EP2668374A2 - Wärmekraftmaschine - Google Patents

Wärmekraftmaschine

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EP2668374A2
EP2668374A2 EP12703950.1A EP12703950A EP2668374A2 EP 2668374 A2 EP2668374 A2 EP 2668374A2 EP 12703950 A EP12703950 A EP 12703950A EP 2668374 A2 EP2668374 A2 EP 2668374A2
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EP
European Patent Office
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cylinder
pressure
piston
heat engine
engine according
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EP12703950.1A
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English (en)
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EP2668374B1 (de
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Walter Loidl
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Individual
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Publication of EP2668374A2 publication Critical patent/EP2668374A2/de
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Publication of EP2668374B1 publication Critical patent/EP2668374B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F01K27/005—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for by means of hydraulic motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide

Definitions

  • the present invention relates to a heat engine, in particular for the low-temperature operation for the utilization of solar heat, waste heat from biological or industrial processes or the like, with:
  • At least two cylinder-piston units each containing a strain fluid under a biasing pressure, which changes its volume with a temperature change and thus moves the piston
  • control means controlling the heat supply means for alternately heating and cooling each expansion fluid to thereby move the pistons
  • Such a heat engine is known from WO 2009/082773.
  • Effective expansion fluids often require a certain bias pressure to exhibit a significant coefficient of expansion in the desired operating temperature range.
  • An example of this is liquid carbon dioxide, which under a pressure of about 60 - 70 bar when heated from 20 ° C to 30 ° C its volume changes by about 2.2 times.
  • the common biasing fluid establishes a common, uniform biasing pressure in all of the cylinder-piston units by directly communicating with each other those cylinder chambers which face the cylinder chambers with the expansion fluids.
  • the common biasing fluid achieves variable, dynamic coupling of the cylinder-piston units.
  • the work of the cylinder-piston units is mechanically transferred to working pistons via piston rods. wear, which act on a common working fluid circulating in a hydraulic load circuit via check valves.
  • the invention has the aim of simplifying the decoupling of the work from the cylinder-piston units of a heat engine of the type mentioned initially and thus to further increase their efficiency.
  • biasing fluid is guided from the cylinder-piston units via first check valves to an input and via oppositely directed second check valves to an output of a hydraulic load in which it is subject to a pressure drop between input and output,
  • control device is equipped with a first pressure gauge for the pressure of the biasing fluid at the outlet of the load, and
  • control device controls the heating and cooling phases of the heat supply device at least in dependence on the measured output pressure in order to keep it within a predetermined first range
  • expansion fluid contains liquid carbon dioxide and the lower range limit of said predetermined first range is greater than or equal to the condensing pressure of carbon dioxide at the operating temperature.
  • Liquid carbon dioxide is due to its high thermal expansion coefficient at room temperature, especially for operation of the heat engine in the low temperature range for the use of solar heat, waste heat from biological or industrial processes or the like.
  • carbon dioxide resulting from combustion processes can be used for useful secondary recycling, in which it does not cause any greenhouse effect that is harmful to the environment.
  • the heat engine of the invention thus also makes a contribution to the bypass-friendly C0 2 sequestration in the sense of a "Carbon Dioxide Capture and Storage” (CSS) process.
  • CCS Carbon Dioxide Capture and Storage
  • the biasing fluid is used simultaneously as a working fluid and vice versa:
  • a pressure difference can be obtained, which directly used for driving a hydraulic load and can be converted into mechanical work there.
  • the control of the heating and cooling phases as a function of the measured output pressure of the hydraulic load see ensures that the biasing pressure reaches the required minimum biasing pressure for the operation of the expansion fluid at its low pressure level in any case.
  • Said first predetermined range is selected so that its lower range limit is above the minimum biasing pressure of the expansion fluid.
  • Number of cylinder-piston units, which are in the cooling phase at the same time increases when the output pressure falls below the predetermined first range, and decreases when the output pressure exceeds the predetermined first range. This allows the operation to be adapted to extremely fluctuating environmental conditions. For example, in the low-temperature morning or evening hours of a solar system, approximately the same number of cylinder piston units can be operated in the heating and cooling phases, whereas in the midday heat few are rapidly heated
  • Cylinder-piston units face many slow-cooling cylinder-piston units.
  • the fine adjustment control device can also shorten or lengthen each individual heating and / or cooling phase in order to control the output. gear pressure within the predetermined first range.
  • control device is equipped with a second pressure gauge for the pressure of the biasing fluid at the input of the load and controls the heating and Abksselphasen the heat supply device also in dependence on the measured input pressure to this within a predetermined second range to keep.
  • the pressure difference for the hydraulic load can be controlled so that it corresponds to the pressure drop across the load or the work converted in the load is controlled by presetting the pressure difference.
  • the controller may preferably increase the number of cylinder-piston units that are at a time in the heating phase against the number of cylinder-piston units that are in the cooling phase at the same time when the input pressure falls below given second range, and decrease when the input pressure exceeds the predetermined second range.
  • control device can also individually shorten or extend the heating and / or cooling phases in order to keep the inlet pressure within the predetermined second range.
