsquerschnitte durch den Erhitzer und den Kühler ohne negative Auswirkungen auf den Zyklus im Hinblick auf einen geringen dynamischen Durchströmungswiderstand und optimale Wärmeübertragungseigenschaften zu gestalten. In Fig. 7 sind die entsprechenden, notwendigen By-passleitungen mit Absperrventilen und deren zeitlicher Einsatz an Hand des PV-Diagrammes schematisch dargestellt.

Während das Fluid von a-b durch den Verdrängerkolben verschoben wird, das Fluid also erwärmt wird, ist es unerwünscht, über den Kühler (16) Wärme zu entziehen. Durch Schließen der Ventile 24a, 24b wird das Fluid in einem By-pass (24c) um den Kühler herumgelenkt und durchströmt anschließend den Regenerator (15) und Erhitzer (14). Bei der anschließenden Entspannung des Fluids von b- c ist wiederum die Kühlung unerwünscht (24a, 24b weiterhin geschlossen, Fluid strömt durch 24c).

Die Nachheizung durch den Erhitzer (14) ist wegen der angestrebten isothermen Entspannung von b

c erwünscht. Die Tatsache, dass von a-b-c das Fluid durch den By-pass 24c fließt, ist im PV- Diagramm gekennzeichnet. Wenn das Fluid anschließend von c ~ a reversibel abgekühlt wird und dadurch kontrahiert, ist nur die Wirkung des Kühlers (16), nicht jedoch die des Erhitzers (14) er- wünscht. Deswegen wird nun der Erhitzer über die zwei Ventile 25a, 25b abgesperrt und das Fluid über den By-pass 25c direkt durch den Regenerator (15) und Kühler (16) geleitet (Ventile 24a, 24b wieder geöffnet). Damit das Fluid bei geöffneten Absperrventilen 24a, 24b bzw. 25a, 25b jeweils durch (16) und (14) strömt, sind die By-passleitungen 24c und 25c mit den Rückschlagventilen 24d und 25d versehen.

Bisher wurden THK Maschinen mit Rotationsauskoppelung durch den Hydraulikmotor geschildert. Da die Zyklusenergie im Verlaufe der Entspannung des Arbeitsfluids stetig abnimmt, ist es nötig, dieses unstete Leistungsangebot zu"konformieren". Bei rotierenden Maschinen geschieht dies am besten durch ein entsprechendes Schwungrad (19).

Die Tatsache, dass einerseits Energie nach Außen nur während der Expansionsphase abgegeben wird und anderseits aus Wirkungsgradgründen die Arbeitsfrequenz der THK-Maschine möglichst niedrig sein sollte, führt dazu, dass das Schwungrad neben der beschriebenen Konformierung des unsteten E- nergieangebotes während der Expansion auch noch relativ lange Zeiträume, während der die Maschine keine Energie abgibt, überbrücken muss. Dies führt naturgemäß zu großen Schwungrädern.

Deswegen besteht eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der THK-Maschine darin, diese als Mehrzylindermaschine auszuführen (Anzahl n der Zylinder > 2) und die zeitliche Ansteuerung der Linearantriebe (12) der verschiedenen Zylinder so vorzunehmen, dass die daraus resultierende Zyklen- überlappung zu einem geglätteten Antriebsdrehmoment führt. Dies führt zu wesentlich kleineren Schwungrädern.

Erfindungsgemäß soll aber auch die rein translatorische Bewegung der sich ausdehnenden und wieder kontrahierenden Flüssigkeitssäule zum Antrieb von Subsystemen wie typischerweise : Luftkompressoren, Wärmepumpen-Kältemaschinen, -Kompressoren, Reverse-Osmosis Anlagen und ähnlichen genutzt werden.

In Fig. 8 ist eine solche erfindungsgemäße THK Maschine mit linerarer Kraftauskoppelung und Linear- konformator dargestellt. Da die Subsysteme in diesem Falle einen festen Arbeitskolben (statt dem bisher beschriebenen"flüssigen"Arbeitskolben) nötig machen, ist die vorteilhafte Ausgestaltung dieser Varian- te des erfindungsgemäßen Gegenstandes durch die Integration des Arbeitskolbens (26) in den Druckzy- linder (13) und dem sich darin auf-und abbewegendem Verdrängerkolben (11), gegeben. Das Luftpols- ter (27) unterhalb des Arbeitskolbens macht bei dieser Bauart das Ausdehnungsgefäß (Fig. 3,26) unnö-

