Einleitung

Das Ziel der Erfindung ist es, auf möglichst effiziente Weise die gesamte Abwärme der Kühlung und/oder des Abgases einer Primärquell e/-maschine (PM),

I. eines Hub- oder Drehkolben (DK) Verbrennungsmotors (VM),

II. einer Gas- + Dampfturbine (GT + DT) oder III. eines Brenners, mit Hilfe einer

Wärmenutzungsvorrichtung (WNV) in einem einzigen Betriebsmittel Kreislauf einer Nutzung zuzuführen.

Die WNV besteht aus einer die/das Betriebsmittel (BM) fördernden und verdichtenden Kompressionsvorrichtung, einem Verdichter oder einer Wärmepumpe (WP), und einer nachfolgenden Entspannungs- Vorrichtung, einer Dampf-/Gasmaschine (DM).

Die Funktion der Förder- / Kompressions- / Wärmepumpe WP für das dampf- oder gasförmige BM bzw. die einer Hochdruckpumpe für das anfänglich flüssige BM ist essentiell für den hohen effektiven Wirkungsgrad ηρΜ+ν Ζ der Umwandlung der Primärmaschine PM mit WNV Anlage:

0,41 < ηρΜ+WNZ < 0,69,

schon bei einer Drehzahl von U = 3000/min(1500/min) für einen VM bis zu ηνΜ+WNZ = 0,5 und für eine GT + DT Anlage als PM TKGT+DT)+WNZ = 0,7.

Die WNV Förder- / Kompressionsvorrichtung verbraucht hier praktisch nichts bis zu maximal 30% (als Wärmepumpe WP) der Gesamtzusatzleistung PWNZ der WNZ Anlage,

während z.B. der Turbinenverdichter einer GT etwa 40% der PGT Leistung benötigt.

Der gravierende Nachteil einer DT besteht darin, dass diese einen großen Massen -Volumenstrom bei hohem Druck benötigt. Der hohe Druck kann aber energetisch günstig nur im flüssigen Zustand des BM aufgebaut werden, und somit ist im BM Kreislauf nach der DT Kette eine Verflüssigung des gesamten BM ^' s erforderlich. Diese erfolgt meistens unter Fremdkühlung und führt die hohe Kondensations- als nutzlose oder geringerer wertige Abwärme ab.

Die Abwärme der PM, des VM, der GT oder des Brenners (BR) muss vor der Erwärmung des BM, also vor jedem Kreiszyklus, dessen Verdampfungswärme zur Verfügung stellen, welche etwa gleich ist wie diejenige, die zur Erhitzung des BM von z.B. To = 30°C auf T = 530°C aufgebracht werden muss!

Für die WNV, die hier z.B. als Drehkolbenmaschine (DKM) konzipiert ist, hingegen muss, je nach BM Gemisch, nur ein Viertel bis zu einem Drittel des BM in flüssigem Zustand vorliegen, welches durch eine Hochdruckpumpe mit dem hohen, überkritischen Druck beaufschlagt wird, während der Hauptteil des BM direkt als Dampf in den Kreislauf zurückgeführt wird, um dann in zwei der vorgesehenen vier BM Versionen in der ersten Stufe der WNV mit dem Hochdruckdampf gemischt zu werden.

Der Vorteil der Hochdruck- / Heißdampf (Abgas) BM Gemische beruht darauf, dass ein BM Zustand mit niedriger Entropie (Hochdruckdampf) gemischt wird mit einem hoher Entropie (Heißdampf oder Abgas), wodurch sich die nutzbare Exergie erhöht. Die auf diese Weise eingesparte Wärmeenergie von ca. 30% bis 50% kann zum Erhitzen des BM auf höhere Temperaturen oder zur Präparation einer größeren Charge BM eingesetzt werden. Da beide, die Molmenge des BM und dessen Temperatur etwa proportional mit der zur Verfügung stehenden Wärmeenergie ansteigen - aber miteinander in Konkurrenz stehen -, wird auch die erzielbare WNV Zusatzleistung PW V in etwa linear mit der eingebrachten Wärmeenergie ansteigen. Dies und der vorteilhafte Einsatz der DKM, die schon mit deutlich geringerem Druck und Volumenstrom vergleichbare Arbeit leistet, ist die Erklärung für die erzielbaren, hohen Werte der Zusatzleistung PWNV und des hohen Wirkungsgrades TJ WNZ der WNV, siehe unten.

Die DKM wird hier mit zwei Ein- und Auslässen pro DKM Scheibe ausgestattet und fördert dann drei Zylinderkammervolumen voll BM pro eine Umdrehung des jeweiligen Kreiskolbens.

Die hier vorgestellte WNZ Anlage trägt dann in einem Kreislaufsystem, allein unter Ausnutzung der Abwärme einer PM, z.B. für einen VM oder einer (GT + DT) Anlage, eine relative Zusatzleistung zu der PM bei von

schon für eine Drehzahl von U = 3000/min (1500/min), z.B. der DKM als WNV.

Insbesondere für einen VM als PM liegt ein großer Vorteil darin, dass in dem einem Kreislaufsystem die Abwärme des Kühlwassers im Niedertemperaturbereich (NT) zur Verdampfung des BM's eingesetzt wir, und die gesamte Abgas wärme des VM zur weiteren Erhitzung des BM dann auf höhere Temperaturen zur Verfügung steht.

Damit zieht die Umsetzung von (Ab-) Wärme- in mechanische Energie der WNV Kombianlagen hinter einem VM mit der eines modernen Gas- und Dampf- (GuD) Kraftwerkes gleich und übertrifft diese hinter einer GT + DT Anlage deutlich.

Die jeweiligen Zusatzleistungen PWNZ mit einem VM oder einer GT + DT Anlage bzw. die Wirkungsgraderhöhung mit einem Brenner können unter Berücksichtigung und Einrechnung mehrerer einschlägiger, realistischer Verlustfaktoren ηχ zwischen

0,75 < r)x < 0,95, siehe unten,

vergleichbare oder noch höhere Werte erreichen, vor allem unter Einbringung der vorgesehenen Zusatzfunktionen der WNV.

Zusätzlich soll und kann die WNV in prinzipiell drei weiteren Funktionen verwendet werden:

1. als mechanischer Luftverdichter (LV) durch Umkehrung der Beschickungsrichtung

- in der Aufwärmphase des VM, bei niedrigen Drehzahlen und bei hoher Leistungsanforderung zur Aufladung des VM und der GT plus deren Feuerungsstelle, sowie

2. als LV und Abgasverdichter (AV) zur Rekuperation von Bewegungsenergie bei Schub- und Bremsvorgängen des VM betriebenen KFZ, bzw. im Unterlastbetrieb eines stationären VM, eines Brenners oder einer GT + DT Anlage

- unter Abspeicherung der erzeugten Druckluft/ des Druckabgases in einem Druckluftspeicher (DLS) und/oder einem Druckabgasspeicher (DAS) und

- anschließendem kraftstofflosen/-armen Betrieb des VM bzw. der GT mit der abgespeicherten Druckluft / dem Druckabgas, sowie

3. als Booster unter Beschickung der WNV Anlage selbst mit der abgespeicherten Druckluft / dem Druckabgas über einen Druckminderer für starke Beschleunigungsvorgänge im VM betriebenen KFZ und zur Abdeckung von Spitzenlast bei einem stationären VM und bei einer GT + DT Anlage, unter gleichzeitiger Aufladung des VM bzw. der GT und deren Feuerungsstelle. Die Leistungsabgabe des WNV Booster kann dann dje maximale Leistung der Primärmaschine PM in etwa erreichen oder sogar übertreffen, im kurzfristigen Betrieb z.B. des VM in einem KFZ oder längerfristig bei der DT + GT und der stationären VM Anlage, abhängig von der Menge (und dem Druck) der/des gespeicherten Druckluft/-abgases.

Aufgrund der/des in den Energiespeicher DLS / DAS gespeicherten DrucklufV-abgases mit 100 1 bis 300 1 Fassungsvermögen, z.B. in einem PKW, die in ihrer Energiespeicher-Kapazität mit den Batteriespeichern heutiger„Mild Hyprid" Autos vergleichbar sind, werden alle dafür geeigneten Hilfsaggregate in den KFZ ^' s auf Druckluft umgestellt, wie z.B. Bremskraftverstärker, Lenkhilfe und Anlasser, etc..

Das ermöglicht den VM im KFZ auch während des Fahrens gefahrlos abzuschalten, z.B. beim Heranrollen an rote Ampeln und an leichten Gefällstrecken.

Ohne Einrechnung dieser Verwendungen kann die WNV Kombianlage dann im Optimum einen effektiven Wirkungsgrad erreichen von:

rjV +wNZ > 0,5 bzw. TJGT+DT+ WNZ > 0,70.

Unter Ausnutzung der WNV Booster Funktion kann für den VM im KFZ unter Aufladung mit der gespeicherten Druckluft die kurzzeitig, z.B. für einige Minuten, abrufbare, maximale Leistung der Kombianlage, PvM+wNV,max, die maximale Nennleistung des VM, PvM.max, mehr als verdoppelt werden PvM+wNv,max > 2,3 PvM,max, siehe unten.

Durch den Ersparniseffekt an nicht benötigter, mehrmaliger Zwischen-Verdampfungsleis- rung im Falle II, einer GT + DT (GuD) Anlage, siehe oben, und durch den Betrieb der WNV Anlage mit einem 1 : 1 BM Gemisch aus Hochdruck- und Heißdampf, z.B. von H2O, ergibt sich eine erhöhte Zusatzleistung von

siehe Beschreibung zu Fig. 5 a, zur den angenommen Grundleistungen des GuD Kraftwerkes, von PDT = 83 MW und PGUD = 250MW.

So dass dann für die GT + DT Anlage unter der Annahme

PGT+DT = 3 PDT mit PGT = 2 PDT und

PDT+W V = 1,51 PDT

sich mindestens PGT+DT+WNV = 3,51 PDT ergibt, also eine Steigerung von 17%,

(ohne Anrechnung der Booster Funktion der WNV), was den Wirkungsgrad T)GUD+WNV auf Werte nahe oder über r|GuD +WNV > 70% bringt.

Für eine GuD Anlage kann weiterhin unter Aufladung der GT mit der abgespeicherten Druckluft, die mit der LV Funktion der WNV erzeugt und dann abgespeichert wurde, dann unter Wegfall des Turbinenverdichters und den obigen Annahmen,

PGuD+WNVBoost > 5 PDT erreicht werden, also eine Steigerung um einen Faktor 1,61,

für den Einsatz in Spitzenlastzeiten über eine längere Zeit, abhängig von der abgespeicherten Menge der/des Druckluft- / Druckabgases, siehe Beschreibung zu Fig. 5.

Darin liegt für ein GuD Kraftwerk der weitere, große Vorteil der WNV Kombianlage, dass sie sowohl als Wärmenutzungsvorrichtung WNV als auch als LV unter Abspeicherung der erzeugten Druckluft betrieben werden kann, mit den oben beschriebenen Möglichkeiten, und kein zusätzlicher Kompressor benötigt wird.

Die WNV Anlage kann eingesetzt werden hinter und mit folgenden Primäraggregaten:

- mit einem Biogas - Brenner in kleineren lokalen Anlagen, dessen Brenngas nicht als Brennstoff für einen VM oder eine GT genutzt werden kann, oder

- mit einem stationären VM Aggregat, wie z.B. in Kraft- Wärme- Kopplungsanlagen (KWK) für Schulen, Schwimmbäder und Krankenhäuser, aber auch schon für Ein- und Mehrfamilienhäuser,

- präferentiell mit einem Benzin oder Gas betriebenen Otto VM oder einer Drehkolbenmaschine (DKM), einem Wankel Motor, welcher schon bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Abgastemperatur aufweist, und die dann als Kombianlage, stationär oder in einem KFZ betrieben, den Gesamtwirkungsgrad eines vergleichbaren Diesel VM deutlich übertrifft,

- mit einem aufgeladenen Diesel VM für PKW, LKW oder Schiffe,

- sowie mit einer mittleren GuD Anlage mit einer Leistung von bis zu 300 MW. - Auch ein kompakter Nachrüstsatz, z.B. für ältere PKW oder GuD Anlagen, mit einer eigenen Steuerung ist möglich.

Mit der Kombination Biogas- Brenner oder stationäres VM Aggregat plus WNV Anlage kann deren Laufzeit auch im Sommer deutlich erhöht werden, da mehr Leistung zur Stromerzeugung und ggf. Verbund - Einspeisung ins Netz zur Verfügung steht, und die dann geringere, anfallende Restwärme, aber auf ggf. erhöhtem Temperaturniveau, siehe unten, weiter zur Brauchwasser Erhitzung oder als Prozesswärme genutzt werden kann.