  • the inlet pressure is always above the outlet pressure due to the pressure drop across the hydraulic load, it may be provided in a simplified embodiment that the first and second areas are equal, resulting in a minimum limit for the outlet pressure and a maximum limit for the inlet pressure.
  • the predetermined second area may be overlapping, then or at a distance from the first area, around individual minimum and maximum limits for the control of the inlet and outlet Building outlet pressures.
  • the two areas are at a distance from each other.
  • the lower limit of the second range differs from the upper limit of the first range by approximately the pressure drop across the load, so that a minimum pressure difference can be guaranteed for the load.
  • the biasing fluid may be of any kind per se, for example compressed air.
  • the biasing fluid is particularly preferably hydraulic fluid, resulting in a force-fitting and reliable pressure coupling. Preference is given to the input of the hydraulic load, a first elastic buffer and / or connected to the output of a second elastic buffer for the biasing fluid, so that short-term pressure fluctuations during switching operations or with tax-neungsungswendigen individual shortening or extensions of the heating and cooling phases temporarily absorbed can be.
  • the loading of the pistons with the biasing fluid can be carried out in various ways, for example by mechanical coupling of separate hydraulic biasing cylinders to the cylinder-piston units.
  • the pistons of the cylinder-piston units are preferably designed as double-acting pistons, on one side of which the expansion fluid acts and on the other side of which the prestressing fluid acts, which results in a particularly simple construction.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the heat supply device for each cylinder-piston unit comprises a flowed through by a heat transfer medium heat exchanger, which is provided with a controlled by the control device check valve.
  • the control device check valve By simply opening and closing the check valves, the times and durations of the heating phases can be specified, between which then the cooling phases arise.
  • the cooling phases can be accelerated if the heat supply device preferably also has a device for forced comprise cooling of the expansion fluids in the cooling phases.
  • the heat transfer medium is under pressure in the heating phase and the forced cooling device has a controllable pressure relief device for each heat exchanger.
  • the heat transfer medium can be used simultaneously as a coolant, by causing it to cool down by releasing pressure.
  • the pressure relief device comprises a negative pressure buffer, which can be connected via a controllable switching valve to the heat exchanger, whereby a sudden relaxation and thus particularly rapid cooling can be achieved.
  • the cylinder-piston units can be equipped with their own device for forced cooling of the expansion fluids in the cooling phases, which is controlled directly by the movement of their pistons.
  • a forced cooling device for the cylinder-piston units comprises:
  • auxiliary cylinder piston unit driven by the cylinder-piston unit and having at least one cylinder space
  • the container is connected via at least one by the piston movement of the cylinder-piston unit freewheelable check valve with said one cylinder chamber.
  • the hitherto closed non-return valve is forcibly opened by appropriate control and the evaporation agent expands abruptly in the one auxiliary cylinder chamber, cools down thereby causing a forced cooling of the expansion fluid, which supports the retraction of the piston or accelerated.
  • the container Preferably, provision is made for the container to be in fluid communication with the said one cylinder chamber of the auxiliary cylinder-piston unit via the other cylinder chamber and, downstream of it, the non-return valve.
  • the evaporation agent is compressed during the retraction movement of the cooling expansion fluid, remains in the extended state in the compressed state and then relaxes abruptly by the forced opening of the check valves in the end position of the extension movement.
  • the container is preferably directly - i. not over the other cylinder space - via the check valve with said one cylinder space of the auxiliary cylinder piston unit in flow connection.
  • the check valve is arranged directly in the piston of the auxiliary cylinder-piston unit and controlled by the striking of the piston in its one end position, resulting in a very compact design.
  • Cylinder-piston unit is axially assembled with its auxiliary cylinder-piston unit, with their pistons are connected to each other via a piston rod.
  • the container is carried by the piston of the cylinder-piston unit and the flow connection from the container to the cylinder chamber (s) passes through the piston rod, resulting in a very compact construction and trouble-free integration of the forced cooling device using a minimum number - Moving parts achieved in the cylinder-piston units.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a heat engine of the invention with four cylinder piston units;
  • Figures 2a to 2c are timing diagrams of the control of the heat supply means and the resulting piston movements of the machine of Figure 1;
  • FIG. 3 shows a block diagram of a practical embodiment of a heat engine according to the invention with two exemplary cylinder-piston units
  • 4a and 4b are schematic diagrams of two different embodiments of cylinder-piston units with integrated auxiliary cylinder piston units as Zwangsabkühlein- direction.
  • Fig. 1 shows a heat engine 1 with four cylinder piston units 2-5.
  • Each cylinder piston unit 2-5 has a cylinder 6 in which a piston 7 between a retracted position (shown at 2) and an extended position (shown at 5) can move.
  • the space 6 'in the cylinder 6 to the left side of each piston 7 is completely occupied by an expansion fluid 8.
  • the expansion fluid 8 has a high coefficient of thermal expansion and expands when heated to move the piston 7 from the retracted to the extended position, or contracts as it cools to move the piston 7 back again.