tig. Der sich auch in diesem Falle periodisch während der Expansionsphase unter Kraftentfaltung nach unten bewegende Arbeitskolben wird so lange vom schaltbaren Absperrelement (29), das in diesem Falle vorteilhaft als um die Kolbenstange greifende Backenbremse ausgebildet ist, festgehalten, bis der ge- wünsche Höchstdruck (im PV-Indikationdiagramm Punkt b) erreicht ist. Die Kraft wird dann über den geometrisch als Parallelogramm ausgebildeten Kraftkonformator (30) ausgekoppelt. Das Parallelo- gramm ist in seinen vier Ecken mit Drehgelenken versehen, die dazu führen, dass sich seine Form durch die aufgeprägte Bewegung ständig verändert (durch 30,31 angedeutet). Koppelt man nun in einem Eckpunkt dessen Verlaufsachse senkrecht zur durch den Arbeitskolben vorgegebenen Achse steht, die Kolbenstange des erwünschten, mit linearer Kraft zu betreibenden Subsystemes ein, so wird die Kraft- wirkung des Arbeitskolbens des THK, die wegen der isothermen Entspannung von b-c assymptotisch verläuft, konformiert, d. h., über den ganzen Arbeitshub vergleichmäßigt. Da der THK nur während des Expansion mechanische Arbeit an die Außenwelt abgibt, ist der Arbeitskolben des Subsystemes über die Kolbenstange (33) nur während der Expansion kraftschlüssig verbunden, d. h., er wird vom Konformator nur"geschoben"und sitzt auf der Trennstelle (33a) lose auf ihm auf (Druck-lose Koppelung).

Erfindungsgemäß kann dieser Bautyp des THK auch mit den in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellten und im Text geschilderten Zyklusvarianten betrieben werden, sowie mit den in Fig. 7 dargestellten"By-pass" Anordnungen optimiert werden.

Da der THK eine reversible thermodynamische Maschine darstellt, besteht eine besonders vorteilhafte, erfindungsgemäße Variante in seiner Ausgestaltung als Kältemaschine-Wärmepumpe.

In den Figuren 9a, 9b, 9c ist eine solche THK-Maschine jeweils mit den korrespondierenden Arbeits- schritten während der drei Arbeitsphasen der antreibenden THK-Maschine und der angetriebenen THK- Kältemaschine-Wärmepumpe, dargestellt.

Dabei hat die antreibende THK-Maschine grundsätzlich denselben Aufbau wie er in Fig. 8 dargestellt und im vorhergehenden Text beschrieben wird. Durch den Konformatormechanismus (30) wird durch die ebenfalls beschriebene Druck-lose Koppelung (33a) periodisch und zur Antriebsmaschine phasen- verschoben der Arbeitskolben (26a) der angetriebenen Kältemaschine,-Wärmepumpe in den Zylinder (l 3 a) hineingeschoben. Die Kältemaschine besitzt erfindungsgemäß grundsätzlich dieselben Elemente wie die Arbeitsmaschine, die daher mit derselben Nr. und dem Index a gekennzeichnet sind (14a=Erhitzer, 15a=Regeneratior, 16Kühler lla=Verdränger, 12a=Verdrängerkolbenlinearantrieb, 29a=schaltbares Absperrelement). In Fig. 9a sind im rechten oberen PV-Diagramm die phasenverscho- benen Arbeitszyklen der THK-Arbeitsmaschine (Linie) und der THK-Kältemaschine (----

Linie) dargestellt. Links daneben von Fig. 9a bis Fig. 9c sind nur die jeweils korrespondierenden Ar- beitstakte der Arbeits-und der Kältemaschine für die drei wesentlichen Arbeitstakte dargestellt. Die sich darunter befindlichen Zeichnungen geben jeweils Auskunft über Lage, Bewegungsrichtung oder Still- stand von Arbeitskolben und Verdrängerkolben beider Maschinen (26, 26a, ll, lla) und des Zustandes der schaltbaren Absperrelemente (29, 29a). Bei letzteren bedeutet = 0 = geschlossen,--1 = geöffnet.

Ferner kann an der Stellung des Konformators (30) und der Arbeitskolbenstangen Druck-lose Kopplung (33a) ersehen werden, ob die Arbeitsmaschine die Kältemaschine antreibt oder nicht. Fluid und Kolben- bewegungsrichtungen sind durch Pfeile gekennzeichnet.

Während der drei Arbeitsphasen geschieht folgendes : Fig. 9a. Arbeitsmaschine Das Fluid wird isochor von a nach b erhitzt. Der Verdränger (11) bewegt sich auf den fixierten Arbeitskolben (26) zu.

Kältemaschine Das Fluid wird isobar durch Verschieben des Verdrängers von a'nach c'gekühlt. Der Arbeitskolben (26a) ist fixiert. Die Druck-lose Kopplung (33a) ist außer Eingriff.