Der VM in einem KFZ oder in einem stationären Aggregat kann neben Benzin und Diesel auch präferentiell mit (Erd-) Gas betrieben werden, dessen Druckbehälter dann nach dem Teilverbrauch des Gases als DLS eingesetzt werden können.

Es kann ein einkomponentiges flüssiges / dampfförmiges BM 1 1 ^" , 1 1 oder eine Gemisch aus Hochdruck beaufschlagten Dampf 1 1 ', z.B. H20H_, und Heißdampf 1 1 , H20d, und/oder variablen Anteilen des Abgases 13, dessen Temperatur sich noch (weit) im Hochtemperatur Bereich befindet, verwendet werden.

Die höchsten Werte für die Zusatzleistung der WNV ergeben sich, wenn der überhitzte, mit Hochdruck beaufschlagte BM Dampf 1 1 H20Hd, niedriger Entropie gemischt wird, entweder mit tbOd Dampf 11 und/oder mit dem (oder Teilen des) Abgas(es) 13 höherer Entropie, zum Gemisch BM 1 1 '+ 1 1 (+ 13) bzw. 1 1 '+ 13,

- wobei der FbOHd Dampf vorher durch hohe Druckbeaufschlagung mit p ~ pkrit, dem kritischen Druck des flüssigen BM 1 1 ^" , z.B. H20fi, und Erwärmung in WT ^' s durch die Kühlwärme und durch das Abgas, z.B. des VM ^' s, auf Temperaturen Tfi,d > Tkrit präpariert wurde, und

- anschließend in der ersten Komponente der WNV, z.B. einer DKM, die Gemischbildung des H-OHd mit dem FhOd und/oder dem Abgas stattfindet, unter Gewinnung von Mischenthalpie, und

- die nachfolgende Entspannung unter weiterer Arbeitsleistung in den anderen WNV Stufen, den (drei) restlichen Zylinderkammern der Zweischeiben DKM bis an die Tauiinie oder in das Zweiphasengebiet des H20d Naßdampfes erfolgt.

In der Regel stellt sich heraus, dass etwa eine massenanteilige 1 : 3 - 4 Mischung für den VM und eine 1 : 1 Mischung für die GT + DT Anlage von Hochdruckdampf H-OHd und Heißdampf H20d und/oder dem Abgas die besten Ergebnisse für die Zusatzleistung der WNV Anlage ergibt, und damit die hohen Werte für

T|WNV und PWNZ/PVM(OT+DT) erreicht werden, siehe die oben angegebenen und die in Tab. 1 und 2 eingetragenen Werte.

Für alle diese WNV Anlagen werden Wärmetauscher (WT) benötigt.

Insbesondere bei den VM Aggregaten aber auch bei dem Biogas - Brenner, ggf. auch bei einer GT kann ein WT im Hochtemperaturbereich des Abgasstromes gleichzeitig als

Katalysator (KAT) eingesetzt werden, durch eine entsprechende Dimensionierung und abgasseitige Beschichtung mit Katalysator - Edelmetallen, und ggf. ein zweiter, ebenfalls abgasseitig beschichteter WT als Oxydations-Katalysator mit geregelter Luftzufuhr, insbesondere für einen Dieselmotor als PM.

Dies reduziert die Rückwirkung der Wärmetauscher WT auf den VM in eine ähnliche Größenordnung wie bei einem modernen VM mit geregelten Katalysatoren, siehe Fig. 4. Stand der Technik

Die gute alte, mit Wasserdampf (HbOd) betriebene Dampfmaschine steht im Geruch geringer Effizienz. So hatten die DM's, welche bis 1957 für Dampflokomotiven entwickelt wurden, bei einem maximalen Kesseldruck des I-hOd von ca. 25 bar entsprechend einer Temperatur von T = 225°C einen mechanischen Wirkungsgrad von maximal 13%, da der ffcOd Abdampf mit einer Temperatur von ca. T = 100°C durch den Schornstein geblasen wurde.

Davor hat die Abdampfströmung Rauchgas durch einen Unterdruck Effekt, z.B. mit Giesl Ejektoren, ab- und somit mehr Frischluft in den Heizkessel gesaugt, zur vollständigeren Verbrennung der Heizkohle. Der Wirkungsgrad einer entsprechenden, reversiblen, idealen Carnot Maschine,

ηο = (Τ ₂ - Τ,) / Τ ₂ , (1) zwischen den entsprechenden Temperatur Reservoirs mit T ₂ = 500 K und T _\ = 373 K wäre, ohne die Abdampfverluste, r\c ⁼ 0,25.

Die Aufladung von Otto- und Dieselmotoren durch einen Abgasturbolader (ATL) oder einen mechanischen Verdichter und der Betrieb von Hubkolbenmotoren mit Druckluft sind bekannt, ebenso die Turbinenluftverdichter vor einer GT.

In der Patentanmeldung DE102 59 488 AI„Wärmekraftmaschine" wird für einen VM unter Nutzung der Abwärme in zwei getrennten, geschlossenen Betriebsmittel- (BM) Kreisläufen, einem Niedertemperatur- und einem Hochtemperatur- Kreislauf, mit je einer Entspannungsvorrichtung eine Verbesserung des Wirkungsgrades eines VM von jeweils 5% bis 6% erreicht. Es wird jeweils von einem anfänglich flüssigen BM ausgegangen, das mit einer Pumpe gefordert und auf Betriebdruck gebracht, in Wärmetauschern verdampft und erhitzt wird.

In der hier vorliegenden Anmeldung dagegen wird ein einziges geschlossenes bzw. auch ein teiloffenes Kreislaufsystem für das BM verwendet, das verdampft und vorgewärmt wird über Verdampfer VD und Wärmetauscher WT in einem Niedertemperatur- (NT) bereich, der Kühlung des VM bzw. den Endbereichen des Abgases des Brenners BR9 oder der GT, und weiter erhitzt wird durch WT's im Hochtemperaturbereich des Abgases von allen PM ^' s. Das Betriebsmittel besteht entweder aus BM Dampf oder einem Gemisch aus Hochdruckdampf plus Dampf und/oder Abgas, und wird das in getrennten Stufekomponenten der WNV gefördert, komprimiert und/oder unter Arbeitleistung entspannt, wobei eine Komponente auch als getaktete Mischungskammer für die BM Gemische verwendet wird.

Der Einsatz der WNV in den weiteren, oben und unten eingehender beschriebenen Funktionen ist inhärent eingeplant, vorgegeben und wird beansprucht.

In der am 16.09.2008 eingereichten, dann aber zurückgezogenen Gebrauchsmusteranmeldung DE102 59 488 AI wurden schon Grundgedanken dieser Anmeldung in Ansätzen entwickelt.

Zur großtechnischen Erzeugung von elektrischer Energie, Strom werden heute kombinierte Gas-/Dampf- (GuD) kraftwerke eingesetzt, da eine Gasturbjne GT allein einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad von ηστ < 45% hat, wegen des hohen Leistungsbedarfs (rund 40% der Gesamtleistung) des Turbinenverdichters und trotz der sehr hohen Eingangstemperaturen von 1200°C bis 1400°C.

Wegen der hohen Austrittstemperatur des Abgases von Ta = 550 bis 650°C der GT, bei einem Austrittsdruck nur etwas über dem Atmosphärendruck, ist es sinnvoll die Abgaswärme mittels Wärmetauschern zum Erhitzen eines Dampfes, in der Regel HzOd, zu verwenden, um damit mehrere DT Stufen zu betreiben. Der Nachteil der DT 's besteht darin, dass sie weitgehend im H Od Einphasengebiet betrieben werden müssen, da sonst durch Tröpfchenbildung die Turbinenschaufeln abgetragen werden.

Eine Lösung dafür besteht in einer Zwischenerhitzung des H20d und als zweite Stufe eine, oder mehrere Mitteldruck (MD) DT ^' s und als dritte Stufe(n) Niederdruck (ND) DT ^' s einzusetzen.

Die ND DT wird in dieser Anmeldung erfolgreich auch für größere Einheiten mit einer GT + DT Gesamtleistung von PGUD ~ 300MW

durch eine WNV Anlage ersetzt, welche dann viel weiter bis in das Zweiphasengebiet, thOd plus Wasser EhOfi, hinein betrieben werden kann.

Bei den hier beschriebenen WN 's verbraucht die Förderung und die Kompression, z.B. des EhCro Hochdruckdampfes bzw. des EhOd Dampfes, in den o.a. BM Versionen für die Hochdruckpumpe einen Bruchteil und für die WP bis knapp einem Drittel der WNV Gesamtleistung.

Figuren

Fig. 1 : Schematisches Schaubild einer Abwärme beschickte Wärmenutzungsvorrichtung WNV, für drei Verwendungen: I. hinter einem Brenner, II. hinter einer GT + DT Anlage und III. hinter einem Verbrennungsmotor VM.

Fig. 2 a bis c: T-S Diagramme für Abwärme beschickte WNV Kreiszyklen für einen VM mit den Betriebsmitteln BM Versionen

(a) (1): H ₂ Od, (b) (3): HiOm + HiOd und (c) ((4)): H2ÜHd + HaOd + Abgas

Fig. 2 d: für eine GT + DT Anlage mit der BM Version (3): ΗΖΟΗ<Ι + taOd

Fig. 3 a: Schaubild eines Verbrennungsmotors VM2 plus Wärmenutzungsvorrichtung WNV Anlage, hier einer Zweischeiben Drehkolbenmaschine (DKM), eingesetzt als Förder- (DM0) und/oder Kompressions- (WP5) und Entspannungsvorrichtung (DM1, DM2, DM3) betrieben mit den BM Gemischen

(3) : H2ÜHd Hochdruckdampf + H20d Dampf und

((4)): H OHd Hochdruckdampf + H ₂ Od Dampf plus Abgas, beschickt durch die Abwärme eines VM2, und verwendet als Luft- und Abgasverdichter (LV/ AV) bzw. als WNV Booster Fig. 3 b: dito mit der BM Version (1): aus reinem Heißdampf H ₂ Od

Fig. 4 a und b: Längs- und Querschnitt durch einen Hochtemperatur Wärmetauscher

/Katalysator WT2 KAT im Abgasstrom des VM2 mit einem Flatter - Rückschlagventil

Fig. 5: Schaubild einer WNV Anlage als DKM hinter einer Gas- plus Dampfturbinen

GuD Anlage, mit Wärmetauschern

Figurenbeschreibung

In dem Schaubild der Fig. 1 sind schematisch die drei prinzipiellen Verwendungsmöglichkeiten der Abwärme beschickten Wärmenutzungsvorrichtung WNV, hier als mindestens Zweischeiben DKM gezeigt:

I. hinter einem (Biogas-) Brenner BR9 zum Betrieb eines Generators G51 und einer Gebäude - / Brauchwasserheizung 42.

Mit dieser Einsatzmöglichkeit I der WNV kann vorteilhaft minderwertiges Deponie- oder Biogas zur lokalen Stromerzeugung in kleineren Einheiten gekoppelt mit Heiz-/ Prozess- wärme Erzeugung verwendet werden.

II. hinter einer GT4 + DT3,3 ^' Anlage zum Betrieb eines Generators G51 und zur Fern-/ Prozessheizung 42 ^' ,

III. hinter einem VM2, eingebaut in einem KFZ 60 oder in einem stationären Aggregat, zum Leistungserhöhten Betrieb des KFZ 60 plus Nebenaggregaten bzw. eines Generators G51 plus Heizung 42 '.

Der weitere Einsatz der WNV Anlage als Luft-/(Abgas-)verdichter LV/(AV) mit der Abspeicherung und/oder der Aufladung des VM2, der GT4 plus deren Feuerungsstelle 54 oder des Brenners BR9, und Verwendung der abgespeicherten Druckluft 10 ^' (des Druckabgases 13 ') in einem DLS 20 (DAS 50, siehe Fig. 3) zum kraftstofflosen/- armen Betrieb des VM2, der GT4 oder der WNV Anlage selbst als Booster, wjrd in Fig. 3 und 5 eingehend beschrieben.

Dem anfangs flüssigen, dann dampfförmig vorliegende Betriebsmittel BM 1 1 ^" , 1 1 wird Enthalpie zugeführt über Verdampfer/Wärmetauscher VD/WT, die in dem Kühlkreislauf des VM2 bzw. endseitig in dem heißen Abgasstrom 13 des Brenners BR9, der GT4 und des VM2 eingesetzt sind:

WT0 und VD/WT0 ^' , VD/WT0" im Niedertemperaturbereich (75°C < T < 130°C bis 250°C) zum Verdampfen/Vorerwärmen des BM, und

WT1 bis WT4 im Hochtemperaturbereich (250°C < Ta < 770°C bis 900°C) des Abgases 13 zum Weitererhitzen des BM.