Fig. 9b Arbeitsmaschine Das Fluid expandiert isotherm von b nach c. Arbeitskolben (26) und Verdrän- gerkolben (11) bewegen sich gemeinsam nach unten. Die Druck-lose Kopplung (30) ist im Eingriff. Das Absperrelement (29) ist geöffnet.

Kältemaschine Der Arbeitskolben (26a) komprimiert das Fluid. Der Verdrängerkolben ist im äußeren Totpunkt fixiert. Das Absperrelement (29a) ist geöffnet.

Fig. 9c Arbeitsmaschine Das Fluid kontrahiert durch regenerative Abkühlung von c nach a,. Arbeits- und Verdrängerkolben (26,11) bewegen sich parallel nach oben. Das Absperrelement (29) ist geöffnet.

Die Druck-lose Kopplung (30) ist außer Eingriff.

Kältemaschine Der Arbeitskolben (26a) ist durch das Absperrelement (29a) im unteren Totpunkt fixiert.

Der Verdrängerkolben schiebt das Fluid von b'nach a' (isochore Kühlung).

Die Kältemaschine-Wärmepumpe nimmt also über (16a) Umgebungswärme auf (Kühler), komprimiert diese isotherm und gibt über (14a, Erhitzer) die Wärme wieder ab. Der dabei durchfahrene Dreitaktzyk- lus ist dem beschriebenen, erfindungsgemäßen Zyklus der Arbeitsmaschine prinzipiell analog, wird jedoch"umgekehrt"durchfahren und arbeitet auf tieferem Temperaturniveau.

Neben dem reversiblen, effizienten Zyklus ist es dabei besonders vorteilhaft, dass sämtliche Wärme- tauschvorgänge von Flüssigkeit zu Flüssigkeit erfolgen können. Dies ermöglicht, im Gegensatz zu übli- chen Zweiphasengemischen bei klassischen Kältemaschinen wesentlich ökonomischere und effizientere Kühler/Erhitzewärmetauscher. Erfindungsgemäß kann, analog zur By-pass Schaltung der Fig. 7 (24c, 25c) eine solche Anordnung auch bei der Kältemaschine zum Einsatz kommen und somit das gekühlte Fluid ohne Totraumeffekte direkt durch die entsprechenden Kühlkörper strömen.

Da die Antriebs THK-Maschine und die angetriebene THK-Kältemaschine auf verschiedenen Tempera- turniveaus arbeiten, müssen die Drücke einander angepaßt werden. Dies kann erfindungsgemäß entwe- der durch entsprechende Volumenverhältnisse vom Arbeitsmaschinenzylinder (13) zum Kältemaschi- nenzylinder (13a) geschehen, oder durch eine entsprechende Druckreduzierung mittels eines Stufenar- beitskolbens zwischen Konformator (30) und Kältemaschine.

Eine weitere, erfindungsgemäße Ausgestaltung der THK-Kältemaschine-Wärmepumpe nutzt das Grundprinzip der bekannten, nach dem Stirling Prinzip arbeitenden Vuilleumier Kältemaschine- Wärmepumpe unter Anpassung an den speziellen Zyklus der THK-Maschine. In Fig. 10 ist diese Vari- ante schematisch dargestellt.

In einem gemeinsamen, durch die gut wärmeisolierte und druckfeste Wand (34) in zwei Arbeitsbereiche getrennten Zylinder (I ="heißer"Zylinder ; II ="kalter"Zylinder) befinden sich jeweils ein linear ange- triebener Verdrängerkolben mit angeschlossener Erhitzer-Regenerator-Kühler-Strecke. Dabei sind die dem"heißen"Zylinder zugeordneten Elemente mit dem Index a, die dem"kalten"Zylinder zugeordne- ten Elemente mit dem Index b gekennzeichnet. Durch das zeitlich steuerbare Ventil (35) werden zum gewünschten Zeitpunkt das Fluid aus Zylinder 1 und Zylinder II miteinander verbunden Zu Beginn der Operation sind beide Zylinderhälften mit demselben Fluid bei gleichem Druck (vorteil- haft : 1 bar) gefüllt. Die Verdrängerantriebe 12a, 12b bewegen die Verdrängerkolben lla, llb mit um 90° verschobener Phase.

Im heißen Zylinder 1 wird das Fluid durch Erhitzung mittels 14a isochor auf hohen Druck gebracht.

Nach Erreichen dieses Druckes wird das Ventil (35) geöffnet und das Druckfluid aus Zylinder I komp- rimiert unter Wärmeentwicklung das Fluid im Zylinder II. Nach erfolgtem Druckausgleich bewegt sich im"heißen"Zylinder der Verdrängerkolben (lla) nach oben, während im"kalten"Zylinder der Verdrängerkolben sich nach unten bewegt.