Im Falle III des VM2 wird das Niedertemperatur- (90°C - 130°C) Reservoir des Kühlwassers der VM2 und/oder der DKM über WT0 bzw. VD/WT0' zur Verdampfung und Vorerwärmung des dann dampfförmig vorliegendem BM 1 1 verwendet.

Für den Fall, das nur ein einkomponentiges, dampfförmiges Betriebsmittel verwendet wird, ist es vorteilhaft, das H2O Kühlmittel des VM2 direkt als BM 11 ", 1 , 1 1 in einem geschlossenen Kreislaufsystem für die WNV Anlage zu nutzen.

Der Gefrierschutz kann durch ein gleichzeitig die DKM schmierendes Frostschutzmittel gelöst werden.

Ein Drittel bis zu zwei Dritteln der Kühlung des VM2 und der DM0/WP 5 wird durch die VerdampfÄmg Vorerwärmung des BM 1 1 abgeführt, also eine Mischung aus Wasser- und Dampfkühlung für den VM2 und die DKM verwendet.

Für die Anwendung III, den VM2, wird erwärmtes Kühlwasser des VM2 mit einer Pumpe 27' durch Hohlkegel- oder Ultraschalldüsen 24 in feine ca. 0 = 20 bis 70 μπι Tröpfchen versprüht und unter Kühlung des VM2 und der DM0/WP5 und ggf. der DM1 , verdampft und auf eine Temperatur Ti > 1 15°C bis 130°C erhitzt.

Im Anwendungsfall II wird der H20d Heißdampf entweder nach der Mitteldruck MD

Dampfturbine DT3 ', siehe Fig. 5, oder, wie hier gezeigt, an einem Mittelabgriff 56 der DT3 ' mit der passenden Temperatur Ti und dem Druck pi abgezweigt. Der Abdampf der DT3 ' und der letzten WNV Komponente DM2,3 endet in einem vortejhafterweise fremdgekühlten (42) Kondensationskühler 41.

Für weitere Details der WNV Kombianlagen, siehe Fig. 3 und 5.

Zum Aufbau z.B. des Wärmetauscher/Katalysators WT2/KAT, siehe Fig. 4.

Für den Fall III, den VM2, wird ein 0,6 1 bis 1 l Otto- (oder Drehkolben-) Motor mit z.B. zwei bis vier Zylindern mit je vier Ventilen pro Zylinder verwendet, mit einem

Durchschnittsverbrauch pro Stunde von 2,6 1/h entsprechend 2 kg/h Benzin (Gas), unter Einrechnung der WNV Zusatzleistung. Als Nennleistung des VM2 wird

PvM.max = 50 kW angenommen. Wegen den für die WNV Anlage benötigten höheren Abgastemperaturen ist ein Betrieb des VM2 ohne Abgasturbolader ATL15 oder eine DKM als VM2 vorzuziehen.

Die 2 kg/h Benzinverbrauch entsprechen einem Heizwert h h = 84.000 kJ/h, von dem ca. 33%, also Ah = 27.000 kJ/h, normalerweise jeweils durch die Kühlung und durch das Abgas 13 des VM2 an die Umgebung verloren gehen.

Nur etwa ein Drittel der Heizwertleistung fließt in den Motor und die Hilfsaggregate, deren Leistungsaufnahme mit Hilfe der Umstellung auf Druckluft schon deutlich reduziert angenommen wurden, sodass bei dem Durchschnittsverbrauch von 2 kg h Benzin (Gas) etwa 0,3 h h = 25.500 kJ/h, entsprechend einer Leistung von

zum Vortrieb des KFZ (ohne WNV) zur Verfügung stehen.

Unter Berücksichtigung der WNV Zusatzleistung von

PWNV = 4,2 kW wird die Gesamtleistung des VM2 + WNV

P VM +WNV = 1 1,3 kW = 15,4 PS,

und damit kann damit ein kleineres KFZ im 5. Gang mit einer Geschwindigkeit von ca. 120 km/h in der Ebene betrieben werden.

In Fig. 3 a und b ist schematisch eine Kombianlage VM2 plus WNV für die beiden

BM Versionen (3) und (2) gezeigt.

Für die WNV können vorteilhaft mit Wasser als BM vier Versionen eingesetzt werden:

(1) ein einkomponentiger H20d Dampf (1 1),

((2)) ein Gemisch aus Hochdruckdampf HzOHd (1 1 ^' ) plus Anteilen des (Abgases 13), (3) ein Gemisch aus Hochdruckdampf H20Hd (1 1 ^' ) plus H2Üd Heißdampf (1 1) und

((4)) dito plus Zugabe von Anteilen des (Abgases 13) in einer der letzten Entspannungs- stufe(n) der WNV, hier der DM3.

Für die BM Versionen ((2)), (3) und ((4)) wird nach den Wärmetauschern WT0 und WT0', siehe Fig. 1 , zunächst vorgewärmtes, flüssiges BM 11 ", hier z.B. H-Ofi, durch eine

Hochdruck- (Zahnrad- oder Piezo-) Pumpe 27 mit einen Druck p ~ 190 bar beaufschlagt und durch den WT2 im Abgasstrom 13 der

PM /VM2 auf T = 400°C > Tkrit = 374°C (für H2O) erhitzt. Dieser überhitzte HaOHd Dampf wird dann in der DM0, der ersten Stufe der WNV, in den angesaugten Heißdampf H20d

(bzw. das Abgas 13) eingespritzt, und das Gemisch aus Hochdruckdampf H2ÜHd + Heißdampf H20d und /oder (+ Abgas 13) wird dann in vorteilhafterweise zwei (drei) Stufen der Entspannungsvorrichtung der WNV, DM1, DM2 (und der DM3), unter Arbeitsleistung entspannt. In der letzten Komponente der WNV und nachfolgend in einem Kondensationskühler 41 wird dann gerade der Teil des H20d Dampf kondensiert, der für die Präparation des BM 1 1 ^' LUC™ Anteils durch die Hochdruckpumpe 27 benötigt und das restliche BM 11, H 0d Heißdampf, ggf. nach einer Reinigung, direkt als H2Üd Heißdampf durch Ansaugung mit der DM0 durch den WT1 wieder zugeführt wird.

In der daraus resultierenden Ersparnis der Verdampfungswärme und damit der Wärmeenergie, die hauptsächlich aus dem Kühlwasser / der Kühlung dem H20fi,Hd zuzuführen ist, liegt der eine Vorteil der mechanischen WNV, und der zweite Vorteil in der Nutzungsmöglichkeit der WNV als LV/AV und als Booster.

Im Folgenden wird die BM Gemisch -Version (3) im Detail berechnet, wobei die Berechnungen für die anderen BM Versionen (1), ((2)) und ((4)) analog dazu durchgeführt werden können, und die Ergebnisse ebenfalls in die Tab. 1 eingetragen sind. Als WNV Kompressions- und Entspannungsvorrichtung wird vorteilhafterweise eine Zweischeiben Drehkolbenmaschine (DKM) verwendet, deren DK keine Kolbenmulden besitzen, und deren Zylinderlaufflächen veredelt, z.B. verchromt sind.

Diese DKM arbeitet als fast perfekter„Zweitakter" ohne Ventile und erlaubt eine sehr gute Trennung von Ansaug- und Kompressionsvorgängen. Sowohl die untere als auch die obere Zylinderkammer der DKM, welche sich bei jeder 120° Drehung des Drehkolbens abwechselnd ausbilden, können zu unterschiedlichen Funktionen mit jeweils zwei getrennten Ein- (18 bis 18"') und Auslässen (19 bis 19 ^{" '} ) herangezogen werden. Diese DKM können ohne Kolbenmulde Kompressionsfaktoren von κ > 23: 1 erreichen und sind zu hohen Drehzahlen von U > 18.000/min in der Lage.

Das Kammervolumen der DKM sei 80 cm ³ (90 cm ³ für die BM Version (1))

mit einem Transportvolumen von

VT = 72 (81) cm ³ und einem Verdichtungsverhältnis von κ = 22: 1.

Dem entspricht in der Bemaßung der DKM in Fig. 3 für beide Scheiben eine

Zylinderkammerhöhe von A = 130 mm und für die erste Scheibe 1 eine - breite von

B = 24(28)mm und für die zweite Scheibe 1 ^' von 2 B.

Das geförderte FhOd Volumen Vd pro Stunde ergibt sich dann zu

Vd /h = VT x U/min x 60 min x 1,5 = 19,4 (22)m ³ /h (2) bei einer Drehzahl von U = 3000/min der DKM. Der Faktor 1,5 kommt zustande, da pro eine Umdrehung der Drehkolben 25, 25 ^' in der unteren und der oberen Zylinderkammer 22, 22 ^' jeweils 1,5 VT Volumina gefördert werden.

Mit einer Dichte des HbOd von p = 1,5 kg/m ³ bei einer Temperatur von Ti = 130°C wird die Masse FbOd Dampf pro Stunde, md/h, gefördert

md/h = 29,2(32,6)kg/h entsprechend v _d = (1250+35Q) = 1600(1800) mol h H20d

In den unten beschriebenen Rechenbeispielen werden folgende Kriterien in der angegebenen Reihenfolge berücksichtigt:

- maximale Abwärmenutzung aus beiden, dem NT und dem HT Reservoir der PM ^' s, hier des VM2,

- bei den BM Versionen ((2)), (3) und ((4)) wird die FhÜHd Menge soweit beschränkt, dass diese auf eine Temperarur T2 » Tknt 374°C in den WT ^' s im Abgasstrom 13 erhitzt wird; daher der kleine Anteil von vd = 350 mol/h ¥bOm ,

- der maximale Druck in den Rohrleitungen pmax < 250 bar, in der DKM

max < 120 bar, die maximale Temperatur < 530°C,

- die Erfüllung obiger Kriterien bei möglichst kleiner Dimensionierung der DKM als WNV Zusatzaggregat.

Bei größerer Dimensionierung der DKM und damit höherem Fördervolumen Vd/h und niedriger Starttemperatur vor den WNV Entspannungskomponenten kommt man nach der letzten Komponente weiter in das Nassdampfgebiet FkOd+ H-Ofi, vergleiche Fig. 2 a bis c. Prinzipiell das aber an den in Tab. 1 gelisteten Ergebnissen nur wenig, da die geförderte BM Menge und deren maximal erreichbare Temperatur T2 komplementär sind und beide in erster Näherung linear von der eingebrachten Abwärmeenergie abhängen.

Aus den Wärmezufuhren AQ vom Kühlmittel bzw. vom Abgas 13 der PM, hier des VM2, der Temperatur Ta, an das/die BM 11 , 11 ' (11 ") in den WT ^' s werden mit Hilfe der Formel, Gl. 3, die sich ergebenden BM Temperaturen Tx berechnet:

Tx = (η WÜ Va Cp,a Ta + Vd/Hd Cv Tx-l) / (η WÜ Va Cp,a + Vd/Hd Cv,d/Hd), (3) wobei Tx für die Temperatur des BM (1 1 ", 1 1 ^' , 1 1) nach und Tx-i für die vor dem jeweiligen WTx steht Der nur teilweise Wärmeübertrag durch Konvektion von dem PM Abgas 13 auf das/die verwendete/n BM 1 1 , 1 1 ^' (1 1 ^" ) wird durch μ\νϋ = 0,825 berücksichtigt,

mit v _a = 1 180 mol, die Anzahl der Mole des Abgases 13, für 2 kg Benzin und stöchiome- trischer Verbrennung, zusammengesetzt aus: 75% N2, 14% H2O Heißdampf und 1 1 % CO2 und CO, mit einer Temperatur des hier VM 2 Abgases 13 von

Ta = 350 (bis 520°C) und 770°C vor den Wärmetauschern WT1 bzw. WT2, welcher letzterer direkt hinter dem Abgaskrümmer des VM2 angeordnet ist,

mit der mittleren Molwärme des Abgases 13 bei konstantem Druck

C _P ,a = 32,3 J/(mol/K) für eine mittlere Temperatur von T = 580°C und

Cv,a = 21 ,5 J/(mol/K) für T = 350°C, siehe unten,

vd = 1250 mol und vHd = 350 mol, die Molzahlen für den H20d Dampf und den H2ÜHd Hochdruckdampf,

sowie der Molwärme von H20d bei konstantem Volumen für eine mittlere Temperatur von T = 300°C, zur Berechnung der Mischtemperatur des BM Gemisches, von H2ÜHd + H20d, Cv,d = 30,8 J/(mol/K), und die mittlere Molwärme von H20Hd

Cv,Hd = 124 J/(mol/K) ! für T = 130 bis 530°C.

Die Entspannung in den WNV Komponenten DM0, DM1 und DM2 (DM3) wird isentrop (adiabatisch) berechnet, mit isochoren, nicht-adiabatischen Korrekturfaktoren r)n.ad zusammen mit den Überström-Korrekturfaktoren wird die effektive Änderung der Enthalpie dann

AHeff = T|n.ad r|Str ΔΗ,

mit ΔΗ = (+/-)vd Cv,d(a) (T3(2) - T20 )), (4) jeweils für die Kompressions- (mit - Vorzeichen) und die Entspannungsvorgänge (mit + Vorzeichen), mit rjn.ad = 0,75 und r\su = 0,9 bis 0,95.

In der ersten Stufe der WNV, der DM0 als der unteren Zylinderkammer 22 der ersten DKM Scheibe 1 , wird in diesem Falle der in dem WT1 auf Ti = 270°C aufgeheizten FbOd Dampf mit der reziproken Dichte 1/pd = 0,65 m ³ / kg angesaugt.

Nach Schließen des Einlasses 18 durch Drehung des Drehkolbens (DK) 25, der damit die Funktion eines Rückschlagventils versieht, wird der überhitzte Hochdruckdampf, H2ÜHd (11 ^' ) mit p ~ 190 bar und hier auf eine Temperatur von T2 = 400°C im Wärmetauscher WT2 aufgeheizt, über ein regelbares Dosierventil 7 ^' ggf. über eine Hohlkegel-, Ultraschall- oder eine Überschalldüse, siehe Fig. 1 , zugemischt und bleibt dabei dampfförmig.

Die Mischungstemperatur Tm wird isentropisch (für das Gesamtsystem) nach Gl. 3, und wegen der verlustfreien Mischung der beiden Gase mit nwu = 1 , berechnet zu

Tm = 350°C.

Für die Gemischdichte pm gilt nach dem Gesetz von Amagat

1/pm = (Wd/pd + WHd/pHd), (5) mit Wd = 0,78 und wHd = 0,22, den Mol - Massenanteilen des H20d Dampfes bzw. des Hochdruckdampfes H20HÖ, sodass sich mit 1/pHd = 0,012 m ³ /kg für das BM (1 1 ,1 1 ^' ) Gemisch ergibt 1/pm = 0,51 mVkg.

Mit dem Enthalpiewert H = 3170 kJ/kg als Ausgangspunkt 2 ist der höchste Punkt in den T-S Diagrammen für das Gemisch, H20d plus H20Hd, des jetzt gemeinsamen BM 1 1 , mit jetzt vd = 1600 mol H20d Dampf erreicht,

siehe Fig. 2 b.

Nach Öffnen des Auslasses 19 wird über eine volumenmäßig kleine, kurze Verbindung 34 die obere Kammer der ersten DKM Scheibe 1 als erste Entspannungsstufe mit einem - Verhältnis 1 : 2, als DM1 befällt, wodurch sich die reziproke Dichte von

1/p = 0,51 auf 0,87 mV kg erhöht, die Überströmung mit n.STR = 0,85 eingerechnet.

Durch Einleiten des HbOd BM 1 1 parallel in die beiden Zylinderkammern 22 und 22 ^' der zweiten DKM Scheibe 1 ' entspannt sich der HbOa Dampf unter Arbeitsleistung und Teilkondensation im Verhältnis 1 : 4,5 weiter auf

l/p = 3,33 m ³ / kg,

bevor er in dem Kühler 41 weiter gerade so weit teilkondensiert, dass der für die Hochdruckpumpe 27 benötigte flüssige HbOfi BM 11 " Anteil und der verbleibende Y Oä BM 1 1 Dampfanteil dem BM Kreislauf getrennt wieder zugeführt werden, siehe Fig. 3 a.

Bei der BM Version ((4)), siehe Tab. 1, werden die beiden Kammern 22, 22 ^' der zweite DKM Scheibe als DM2 und DM3 getrennt und nacheinander beschickt. Nach der DM2 werden 2/3 bis 3/4 des ΐίιθά Dampfes mit ca. T = 140°C in den BM Kreislauf, den WT1 , zurückgeführt, und dann erst das Abgas 13 in der oberen Kammer 22', der dritten WNV Entspannungsstufe DM 3, dem verbleibenden HbOd Dampf beigemischt, wobei diese BM Leitungsführung in Fig. 3 nicht eingezeichnet ist.

Das hier frühzeitige Rückführen des FbOd Dampfes hat den Nachteil, dass die Entspannung nicht bis (weit) in den Nassdampfbereich ausgedehnt wird, hat aber den vergleichsweise viel größeren Ersparniseffekt, dass nur der für den H2ÜHd nötige HteOfi Anteil kondensiert und wieder verdampft werden muss. Dies gilt auch, in ähnlichem Umfang für die BM Version (3). Die Einsparung an zuzuführender Wärmeenergie AQ ist dann um ca. eine Größenordnung höher als die entgangene, restliche Arbeitsenergie.

In der Rückführung des EbOd direkt in der Dampfphase in den BM Kreislauf ohne vorherige Kondensation liegt einer der Gründe für die hohen Wirkungsgrade für alle drei BM Versionen ((2)), (3) und ((4)), welche ein Gemisch HbOHd + FhOd (+ Abgas 13) nutzen.

Das Abgas 13 in der BM Version ((4)) hat nach dem WT1 noch einen Druck p4 ~ 1,6 bar und eine Temperatur von T4 = 350°C und heizt den verbliebenen FhOd BM Dampf (1 1) dann von T =140°C wieder auf eine Mischtemperatur von T= 290°C auf.

Es findet also eine Zwischenerhitzung des BM 1 1 FteOd Dampfes statt, ähnlich der bei einer mehrstufigen HD, MD (und ND) Dampfturbinen DT3,3' Anlage, siehe Fig. 5.

Voraussetzung dafür ist, dass der Druck des Abgases p _a ~ 1 ,6 bar > pd, ~ 1 ,2 bar, dem Druck des H20d Dampfes in der Zylinderkammern 22', der DM3, zum Zeitpunkt der Abgas (13) Zufuhr, d.h. der H-Od BM Dampf 1 1 hat sich schon soweit entspannt.

Das neue BM Gemisch (1 1 , 13) entspannt sich weiter unter Arbeitsleistung auf pa ~ 1 bar für das Abgas 13 und den Temperaturen von T ~ 210°C bis T = 100°C und den entsprechenden Dampfdrucken für FhOd und wird dem Kondensationskühler 41 zugeführt, in dem das restliche HkOd plus der 14% H20d Dampfanteil des Abgases 13 weiter bei T < 100°C auskondensieren und in den BM Kreislauf als H-Ofi über die Hochdruckpumpe 27

zuriickgeführt werden, und das Abgas 13 nach der zusätzlichen Waschreinigung an die Atmosphäre abgegeben wird. Diese 14% H20d Dampfanteil des Abgases 13 füllen in etwa die FhOd Dampfverluste in dem offenen Flusssystem wieder auf.

Die mit einem * gekennzeichneten AHm Werte resultieren a\is der Volumenarbeit gemäß Gl. 6 durch die Mischung, d.h. den Eintrag des H20HÜ Hochdruck- in den H 0d Heißdampf:

AHm = Ap x A(l/p) = (5,8-3,8)10 ^s Pa (0,65-Q,51)mV kg = 28 kJ/kg, (6) als Beispiel für die BM Version (3) in der WNV Komponente DM0, sieheTab. 1.

Für die implizite Erhöhung der Ausgangs Enthalpiewerte für die Mischung H2Üd + H2ÜHd, siehe die T-S Diagramme in Fig. 2 b und c. Tab. 1: Werte für Kreiszyklen der WNV mit vier verschiedenen Betriebsmitteln

BM Versionen mit Vor- und Nachteilen

BM Versionen (l)Dampf ((2))HDdampf + Abgas (3)HDdampf+Dampf /((4))+Abgas

H20d H20Hd + Abgas H20Hd + KbOd /+ Abgas eff.Enthalpie- AHeff AHeff AHeff AHeff AHeff

änderung

WNZ Komp. Einheit

WP5 / DM0 - 133 +29* +28* +28* kJ/kg DM1 +151 +177 +99 +133 +133 kJ/kg DM2 +325 +297 +62 +246 +139+71+16 kJ/kg

Summe 343x32,6kg/h 474x9,3kg/h+190x29,2kg/h 407x29,2kg/h 387x29,2kg/h kJ/h

AW/h 1 1.180 9.970 1 1.900 1 1.300 kJ/h

PWNV 3,1 2,77 3,3-0,1=3,2 3, 15-0, 1=3,05 kW

PWNV/PVM 0,44 0,39 0,45 0,43

ηνΜ+WNV 0,47 0,46 0,49 0,47

AK K - 29% - 28% - 31% - 30%

AQ/h 25.000 24.000 25.700 27.500 kJ/h

T| WNV=AQ/AW 0,45 0,42 0,46 0,41

Vorteile

Ein BM zusätzliche Abgasreinigung Höchste Zusatzleistungen Einfachster Aufbau Pumpe 27 kleine Leistung Pumpe 27 kleine Leistung Niederdrucksystem Weitere Regelparameter Weitere Regelparameter

Weiterer Abgas KAT Weiterer Abgas KAT

Nachteile

Niedrigste Zusatzleistung

Zwei BM Zwei BM / Drei BM

Höchste Starttemperatur Verunreinigt BM Verunreinigt BM WP5 Leistungsminus Teil Hochdrucksystem Teil Hochdrucksystem teiloffenes Flusssystem teiloffenes Flusssystem kleinvolumiger WT2

Austausch des BM nötig Austausch des BM

Für die BM Gemische nach den Versionen (1) bis ((4)) ergeben sich nun die Werte in Tab. 1 : AHeff (AHm) die effektive Enthalpiedifferenz,

AW/h, PWNV, die Zusatzleistung der WNV, alle in den angegeben Einheiten, und

Pwnv/PvM, das Leistungsverhältnis von WNV zu VM2,

T)VM+WNV = T]V ( 1 + ην^ν) des effektiven Wirkungsgrades des VM2 plus der WNV Anlage im Normalbetrieb, wobei hier ein Wert von ην = 0,33 eingesetzt wird, der mit modernen, aufgeladenen Gas-/Benzin betriebenen Otto- oder DK-Motoren und erreichbar ist, bei einer klugen Reduzierung der Nebenaggregate, z.B. mittels Druckluft(-abgas) aus den DLS (DAS), und AK/K, die relative Kraftstoffersparnis.

Für die eingehender diskutierte BM Version (3): H_OHd + H20d, ergibt sich als zusätzliche Leistung der WNV Anlage

PWNV/ PVM = (3,3 - 0,1 ) kW/ 7,1 kW = 0,45,

wobei die Leistungsaufnahme der Hochdruckpumpe 27 von 0, 1 kW abgezogen wurde. Die relative Kraftstoffersparnis ΔΚ Κ wird dann

ΔΚ/Κ = - (1 - 1/(1+ PWNV/PVM))/K = - 31%. (7) mit der Erhöhung der Leistung der VM2 plus WNV Kombianlage auf

(PVM + PWNVVPVM = 1,45.

Im gemischten Fahrbetrieb nach dem NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) sind durch die vorgesehene Rekuperation von Brems- und Schubenergie weitere, niedrige, zweistellige Prozentgewinne zu erwarten, so dass sich eine tatsächliche, relative Kraftstoffersparnis mit der Kombianlage VM + WNV von ca.

ΔΚ/Κ ~ - 36% ergibt.

Die hohen Zusatzleistungen der WNV von 39% bis 45% zur Leistung des VM2 ergeben sich schon bei U = 3000/min der VM2 + WNV Kombianlage mit den BM Versionen (1) bis ((4)), womit der effektive Wirkungsgrad sich auf bis rund

ηνΜ+wNv ~ 0,5 erhöht,

also in die Nähe der Wirkungsgrade heutiger GuD Anlagen kommt, sodass die Frage erlaubt ist, ob der Einsatz von Elektrofahrzeugen im Alltagsbetrieb noch sinnvoll erscheint?

Als Probe wird berechnet

- ein thermischer Wirkungsgrad der WNZ Anlage mit der BM Version (3) (nach einem angenäherten, irreversiblen Clausius-Rankine Prozess) zu

der als letzter Wert in der Tab. 1 eingetragen ist, wobei die jeweils insgesamt im BM Kreiszyklus zugeführten Wärmemengen pro Stunde, AQ/h, auf- oder abgerundet, verwendet wurden, aber Effekte der Mischung(senthalpie) der BM Gemische nicht berücksichtigt werden. Der reversible Carnotprozess hätte bei der oberen T = 1043 K und der unteren Temperatur T = 347 K einen Wirkungsgrad nach Gl. 1 von

T]C = (1043 - 347V1043 = 0,68,

wobei hier die Mischungen mit dem FteOvid Dampf nicht berücksichtigt sind.