Dabei werden sowohl im Zylinder I als auch im Zylinder II die jeweiligen Wärmeinhalte regenerativ auf

die Regeneratoren 15a und 15b übertragen und für den folgenden Zyklusabschnitt zwischengespeichert.

Im dritten Arbeitstakt bewegen sich (lla) und (llb) synchron nach oben. Sobald beide ihren oberen Totpunkt erreicht haben, schließt das Ventil (35) und der Zyklus beginnt wie bescluieben von Neuem.

Grundsätzlich agiert bei dieser erfindungsgemäßen Variante der Zylinder I als regenerativer Druckpul- sator, während Zylinder II als Kältemaschine-Wärmepumpe den in Zylinder I nacht rechts herum durch- fahrenen Zyklus des THK-Pulsators nach links herum durchläuft. Dabei wird einem gewünschten Raum durch (14b) bei niedriger Temperatur Wärme entzogen (Kältemaschine) und durch (16c) auf einem mittleren Temperaturnineau (Wärmepumpe) wieder abgegeben. Bei Betrieb als Wärmepumpe oder als Kombiaggregat (simultane Erzeugung von Kälte und Wärme) ist es sinnvoll, die Wärmeströme durch (16c) und (16a) in Serie hintereinander zu schalten.

Grundsätzlich kann die hiermit beschriebene"Vuilleumier THK"-Kältemaschine-Wärmepumpe auch ohne das Ventil (35) betrieben werden. Erfindungsgemäß wird in diesem Falle das Ventil (35) durch eine permanente, kleine Durchgangsöffnung in der Wand (34) ersetzt. In diesem Falle werden die Verdränger (l la, 1 lb) nicht diskontinuierlich um 90° phasenverschoben bewegt, sondern kontinuierlich um 90° phasenverschoben. Diese Vereinfachung des erfindungsgemäßen Zyklus hat jedoch, wegen der geringeren nutzbaren Druckschwankung, eine geringere Leistungsdichte. Dies kann grundsätzlich durch eine erhöhte Arbeitsfrequenz kompensiert werden, die jedoch, wegen der überproportional ansteigenden hydraulischen Druckverluste mit einem schlechteren Wirkungsgrad behaftet ist.

Bei der Wahl der Arbeitsfluide bietet sich eine breite Palette von Möglichkeiten an. Die wichtigsten Auswahlkriterien sind : Temperatur und Zyklenstabilität, starke thermische Volumenvergrößerung, ge- ringe Kompressibilität, hohe Wärmekapazität, cp deutlich größer als cv, hohe Siedepunkte, niedrige Gefrierpunkte, Umweltkompatibilität und Kosten.

Das, wie eingangs geschildert, von Malone benutzte Wasser weist zwar viele Vorteile auf, jedoch auch den grundsätzlichen Nachteil, dass es. um über den gesamten Arbeitszyklus flüssig zu bleiben mit >100 bar Vordruck belastet werden muss. Dies ist zwar mit den geschilderten THK Maschinen grundsätzlich realisierbar, macht allerdings Ausdehnungsbehälter und Windkessel nötig, die mit diesem Vordruck gefüllt sind.

Bevorzugt werden daher beim heutigen Stand der Technik insbesondere synthetische Öle. bei denen wie geschildert, gegen Atmosphärendruck gearbeitet werden kann, und die in Viskosität, Temperaturfestig- keit, Kompressibilität und anderen wichtigen Parametern der Thermodynamik des THK maßgeschnei- dert angepasst werden können.

Da die THK Maschinen auch schon im mittleren Temperaturbereich von ca. 100°C bis ca. 400°C mit guten Wirkungsgraden arbeiten, und die Wärmeeinbringung (und Kühlung) des Fluids technisch beson- ders einfach zu realisieren ist, sind folgende Energiequellen zum Betrieb der THK von besonderem Interesse : Sonnenenergie inklusive des Nachtbetriebes durch thermische Speicher, alle biogenen Brenn- stoffe, Abwärmen im angesprochenen Temperaturbereich. Besonders geeignet sind THK Maschinen und kombinierte THK-Kältemaschinen-Wännepumpen zur Kraft-Wärme Koppelung in Gebäuden, zur de- zentralen Energieversorgung mit Sonne und/oder Biomasse und zur Rückverstromung von (Industrie)- Abwärme.

Der wegen des neuartigen Zyklusses einfache und kompakte Aufbau macht ökonomische Anlagen mög- lich. Aufgrund der hohen Energiedichte der Fluide können bei vertretbaren Anlagegewichten (stationäre Anwendungen) Arbeitsfrequenzen von deutlich unter 1 Hz gefahren werden. Dies minimiert nicht nur die Antriebsleistung der Verdrängerkolben, sondern erhöht zudem die Lebensdauer der Systeme.