In Fig. 2 a bis c sind die BM Versionen (1), (3) und ((4)) als T-S Diagramme eingezeichnet, für die WNV Anlage mit dem VM2 und in Fig. 2 d mit der GT4 + DT3,3 '

Der Vorteil der BM Gemisch Versionen ((2)), (3) und ((4)) beruht darauf, dass ein BM Zustand mit niedriger Entropie (FbOHd) gemischt wird mit einem solchen hoher Entropie (PkOd oder Abgas 13), wodurch sich die nutzbare Exergie erhöht.

Die Vorteile der WMV Kombianlage hinter dem VM2 und der GT4 + Dt3,3', siehe Fig. 5, für die BM Version (1) bzw. die BM Gemischen ((2)) bis ((4)) sind:

1. Die Summe beider (der drei) Massen geht linear in die Zusatzleistung PWNZ ein, und auch der Wärmeinhalt und die restliche Druckarbeit des Abgases 13 wird in der Version ((2)) und ((4)) noch zum Teil ausgenutzt.

Die gemeinsame Dichte pm und Temperatur Tm des BM Gemisches liegt so weit im HbOd Dampfbereich, dass die Entspannung in den drei Stufen der WNV noch nicht oder nur knapp in den Nassdampfbereich des H2Od.f1 führt.

2. Die Druckaufladung des HbOHd Dampfes erfolgt mit einer Hochdruck-Flüssigkeitspumpe 27 und benötigt viel weniger Leistung als z.B. die Wärmepumpe WP5 oder ein Turbinenverdichter 52 für den H2Üd Dampf bzw. ein Gas, z.B. Luft.

3. Weiterhin hat H2ÜHd den Vorteil, dass es im unteren Temperaturbereich bis Tkrit = 374°C flüssig vorliegt und darüber in überkritischer Dampfform, und das für beide die Wärmeleitfähigkeit höher ist als für den H2Üd Dampf. Dadurch kann die zu übertragende Wärmeenergie pro Zeiteinheit, AQ/At, leichter, d.h. mit kleinerem ΔΤ- und relativen Δρ/ρ - Verlusten vom Abgas auf diesen Teil des BM 11 ' übertragen werden, resultierend in einer höheren Endtemperatur T2 des HbOHd, siehe die Berechnungen zu Fig. 4, oder es kann eine größere Menge HbOHd präpariert werden.

4. Im Falle der BM Version ((2)) und ((4)), der Beimischung des Abgases 13 zu dem als HbOd vorliegenden BM 1 1 wird wieder die letzte Stufe der WNV aufgeteilt in die DM2 und DM3, hier die untere und obere Zylinderkammer 22, 22 ^' der zweiten Scheibe 1 ^' der DKM.

Nach der DM2 werden z.B. zwei Drittel des FbOd abgezweigt und in den BM Kreislauf zurückgeführt, und nur ein Drittel des HbOd BM 1 1, der für die Hochdruckpumpe27 in flüssiger Form, als FhOfi, vorliegen muss, in dem Kondensationskühler 41, 41 ' verflüssigt, während der verbleibende EhOd Dampf direkt in den Kreiszyklus zurückgeführt wird.

Dies bedeutet eine Ersparnis der entsprechenden Verdampfungs wärmen, die sich auf mindestens ein Drittel der gesamten einzusetzenden Wärmeenergie beläuft.

In einer normalen DT Anlage wird im Verhältnis zur geleisteten Arbeit etwa die gleiche Wärmeenergie in Form von Kondensationswärme durch den Kondensationskühler 41 abgeführt und geht verloren, bzw. wird als minderwertige Heizenergie genutzt, und muss dann als Verdampfungswärme im Kreiszyklus aus hier dem GT4 Abgas wieder aufgebracht werden.

Dies hat den weiteren Vorteil, dass die BM Mischung FhOd 11 + Abgas 13 auf der Isobaren p = 1 bar im T-S Diagramm nach links auf den Siedepunkt Ts = 100°C des FkOd bei Atmosphärendruck entspannt und dann im Kühler 41 weiter auskondensiert und als FfcOfl der Hochdruckpumpe 27 wieder zugeführt wird.

5. Schon die erste Stufe DM0 der WNV leistet durch die H2ÜHd Zugabe Arbeit bzw.

verbraucht keine, während bei der BM Version (1) die Wärmepumpe WP5, die als erste Stufe für das Ansaugen, den Transport und die Kompression des reinen H20d Dampf eingesetzt wird, ein knappes Drittel der gesamten WNV Zusatzleistung verbraucht.

Das wird dadurch kompensiert, dass bei der BM Version (1) der Hauptteil des H20d ohne Verflüssigung in den BM Kreislauf zurückgeführt wird, und dass hier etwas größere H20d Molmenge mit höherer Ausgangstemperatur zur Verfügung gestellt werden können. Die benötigte Verdampfüngswärme für die kleine Menge verflüssigtes H20fi von dem VM2 bzw. DKM Kühlwasser im NT Bereich aufgebracht und geht somit nicht negativ in die

Energiebilanz des HT Abgas 13 Bereichs ein.

Es fehlen hier Beiträge der Mischungsenthalpie.

Die BM Version (1) hat aber den großen Vorteil des einfachsten Aufbaus.

6. Der Leistungszuwachs zum VM2, zu der GT4 + DT3 Anlage, bzw. die Ausbeute für den Brenner BR9 steigt damit auf optimal rund 50% bzw. 70%, siehe Tab. 1 und 2.

Die BM Versionen (3) und ((4)) ergeben die höchste Zusatzleistungen PWNV, siehe Diskussion oben, in der Hauptsache wegen des großen Beitrags der impliziten Mischungsenthalpie Hm und der direkten AHm Beitäge, Werte mit * in Tab. 1 und 2.

Der Primärquelle/-maschine PM wird bei den BM Versionen ((2)) und ((4)) die größte Wärmeenergiemenge AQ/h entzogen, sowohl dem NT Bereich durch Verdampfen des flüssigen BM 1 1 ^" und Vorerhitzen des gasförmigen BM 1 1 bzw. des flüssigen BM 1 1 " für das H2Üd bzw. den H20Hd, als auch dem HT Bereich, dem Abgas 13 der PM, hier dem VM2, aber auch im Falle der GT4 oder dem Brenner BR9.

7. Durch eine Extremwertaufgabe kann in jedem Betriebszustand das optimale Mischungsverhältnis H2ÜHd zu H2Üd durch den Steuerungscomputer berechnet werden, in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl U/min, der angebotenen Temperaturen des VM2 Kühlwassers, der DM0/WP5 und ggf. auch der DM1 , sowie insbesondere von der Temperatur des Abgases 13, um dann über das Dosierventil 7 'und /oder die Fördermenge des EhOfi.Hd der Hochdruckpumpe 27 eingestellt zu werden.

8. Der Wasserdampf FhOd reinigt in der Version ((2)) und ((4)) das Abgas weiter nach dem Abgas Katalysator, hier in der Kombination WT2/KAT, weiter von SOx, NOx, und anderen Schadstoffen, und diese können am Ende des Zyklus im dann kondensierten FhOfl, vor der Rückführung in den BM Kreiszyklus, durch Filter und /oder mit Chemikalien, z.B. mit Calciumhydroxid, CaOH, als Gips, ausgefällt werden, ähnlich der Auswaschreinigung in Kühltürmen bei GuD Kraftwerken. Das BM H2O wird nach einer festzulegenden Zahl von Zyklen, abhängig von der Effektivität der eingebauten Filter, ausgetauscht. Mit den BM Versionen ((2)) und ((4)) wird auch die Abgasreinigung einer Drehkolbenmaschine DKM deutlich einfacher.

Das verbliebene Druck- und das restliche Temperaturpotenzial des Abgases 13, auch dessen 14%igen FkOd Anteils, siehe oben, wird in den Versionen ((2)) und ((4)) weitgehend genutzt. Für die BM Version (3) gilt das gleiche wie für ((4)) bis auf die Nicht-Nutzung des verbliebenen Druck- und Temperaturpotentials des Abgases 13.

Der weitere Unterschied zwischen den BM Versionen ((2)), ((4)) und (3) besteht

in den Vorteilen von ((4)), dass

-eine Zwischenerhitzung des BM (1 1) in derDMO bzw. DM3 Abgaszugabe-Stufe durch das restliche Wärrnepotential des Abgases 13 stattfindet,

- das teilweise abgekühlte Abgas 13 noch zur direkten Arbeitsleistung herangezogen wird,

- das BM Gemisch (11 , 13) am Ende der Entspannungs- und Abkühlungskette auf der Isobaren mit p = 1 bar im T-S Diagramm nach links bis auf die Siedetemperatur von

Ts = 100°C des H2O bei Normaldruck herunterfährt,

- nach dem KAT/WT2 eine weitere Schadstoff Reinigung des Abgases 13 durch Auswaschung im dampfförmigen/flüssigen BM stattfindet, wie in der BM Version (2), und

- das Spülen der WNV Anlage vor und nach Umschaltvorgängen zwischen den Funktionen der WNV wegen des teiloffenen BM Flusssystems ganz entfallen, bzw. auf zwei bis drei Umdrehungen der WNV reduziert werden kann, und

in den Nachteilen von ((4)), dass

- der komplexeste Aufbau verwendet wird, und

drei BM Sorten in einem teiloffenen BM Kreislaufsystem verwendet werden,

- eine Reinigung des zirkulierenden BM durch Filter und/oder Zugabe von Chemikalien mit Ausfällung vorzusehen ist, und

- das BM ersetzt und recycelt werden muss nach einer festzulegenden (großen) Zahl von Stundenzyklen, und

- nur in der Version ((2)) der gesamte, geringere FfeOd Anteil, aus der FhOHd Charge, zu bOfl vor der Rückführung auskondensiert werden muss, was aber nicht negativ in die Energiebilanz des HT Abgas 13 Bereichs eingeht, da die Vorerwärmung des FhOfi aus dem Kühlwasser des VM2 und der DKM im NT Bereich effizient erfolgt..

Die BM Versionen (3) und ((4)) können in analoger Weise auch für die Fälle II und I der Primärquellen, die GT4 + GT3 Anlage und den Brenner BR9, eingesetzt werden mit ähnlich guten Resultaten, siehe Beschreibung zu Fig. 5 und Tab. 2, und die oben angeführten Vorteile und die, bei stationären Anlagen, leichter zu beherrschenden Nachteile.

Alle Werte in Tab. 1 ergeben sich bei U = 3000/min derVM2 +WNV Anlage und ohne Einrechnung der weiteren, sich sparwirksam und /oder Energie steigernd sich auswirkenden Funktionen der WNV Anlage, siehe unten. Für hohe Leistungsanforderungen wird auch der VM2 in dem WNV Booster Modus mit der Druckluft aufgeladen, was der VM2 kurzzeitig verträgt, und womit zu den 50 kW nochmals mindestens 15 kW Leistung hinzukommen.

Mit der Booster Funktion der WNV Anlage lässt sich kurzzeitig von einem vollem 100 1 Druckluftspeicher DLS 20 ausgehend für ca. 2 bis 3 min mindestens nochmals die maximale VM Nennleistung abrufen, also

PvM+LV,max + PwNVBoost = (65 + 50) kW = 1 15 kW.

Also wird aus einem 50 kW KFZ VM2 mit der WNV Kombianlage ein Sportgerät mit einer Leistung von 1 15 kW entsprechend 156 PS, was in einem Kleinwagen, z.B. der Poloklasse, eine enorme Kraftentfaltung ermöglicht, wobei die Steigerung im Drehmoment - maßgebend für die Beschleunigung- prozentual noch höher ausfällt.

Bei einer Drehzahl Änderung des VM 2 und der WNV ist die Zusatzleistung PWNV

proportional der geförderten BM Molzahl vd, welche linear mit der Umdrehungszahl U/min anwächst, siehe Gl. 2. Die Abhängigkeit der Temperatur des VM2 Abgases 13 von der VM 2 Umdrehungszahl zeigt ein etwas komplexeres Verhalten, steigt aber auch mit U/min an.

Also wird eine in erster Näherung angenommene Abhängigkeit

PVM + WNV - U ^{1 ,25} - ¹ ' ⁷⁵ (8) im Bereich 2500 < U/min < 5000 brauchbar sein, welche stärker als linear mit der Drehzahl U/min ansteigt.

In Fig. 3 b ist ein weiteres vorteilhaftes Beispiel der Kombianlage VM2 + WNV für die BM Version (1): reiner FhOd Dampf, mit der Plazierung des WT2 zwischen die WP5 und die DM1 schematisch gezeichnet. Kleine Änderungen, die sich in den Leitungsfuhrungen vor der WP5 ergeben, vergleiche Fig. 1 , sind hierin Fig.3 nicht eingezeichnet.

Die Zweischeiben DKM wird hier als fördernde Wärmepumpe plus Arbeit leistende Dampfmaschine, WP + DM, verwendet, wobei die untere Zylinderkammer 22 der ersten Scheibe 1 der DKM als WP5 fungiert, die obere als DM1 Stufe, welche die Leistungsaufnahme der vorgeschalteten WP5 mehr als kompensiert, siehe Tab. 1 , die gesamte zweite DKM Scheibe 1 ^' ist wieder als DM2 Stufe eingesetzt.

Als Betriebsmittel H20fi,d BM 1 1 ^" , 1 1 kann das Kühlwasser HbOfl 21 selbst, wie hier angenommen, bzw. ein anderes, zunächst flüssiges BM 1 1 ^" verwendet werden.

Aus dem Kühler 40 des VM2 wird der Hauptteil des Kühlwassers 21 mit einer Pumpe 27 ^' durch den Zylinderkopf des VM2, bzw. durch die erste Scheibe 1 der DKM (in Fig. 3 nicht eingezeichnet) in Kanälen oder Röhrenschlangen (26 ^' ) zirkuliert. Dieser Hauptfluss des Kühlwassers 21 kann durch ein Ventil 7 ^" so geregelt werden, dass die Wärmeabfuhr durch die Verdampfung und/oder Vorerwärmung des FüOfi.d BM 1 1 ^" , 1 1 gerade kompensiert wird.

Die Kühlung der Zwei(Mehr-) Scheiben DKM, siehe Fig. 1 , erfolgt bei Temperaturen ti > 1 10°C bis 130°C entweder mit Wasser unter erhöhtem Druck oder direkt mit FfeOd

Dampf aus dem BM 1 1 Dampfkreislauf, unter weiterer Aufheizung des BM 1 1.

Für die Verdampfer/Wärmetauscher VD/WT0 und VD/WT0 ^' , siehe Fig. 1 , können hier im NT Bereich z.B. auch aus AI gegossene Rohrblöcke verwendet werden, die in gutem thermischen Kontakt mit dem Zylinderblock des VM 2 und des DKM Kompressors stehen. Zur Verbesserung der Verdampfung wird das Kühlwasser (versetzt mit einem schmierenden Frostschutzmittel) und durch Hohlkegel- oder Ultraschalldüsen (24) in Tröpfchen mit einem Durchmesser von ca. 0 = 20 bis 70 μπι in das Kanal-/ Röhrensystem des WTC versprüht, siehe Fig. 1 , Fall III, oder von mit Ultraschall beaufschlagten Oberflächen vernebelt. In den beiden WT1 und WT2/KAT im Abgasstrom 13 strömt innen in den Edelstahl- Röhrchen 26 das BM 1 1 und außen werden diese vom VM2 Abgas 13 umströmt.

Zum Aufbau des WT2/KAT als Beispiel, siehe Fig. 4.

Die Ein- 18,18',18", 18 "' und Auslässe 19, 19 ^' , 19 ^" , 19 ^{" '} sind an den DKM Zylinderscheiben 1 , 1 ' so angeordnet, dass sich bei der Drehung der Kreiskolben 25, 25 ^' keine oder kaum eine Überlappung des Ansaug- und Ausstoßtaktes ergibt.

Insbesondere für die BM Version (1) muss hier darauf geachtet werden, dass die Todvolumina im WT2 am Auslass 19 und Einlass 18' so klein wie möglich gehalten werden.

Hinter dem DKM Auslass 19 ist ein Flatter- Rückschlagventil 37 eingebaut, um ein Rückströmen des BM 1 1 in die untere WP5, DKM Kammer zu verhindern.

Für den Betrieb der WNV mit der BM Version (1) wird das gesamte Innenvolumen des WT2 dann gleich dem Transportvolumen VT einer DKM Kammer 22, 22 ^' gewählt, siehe Fig. 4, so dass das Verdichtungs- bzw. Entspannungsverhältnis der WP 5 bzw. der DM1 vorteilhafterweise 2: 1 bzw. 1 :2 beträgt.

Für die anderen BM Versionen ist man in der Wahl freier, und kann eine optimale Auslegung wählen, z.B. als WT2 + KAT oder bezüglich des Druckverlustes Δρ und der

Temperaturdifferenz ΔΤ, siehe Gin. 9 und 10.

Nach dem WT2/KAT folgt die zweite DKM Scheibe 1 ^' mit doppelter Kammerbreite 2B als Dampfmaschine DM2 als weitere Entspannungsvorrichtung, welche die hauptsächliche Zusatzleistung erbringt. Dazu wird das H20d BM 11 in beide Zylinderkammern 22, 22' der zweite DKM Scheibe als DM2 parallel eingeleitet und unter Arbeitleistung weiter entspannt.

Alternativ kann die DKM Scheibe 1 ' ebenfalls die Breite B aufweisen, dann übersetzt durch ein Getriebe 16 mit der doppelten Drehzahl oder durch zwei Zahnräder (nicht eingezeichnet) und dann in umgekehrtem Drehsinn zur ersten DKM Scheibe 1 laufen, mit dann vertauschten Ein- 18 und Auslässen 19.

Nach der DM2(3) Stufe wird das BM H2O- in einen Kondensationskühler 41 geleitet, in dem es weiter zu einem geringen Teil von (1-x) < 0,2 kondensiert, mit x = dem verbleibenden FbOd Dampfanteil, der über den WT1 wieder dem BM Kreislauf zugeführt wird.

Der VM2 Kühler 40 muss für die BM 1 1 Version (1): Od, hier etwa für 1/3 bis zu 1/2 der VM2 (DKM) Kühlung aufkommen, und für die gesamte VM2 (DKM) Kühlung unterhalb der VM 2 Übergangsdrehzahl Uü < 2500/min, für welche die WNV als LV zum Aufladen des VM2 arbeitet, und allgemein beim Betrieb der WNV Anlage als LV/AV bzw. als Booster.

Zum Austreiben des schon in der DM2(3) Stufe der DKM kondensierten H20fl Anteils mit dem BM FbOd Hauptanteil kann die DKM liegend und vorteilhafterweise mit Seiteneinlässen betrieben werden.

Für Uü < 2500/min des VM2 werden dann die beiden DKM Scheiben durch den Einlass 29 in umgekehrter Flussrichtung zum WNZ/DM +WP Betrieb mit Atmosphärenluft beschickt und so als dreistufiger Luftverdichter, LV1 bis LV3, betrieben, und eine 1 : 3 bis 4 Untersetzung des Getriebes 16 gewählt.

Zum Umschalten von WNV/DM +WP auf LV/AV Betrieb sind alle vier Dreiwegeventile 6, die vor den Ein- 18, 18 " und hinter den Auslässen 19', 19" 'der DK Scheiben lund 1 ' angeordnet sind, z.B. elektro-magnetisch, umschaltbar vorgesehen. Das gilt auch für alle anderen Ventile und Regeleinheiten. Bei den BM Versionen (1) und (3) werden die DKM Kammern 21 , 21 ^' über die Belüftungs- ventile 8 für etwa zehn Umdrehungen vor und nach jeder Umschaltung gespült.

Für die BM Versionen ((2)) und ((4)) reichen weniger Umdrehungen, bzw. muss überhaupt nicht gespült werden, da die durch das Port 29 angesaugte Luft 10 in dem teiloffenen

Kreislaufsystem mit dem Abgas 13 ausgestoßen wird, bzw. die geringe Menge des in der WNV Anlage verbliebenen BM 1 1 , HbOd, bei der Umschaltung auf LV/AV zur Aufladung des VM2 oder zur Abspeicherung der komprimierten Luft in dem DLS 20 / dem DAS 50 nicht ins Gewicht fällt, bzw. bei der Abgas 13 Speicherung wegen des 14%igen FbOd Anteils im Abgas 13 vernachlässigbar ist, und im BM (1 1 , 1 Γ, 13) Kreislauf dieser Anteil das in dem teiloffenen BM Kreislaufsystem verloren gegangene HbOd bei weitem ersetzt.

Bei Brems- und Schubvorgängen und bei Drehzahlen des VM2 unter Uü < 2500/min wird im LV (AV) Betrieb ein Druckluft(abgas)speicher DLS 20 (DAS 50) aufgeladen. Dessen

Druckluft 10 ^' (Druckabgas 13 ^' ) wird dann über regelbare Druckminderer 17, 17 ^' zugeführt:

- dem VM2 über den Ansaugstutzen 38 zur mechanischen Aufladung des VM2 unter

Uü < 2500/ min und bei hoher Leistungsanforderung, oder

- zum Betrieb des VM 2 ohne Kraftstoff bei genügender Füllung des DLS 20 (DAS 50), oder

- zum Betrieb der WNV Anlage als Booster.

So reicht die in einem DLS 20 von 100 1 Inhalt abgespeicherte Druckluft 10 ^' mit einem Druck von ca. p ~ 100 bar und ca. T ~ 500°C zum Betrieb des VM 2 ohne Kraftstoff für ca. 6 min, d. h. für eine Fahrstrecke von ca. 12 km bei einer mittleren Geschwindigkeit von 120 km/h.

Die erhöhte Temperatur der Druckluft 10 ^' (des Druckabgases 13 ^' ) ist energetisch sinnvoll, da bei der expansiven Dekompression der gespeicherte Druckluft mittels der variablen Druckminderer 17, 17 ^' , auf ca. p ~ 2 bar zur Aufladung des VM2 oder auf etwa einen Mitteldruck von p _m ~ 6 bar zum Betrieb des VM 2 ohne Kraftstoff bzw. der WNV als Booster, eine deutliche Abkühlung der Luft stattfindet. Eine gute thermische Isolierung 53 des DLS 20 (DAS 50) sowie aller Zuleitungen (nicht gezeichnet) ist vorgesehen.

Im Falle des Abkühlens des DLS 20 und insbesondere des DAS 50 unter den Taupunkt des mit abgespeicherten H2O, ist ein Entleerungshahn für H2O Rückstände am tiefsten Punkt der Speicherbehälter vorgesehen. Die DLS 20 und DAS 50 Behälter sind innen durch eine Schutzschicht aus Kunststoff oder eine widerstandsfähige Metallbeschichtung gegen

Korrosion geschützt.

Da der WT2/KAT und/oder der WT1 auch bei LV(AV) Betrieb im Druckluft (10 ^' )(-abgas 13 ^' )- Strömungsverlauf bleibt, werden diese Wärmetauscher auf einer Temperatur von T> 300 bzw. > 400°C gehalten, sodass die energetisch effiziente Umschaltung auf WNV Betrieb ohne zeitliche Verzögerung erfolgen kann, und in jedem Fahrzustand des KFZ Leistung steigernd eingesetzt und optimal genutzt werden.

Die Umschaltzeiten sind hauptsächlich bestimmt durch die ca. zehn Umdrehungen der WNV, der DKM, die für die Spülung der Zylinderkammern 22, 22 ^' und der Leitungen bei der BM Version (1) und (3) nötig sind, und belaufen sich z.B. bei der Übergangsdrehzahl von

U = 2500/min auf At = 0,2 s, die etwa einer schnellen menschlichen Reaktionszeit entsprechen. Beim Betrieb der WNV mit den BM Versionen ((2)) und ((4)) ohne Spülung liegt die Umschaltzeit unter At < 0, 1 s.

Auf diese Weise kann die WNV mit praktisch kaum merkbarer Verzögerung zwischen den verschiedenen Funktionen umgeschaltet werden, was essentiell ist für die Energie Rekupe- rierung bei Brems- und Schubbetrieb des KFZ und für die Aktivierung der LV Funktion zur Aufladung des VM2 und der Booster Funktion bei starken Beschleunigungsvorgängen. Beim Betrieb des VM2 in unwirtschaftlichen Bereichen des VM2 Kennfeldes und bei Unterschreitung eines Mindestdruckes in den DLS 20 (DAS 50) wird eine höhere Leistung des VM2 durch Herunterschalten in einen niedrigeren Gang abgefordert (bei Schaltgetrieben z.B. durch einen elektrisch zu- und abschaltbaren Overdrive) und die LV/AV Funktion und gleichzeitig die Aufladung des VM2 aus dem DLS 20 über einen variablen Druckminderer 17 aktiviert.

Die kürzer- oder längerfristige Abrufung, je nach Volumenauslegung des DLS 20, der Leistung des WNV Boosters kann die maximale Nennleistung des VM 2 oder der DT 3 erreichen bzw. überschreiten und wirkt also ähnlich der KERS (Kinetic Energy Recovery System) Einrichtung bei Formel 1 Motoren, nur mit deutlich höherer Leistungsentfaltung, siehe Einleitung.

Diese Druckluftmotor - Funktion der WNV erspart in der Anwendung II ggf. eine zweite GT4' für Spitzenlastzeiten, siehe dazu Beschreibung für Fig. 5.

Bei diesen drei Funktionen der WNV Anlage werden alle Vorgänge durch eine intelligente, elektronische Steuerung optimal eingesetzt und geregelt.

Ein Treibriemen 34, der über je ein konisches Rad 32 auf der Kurbelwelle des VM 2 und auf der Welle der WNV / DKM läuft, koppelt den VM 2 mit der WNV vorteilhafterweise über ein CVT Getriebe 16 (Continously Variable Transmission) oder ein Planetengetriebe (nicht eingezeichnet). Dieses Getriebe 16 kann durch eine elektro-magnetische oder pneumatische Steuerung vorteilhafterweise kontinuierlich zwischen Untersetzungsverhältnissen 1 :1 bis 4: 1 variiert werden, zum optimierten Betrieb der DKM als WNV Anlage, als WNV Booster oder als LV/AV bzw. als mechanischer Lader für den VM2.

In Fig. 4 a und b ist der Aufbau eines Hochtemperatur- Wärrnetauschers am Beispiel des WT2/KAT gezeigt, bestehend aus 12 Edelstahl-Röhrchen 26 mit Außendurchmesser

0 = 3,4 mm oder 3,6 mm mit einer Wandstärke d = 0,2 mm bzw. 0,3 mm, mit einer

Gesamtlänge von

L = 850 mm. Diese Röhrchen aus entsprechend Hochtemperaturfestem Edelstahl halten einem Prüfdruck von p = 160 bar bzw. 280 bar stand.

Über dem Ein- 18 ^' und dem Auslass 19 der DKM 1 sind je vier Röhrchen 26 in drei versetzten Reihen zu einem 12er Bündel in dem Anschlußflansch 35 an die DKM in einem Rechteck angeordnet, mit den Außenmaßen b = 30 mm und a = 13 mm.

Die Röhrchen 26 sind mit einer vierfachen Umlenkung in jeweils vier Teilabschnitte mit einer Länge 1 = 212 mm in einer Gesamtweite w = 55 mm eingeteilt und an einem Ende in den Anschlussflansch 35 und am anderen Ende in einen gemeinsamen Umlenkflansch 36 hart eingelötet. Beide Flansche 35 und 36 sind ebenfalls aus Edelstahl, und die Lötung erfolgt mit einem Nickellot bei ca. 1000°C im Vakuum oder unter Schutzgas.

In der Auslassöffnung 19 der DKM ist in dem Anschlussflansch 35 ein Flatter- Rückschlagventil 37 eingesetzt, das im Rhythmus des Ansaug- und Kompressionstaktes der DKM

Komponente WP5 den Einlass zu den 12 Röhrchen 26 öffnet bzw. verschließt.

Dieses Ventil 34 ist so dünnwandig und leichtgängig ausgeführt, dass es die hier maximale Taktfrequenz der Scheiben 1 und 1 ' der DKM von ca. U < 9.000/min bewältigt.

Über die gesamten, gefalteten Röhrchen 26 Anordnung ist eine Edelstahlhaube 39 gestülpt, die dicht in einer Nut des Flansches 35 eingelassen ist. Durch zwei Abgas 13 Rohranschlüsse 33 und 33 ^' , jeweils im unteren Teil der Haube 39, werden die Röhrchenbündel 26 quer angeströmt, und der Abgasfluss 13 wird durch eine mittig zwischen den Röhrchenbündeln 26 angeordnete Trennwand 44 dann bis unter den oberen Flansch 36 und zurück bis zum Auslass 33 geführt.

Vorteilhafterweise werden die Röhrchen 26 außen mit Pd oder Pt (40) beschichtet, so dass der Wärmetauscher WT2 gleichzeitig die Funktion des Abgaskatalysators KAT übernehmen kann. Die Dimensionierung des WT2 KAT ist dann außer für die BM Version (1) nur in Grenzen festgelegt und kann für die Katalysatorfunktion optimiert werden.

Der Volumeninhalt des WT2, inklusive Flatter- Rückschlagventil 37 entspricht dann dem Transportvolumen von VT = 81 cm ³ für die BM Version (1).

Die Röhrchen 26 insbesondere in dem WT2 (und dem WT1) sind so ausgelegt, dass die Temperarurdifferenz ΔΤ, die nötig ist, um die Wärmemenge AQ/h durch Konvektion vom Abgas 13 auf den FbOd Dampf (den H2OH- Hochdruckdampf) zu übertragen, nur bis zu ΔΤ < 30(20)°C beträgt, und der entsprechende Druckverlust in den WT ^' s nicht größer als Δρ < 0,2(5) bar wird. Für die insgesamt in alle WT's übertragenen Wärmemengen/Stunde AQ/h, siehe Tab. 1.

Die Wärmeübertragung in dem strömenden Betriebsmitteln FteOd Dampf und H2OH- Hochdruckdampf wird berechnet für die BM Versionen (1) und (3), wobei die Daten und Werte für FhOd ohne und die für (FhOHd) in Klammern angegeben sind.

Sie erfolgt vornehmlich durch Konvektion in dem aus den Rohr-26 bündeln bestehenden Wärmetauscher WT. Für den Wärmestrom pro Zeiteinheit gilt nach Newton:

dQ/dt = α ο A ΔΤ, (9) mit A = 2 π n r L, die effektive Innenfläche des WT, siehe Werte für den WT2 in Fig. 4, mit der Gesamtlänge L = 0,85(0,85) m der n = 12 Röhrchen 26 mit r = 0,0015 m und

ακο = Nu λ/2Γ, dem Wärmeübertragungskoeffizienten für Konvektion, mit

λ = 0,055(0,1) W/(m K), der Wärmeleitfähigkeit des FbOd (des bOHd) gemittelt über den entsprechenden Temperaturbereich, und der

Nußelt-Zahl Nu = 0,0235 Re ⁰ ' ⁸ Pr ⁰ ' ⁴⁸ , mit der Reynolds-Zahl Re = v p 2 _Γ /η und der

Prandtl-Zahl Pr = η Cp/λ, dimensionslose Kenngrößen, mit

η = 22 (62) 10 ^"6 kg/(m s), der dynamischen Viskosität und

c _P = 2100 (7600) J/(kg K), der spezifischen Wärme bei konstantem Druck.

Mit der Strömungsgeschwindigkeit

v = (Vd (Hd)/3600 s)/n n r ² = (19,4 (0,29)m ³ /3600 s)/ 8,5 10 ^"5 m ² = 63(1 1) m/s nach Gl. 2, für U = 3000/min der DKM, ergibt sich der Druckverlust in dem Röhrchen-26 Bündel zu

Δρ = λ ^' (1/2Γ) p/2 ν ¹ · ⁷⁵ , (10) πώ ^' = 0,3164/Re ⁰ ' ²⁵ .

Mit der Dichte p = 1 ,54(100) m ³ /kg ergeben sich die dimensionslose Kenngrößen zu

Re = 13.000(53.000) und Pr = 0,84(4,7) und eingesetzt in die Gin. 9 und 10 ergeben sich für den H-Od (EbOHd) Dampf ein Druckverlust Δρ bzw. eine Temperaturdifferenz ΔΤ von

Δρ = 0,1(0,46) bar und ΔΤ = 25(4)°C.

Für den WT2/KAT können die Werte ΔΤ für die mit der BM Version (1) betriebene WNV noch unter in Kaufnahme von höheren Δρ Werten reduziert werden, insbesondere durch Verkleinerung des Rohrradius r und durch simultane Verlängerung der Gesamtlänge L und ggf. durch Vergrößerung von n, wobei der Volumeninhalt des betreffenden Wärmetauschers konstant gehalten wird.

Für die anderen BM Versionen und die entsprechenden WT ^' s ist die Dimensionierung viel freier gestalt- und optimierbar, insbesondere im Hinblick auf die gleichzeitige Verwendung des WT2 als Katalysator KAT bzw. der optimalen Ausnutzung der Abgas-(13)wärme für die BM Gemische ((2)), (3) und ((4)). Für den HbOHd Hochdruckdampf sind die Verhältnisse völlig unkritisch, da sowohl das kleine Δρ als auch das ΔΤ weit im vorgegebenen Rahmen von Δρ < 5 bar und ΔΤ < 30°C liegen und hier insbesondere der hohe Druck von p ~ 190 bar durch die Hochdruck- Flüssigkeitspumpe aufgebaut wird.

In Fig. 5 ist als Beispiel ein PGUD = 200 MW (ohne WNV) GuD Kraftwerk (mit WNV PGUD+WNV = 234 MW) mit einer Gasturbine GT4, befeuert z.B. durch einen Gas- oder Öl-(55) brenner 54, mit Verdichterturbine 52 gezeigt, welche den Abgasstrom 13 zum Betrieb einer Hoch- HD DT3 und einer Mitteldruck Dampfturbine MD DT3 ' (und ohne WNV mit einer Niederdruck ND DT3 ' ') erzeugt.

Die GT4 wird direkt beschickt mit dem bis zu 1250°C heißen Abgas 13 der Feuerungsanlage 54 und erbringt mit PGT = 134 MW circa zwei Drittel der Leistung der GuD Anlage, das restliche Drittel von PGT = 66 MW würde von den DT3,3 ^' ,3 " ohne WNV erbracht.

An die beiden DT 's, die HD DT3 und die MD DT3, ist anstelle der ND DT3 ^" eine WNV angekoppelt, hier als Beispiel bestehend aus

fünf großvolumigen Zweischeiben Drehkolbenmaschinen DKM, welche die

Maße A = 1100 mm und B = 450 mm, vergleiche Fig. 3, bei einer Drehzahl von

U = 1500/min aufweisen.

Von den fünf DKM ^' s ist nur eine schematisch als DM0/ P5, DM1 und DM2, als den drei

Komponenten der WNV, in Fig. 5 a eingezeichnet.

Jede der fünf DKM ^' s fördert bei einem Transportvolumen von VT = 85 Liter nach Gl. 2

Vd/s = VT x 1500/min/60 x 1 ,5 = 3,2 m ³ /s

Was mit einer H20d Dampfdichte von pd = 4 kg/m ³ , eine geförderte H20d Masse von

md/s = 5 x 3,3 m ³ /s x 4 kg/m ³ = 64 kg/s

für alle 5 DKM ^' s entspricht, siehe unten.

Der Einsatz von großvolumigen Drehkolbenmaschinen DKM bis zu einem Zylinderdurchmesser von A = 100 cm, für die Bemaßung siehe Fig. 3, ist möglich und wurde von Curtis- Wright und Ingersoll Rand unter Beweis gestellt, wobei die hier genutzten, kontinuierlicheren Verdichtungs- und Entspannungsvorgängen einfacher kontrolliert werden können als die explosionsartigen Verbrennungsvorgänge beim Einsatz einer großvolumigen DKM als VM.

Weiterhin sind Wärmetauscher/Verdampfer, WT0" VD, WTl , WT2, WT3 und WT4, und ein Druckluftspeicher DLS 20 (ein Druckabgasspeicher DAS ist nicht eingezeichnet) mit Wärmeisolierung 53 zur Abspeicherung der Druckluft 10 ^' vorgesehen, damit die WNV durch Beschickung mit Atmosphärenluft 10 (oder Abgas 13) durch den Port 29 (über ein Dreiwegeventil 6) in umgekehrter Richtung als Luftverdichter LV1, LV2 und LV3 betrieben werden kann.

In einem Kondensationskühler 41 ^' , an dem als Fremdkühlung eine Abwärmeverwertung 42, z. B. eine Fernheizung, angeschlossen ist, wird das BM (11 , 1 1 ^' ) H20d,Hd nach Durchlaufen der DT3 und DT3 ^' sowie der drei DKM Komponenten für die BM Version (3) in Gänze verflüssigt.

Für die BM Version (1) mit der gestrichelten Leitungsführung in Fig. 5 b wird nur etwa drei Viertel des verfüssigt und das restliche Viertel direkt als H20d Dampf dem Kreislauf wieder zugeführt, ggf. durch Ansaugen mit einer Venturi Strahlpumpe 34 im Dampfstrom ausgangs der DT3, um Druckunterschiede auszugleichen.

Drei Dreiwegeventile 6 erlauben das elektro-magnetische Umschalten zwischen den verschiedenen Funktionen der WNV. Über zwei Druckminderer 17 und 17 ^' können sowohl die WNV als Booster, als auch die Feuerungsanlage 51 und damit die GT4, unter Abkoppelung des Turbinenverdichters 52 über eine Kupplung 57, mit der Druckluft 10' aus den DLS 20 betrieben bzw. beschickt werden.

Für der BM Version (3) wird die WNV mit der Schaltung, wie in Fig. 5 a eingezeichnet, betrieben, was auch für die GT + DT Anlage die größte Zusatzleistung im WNV Normalbetrieb ergibt.

Das Besondere daran ist, dass der Hochdruckdampf HbOHd mit p = 190 bar und T = 530°C, erzeugt durch eine Hochdruckpumpe 27 für Η_Οη aus dem Kondensationskühler 41 ^' und durch Erhitzung im ersten Wärmetauscher WT0 ^" und dann im WT3, die am Ende bzw. ganz vorn direkt hinter der PM im Abgasstrom 13 angeordnet sind, in alle drei Einheiten, die HD DT3, die MD DT3 ^' und die DM0, an den Punkten 14 verzweigt, geregelt und in der Regel so dosiert (7') mit je einem Drittel eingeleitet wird.

Die DT3 wird nur mit dem Drittel des H20Hd Hochdruckdampfes betrieben, während die DT3 ^' mit dem zweiten Drittel, also dann einem 1 : 1 Gemisch aus H2ÜHd und H20d und die WNV mit dem letzten Drittel des H2ÜHd, also einem 1 : 2 Gemisch aus H2ÜHd und HbOd gefahren werden, indem jeweils der entstehende H20d Heißdampf in die nächste Stufe der Kette weitergeleitet wird.

In der BM Version (3) wird der gesamte expandierte H2Üd Dampf für die WNV Anlage am Ausgang der MD DT3 ^' , mit ca. p ~ 8 bar, entsprechend 1/p = 0,25 m ³ /kg und T = 190°C, abgezweigt, und anstelle einer weiteren Niederdruck ND DT 3 ' ' Stufe, dem WNV

BM Kreislauf zugeführt und von den hier als Beispiel eingesetzten fünf parallelen

geschalteten DKM 's , der ersten Komponente der WNV, der DM0, angesaugt.

Dieser hohe Anfangsdruck p ~ 8 bar ist nötig, um einen hohen Massentransport von

Amd/At = 64 kg/s H20d durch die fünf DKM's zu erreichen.

Die 1 : 1 Mischung von Η2θ™ + H2Üd erfolgt am Eingang der DT3 ' ähnlich wie in einem

(Stau-)Strahltriebwerk und in der DM0 durch getaktetes Einspritzen in die untere Kammer der ersten DKM Scheiben nach Schließen des Einlasses 18 durch die Drehung des Drehkolbens

(25), der damit wieder die Funktion eines Rückschlagventils übernimmt.

Das Einspritzen in die DM0 kann über Hohlkegel- oder auch Ultraschalldüsen (in Fig. 5 nicht gezeichnet) zur starken Aufweitung erfolgen, damit es durch den Hochdruckdampfstrahl

H2ÜHd mit p = 190 bar nicht zu einer Abtragung des Drehkolbens kommt.

Die großen Vorteile der Nutzung des Gemisches, H2ÜHd + H20d, für die beiden Einheiten, die

DT3 ^' und die WNV, anstelle einer ND DT, wurde schon bei der Fig. 3 a und in der Einleitung eingehend diskutiert.

Hier wirkt sich wieder als erster Vorteil aus - auch im Vergleich zu einer reinen DT3,3 ',3 " Kombination -, dass nicht nach jeder Entspannungsstufe ein Teil des BM's kondensiert und verflüssigt werden muss, sondern nur einmal am Ende der ganzen Kette. Damit erspart man Wärmeenergie aus dem Abgasstrom 13, die dann für eine Erhitzung des BM auf höhere Temperaturen oder Präparation einer größeren BM Menge zur Verfügung steht.

Der zweite Vorteil besteht in der Nutzungsmöglichkeit der WNV als Luft-/ Abgasverdichter und als Booster.

Die Berechnung der Leistung der GuD Anlage mit nachgeschalteter WNV Anlage in der hier verwendeten BM Version (3) wird analog zu der für den Verbrennungsmotor VM 2 durchgeführt, und das entsprechende T-S Diagramm ist als Kreiszyklus für die WNV, DM0, DM1 und DM2, in Fig. 2 d in eingezeichnet. Tab. 2: Werte für den Kreiszyklus einer WNV mit einer Dampfturbine DT und dem BM Gemisch (3), Hochdruckdampf EbOHd plus Heißdampf H20d

H2ÜHd mOd eff.Enthalpie- änderung

DT/WNZ Komp. p/bar T/°C p/bar T/°C Tm/°C AHeff Einheit

HD DT3 190 530 383 x 0,5 kJ/kg

MD DT3 ' 190 530 35 447 500 502 kJ/kg

71 * kJ/ke

573 x 1 kJ/kg

DM0 190 530 0,95 350 440 42* kJ/kg

DM1 15-7,5 440-300 172 kJ kg

DM2 7,5- 1 300-100 333 kJ/ke

547 x 1,5 kJ/ke

Summe 1585)x64 kg/s kJ/kg

PDT+WNV 101 MW

AQ/At . 153 MW ηρτ+WNV = PDT+WNv/(AQ/At) 0,51

Die entsprechenden Zahlenwerte für die BM 11, 1 1 ^' (3): H20d + H2ÜHd werden aus der Summe der AHeff Werte berechnet, unter Abzug des Leistungsverbrauchs der Hochdruckpumpe HP mit PHP = 18 kJ/kg x 64 kg/s = 1 ,2 MW von der Leistung der DT3,3 ^' mit WNV

Anlage abgezogen, sodass sich multipliziert mit dem Massenstrom Am/At = 64 kg/s eine Gesamtleistung von PDT+WNV = 101 MW für die DT + WNV ergibt.

Die Leistung der GT + DT Anlage erfährt durch die WNV eine Steigerung um

Pvwv = 35 MW auf

PGT+DT+WNV = 234 MW,

also um 18%, die Leistung der DT3,3 ^' wurde um 53% angehoben.

Die mit einem * gekennzeichneten AHeff Werte resultieren wieder aus der Volumenarbeit gemäß Gl. 6 durch den Eintrag des H20Hd Hochdruck- in den H20d Heißdampf sieheTab. 1. Für die implizite Erhöhung der Enthalpiewerte das Gemisch H20d + H20Hd, siehe das T-S Diagramm in Fig. 2 d.

Die jeweiligen Anteile der nach dem WT3 zur Verfügung stehenden Menge Η2θ™, die an den Verzweigungspunkten 14 an die drei Verbraucher abgezweigt werden, können um die Sollwerte, ein Drittel, variiert und durch eine elektronische Steuerung für die jeweilige Leistungsanforderung an die Kombianlage optimiert werden.

Aus dem Quotienten von PDT+WNV und der zugeführten Wärmeenergie pro Zeiteinheit AQ/At ergibt sich ein gemeinsamer Wirkungsgrad für DT +WNV von

DT+WNV = 0,51.

Für den gemeinsamen Wirkungsgrad T|GUD+WNV des GuD Kraftwerkes mit WNV erbringt diese Kombination mit der zweistufigen DT3,3 ' somit eine Erhöhung des Wirkungsgrades auf ηGuD+WN = ηGT + ηwü ηDT+WNv(l - ηστ) = 0,45 +0,85 x 0,51(1-0.45) = 0,69 (11) also auf fast als 70%, wobei für die GT4 T\GT = 0,45 angenommen und der Wärmeübertrag in den WT's vom Abgas 13 der GT4 auf die BM (1 Γ, 1 1) mit einem Wirkungsgrad von

nwü = 0,8 eingerechnet wurde. In Fig. 5 b ist mit der gestrichelten Leitungsführung schematisch die Schaltung für einen Betrieb der WNV mit dem einkomponentigen BM nach Version (1): FkOd gestrichelt eingezeichnet. Diese Version entspricht der für den VM2, die in Fig. 3 b dargestellt und dort eingehender beschrieben wurde. Dabei kann die Temperatur T und damit der FteOd Dampfdruck pd in dem Kondensationskühler 41 ' variiert und an den ausgangs der DT3 ^' angepasst werden.

Als Ergebnis einer analog zu oben durchgeführten Rechnung ergibt einen Wirkungsgrad von

T|DT+WNV = 0,47

woraus sich für die Gesamtleistung der GT + DT + WNV ein Wirkungsgrad ergibt zu

T|GuD+WNV = 0,67.

Die als DKM vorgesehene WNV Kombianlage ist darüber hinaus nicht so empfindlich auf Tröpfchenbildung bei der Entspannung des FhOd wie die Dampfturbinen DT 3, 3 '(3 "), deshalb kann ggf. die Entspannung des FL-Od BM 11 bis (weit) in den Zweiphasenbereich, HbOd + FfeOfi hinein erfolgen. Bei einer DT würden bei einem FhOfi Anteil von (1 - x) > 0,12 Schäden an den Turbinenschaufeln durch Erosion auftreten.

Der weitere große Vorteil der WNV Kombination besteht darin, dass sie in verbrauchsschwachen Zeiten durch Umschalten von drei Dreiwege- Ventilen 6 als mehrstufiger Luftverdichter LV (oder Abgasverdichter AV) eingesetzt wird, der über einen Einlass 29 Atmosphärenluft 10 (oder Abgas 13) ansaugt, siehe Fig. 1 und vergleiche Fig. 3, zum Aufladen eines hier großvolurnigen Druckluftspeichers DLS 20 ( Druckabgasspeichers DAS 50) der (die) mit einer Wärmeisolation 53 umgeben ist (sind). Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, bleiben zumindest der Abgas 13 Wärmetauscher WT2 (und ggf. auch der WT1) in dem LV Strömungsverlauf und zwischenheizen somit auch die komprimierte Luft 10 ^' .

Zur Booster Funktion, siehe unten.

Mit der abgespeicherten, erhitzten Druckluft 10 ^' (dem Druckabgas 13 ^' ) kann dann über einen regelbaren Druckminderer 17 die WNV Anlage selbst und/oder die GT4 ohne oder mit reduzierter betrieben werden.

Die DKM hat also auch hier wieder die drei oben beschriebenen Funktionen.

In Spitzenlastzeiten kann die Boosterfunktion der WMV Anlage gekoppelt werden mit dem Aufladen der GT4 mit der abgespeicherten Druckluft 10' aus dem DLS (20) über einen zweiten Druckminderer 17 ^' . Wird der Turbinenverdichter 52 der GT4 abgekoppelt, unter Wegfall des 40%igen Leistungskonsums, und unter Aufladung der mit Brennstoff 55 beschickten Feuerungsanlage 52 und der GT4 allein durch die Druckluft 10' aus dem DLS 20 kann die Leistung der GT4 + DT3,3 ^' Anlage mit der WNV Boosterfunktion für Spitzenlastzeiten sogar um fast zwei Drittel erhöht werden,

PGT+DT+WJVBOOSI/PGT+DT = (PGT/0,6 + PDT+WNV) /PGT+DT > 1,61,

vorausgesetzt, die GT4 ist konstruktiv für die höhere Leistungsabgabe ausgelegt, und die Kapazität des DLS 20 ist entsprechen groß.

Die Druckluftspeicherung wird heute schon in Gebieten, in denen kein Wasserspeicher- Pumpwerk möglich ist, mit hohen Wirkungsgraden eingesetzt.

Die DKM hat wieder die Vorteile:

- drei Ansaug-, Kompressions- und Ausstoßtakte pro Umdrehung, mit hier getrennter Nutzung der unteren und der oberen Zylinderkammer 22, 22',

- keine Ventile, und

- im Vergleich mit Hubkolbenmaschine höhere Drehzahlen möglich, und damit ein inhärent hohes Leistungs-/V olumenverhältnis gegeben. Die Problematik der Dichtleisten sollte mit den neuen Werkstoffen, SiC und ähnlichem, gelöst werden können.

Als Resümee kann gezogen werden, dass

- die WNV plus die verschiedenen Primärmaschinen (PM), mit den vorgesehenen BM Versionen allein durch die Nutzung der Abwärme der PM, Wirkungsgrade von

0,41 < η ρΜ +wNV > 0,59 bis 0,69 erreicht werden, für die PM, den VM2 bzw. die GT4 + DT3 oder den Brenner BR9, ohne Einrechung der weiteren Nutzungsmöglichkeiten der WNV

- die Leistung eines VM2 um Faktoren 1,59 bis zu 2.3 und

die einer GuD Anlage um Faktoren 1,23 bis zu 1,7 gesteigert werden können, wobei die ersten Werte unter Normaleinsatz und die zweiten unter Nutzung der WNV als Booster erreicht werden,

teilweise ohne große bzw. mit konstruktiven Änderungen, die an den PM's vorgenommen werden müssen.

Eine Nachrüstung ist auch im Falle der GT + DT Anlagen denkbar.