  • a mechanical stirring means (not shown) for the expansion fluid 8 can be arranged to improve the heat conduction therein.
  • the expansion fluid 8 is liquid
  • Carbon dioxide (C0 2 ) which at room temperature has a condensing pressure of about 65 bar.
  • Liquid C0 2 shows in the range of 20 ° C to 30 ° C, a thermal expansion by about 2, 2 times.
  • the piston 7 is biased or biased with a biasing pressure greater than or equal to the condensing pressure in the direction of the expansion fluid 8.
  • the biasing pressure is exerted by a biasing fluid 9 acting in the space 6 "to the right side of each piston 7, ie, the side of each piston 7 facing away from the expansion fluid 8.
  • the biasing fluid 9 - preferably a hydraulic oil - circulates in all the cylinder-piston units 2-5 common hydraulic circuit, which includes a hydraulic load 10.
  • the hydraulic load 10 is in for example a hydraulic motor with an input 11 'and an output 11 ", which is flowed through by the biasing fluid 9 and the kinetic energy of the biasing force 9 in mechanical work for an output shaft 11 111 converts.
  • a pressure drop ⁇ occurs between the input 11 'and the output 11 "of the load 10.
  • any other type of hydraulic load 10 which can be driven with a pressure gradient ⁇ could also be used, as known in the art.
  • the biasing fluid 9 is led from the cylinder-piston units 2-5 via a set of first check valves 12 'and a first manifold 13' to the input 11 'of the load 10, and from its output 11 "via a second manifold 13" and a set second Check valves 12 "back to the cylinder chambers 6" of the cylinder-piston units 2 - 5.
  • Each individual cylinder-piston unit 2 - 5 is thus a first, in the direction of the space 6 "to the input 11 'back and in the reverse direction blocking check valve 12' assigned, as well as a from the output 11 "to the room 6" out, in the reverse direction blocking second check valve 12 ".
  • the prestressing fluid 9 When a piston 7 (arrow 14 ') is extended, the prestressing fluid 9 thus establishes a first pressure level pi at the inlet 11' of the load 10 (inlet pressure) via the first check valves 12 'and the first manifold 13', so to speak as "working fluid” Retraction of the piston 7 (arrow 14 ") closes the respective first check valve 12 'and opens the respective second check valve 12", so that the reduced by the pressure drop ⁇ second pressure level p 2 from the output 11 "of the load 10 (" output pressure ") via the second manifold 13 "into the respective back-acting cylinder piston units 2-5 and biased the expansion fluid 8.
  • the pressure of the biasing fluid 9 in the spaces 6 "of the cylinder-piston units 2 - 5 therefore oscillates between the input pressure (upper level) pi during extension (arrow 14 ') and the outlet pressure (lower level) p 2 during retraction (arrow 14 ").
  • the lower pressure level, the output pressure p 2 , the biasing fluid 9 in any phase of movement 14 ', 14 "the necessary operating pressure for the biasing fluid 9, eg the liquefaction pressure of liquid C0 2 , below and at the same time the desired or required pressure difference ⁇ Pi - P 2 is maintained at the load 10.
  • a first elastic intermediate store 15 ' can be connected to the input 11' or the collecting line 13 ', for example a pressure container with gas filling and / or with an elastic membrane 15 in order to buffer short-term pressure fluctuations.
  • a second such elastic intermediate store 15 "to the output 11" or the collecting line 13 " it is also possible to connect a second such elastic intermediate store 15 "to the output 11" or the collecting line 13 ".
  • the heating of the expansion fluids 8 in the cylinder-piston units 2 - 5 is caused by means of a controllable heat supply means 16 - 20.
  • the heat supply device 16 - 20 comprises a heat exchanger 16 for each cylinder-piston unit 2 - 5, which contacts the expansion fluid 8 in a heat-conducting manner and in which a heat transfer medium 17 circulates.
  • the heat transfer medium 17 is e.g. heated by a solar panel 18 in a heat transfer circuit 19 (returns in Fig. 1 for the sake of clarity not shown).
  • the heat exchangers 16 may be of any type known in the art; Preferably, they are equipped with heat pipes for promoting the heat exchange and for the rapid and uniform distribution of the heat supplied in the expansion fluids 8.
  • Each heat exchanger 16 is provided with a controllable check valve 20.
  • the check valves 20 are alternately and intermittently opened by a central control means 21 to alternately heat and cool each cylinder-piston unit 2-5, thereby alternately expanding and contracting the expansion fluids 8 in the cylinders 6 and thus ultimately pushing the pistons 7 back and forth to move here.
  • the piston movements are synchronized via the biasing fluid 9 circulating in the hydraulic circuit 10 - 13, in that the biasing fluid 9 flowing back from the outlet 11 'via the second check valves 12 "also assists and forces the retraction movement (arrow 14").
  • the control device 21 actuates the check valves 20 as a function of measured values of the inlet pressure pi and preferably also of the outlet pressure p 2 which it receives from corresponding pressure gauges 22 ', 22 "which are connected to the inputs 11', 11" or their manifolds 13 ',
  • a first, primary control target of the control device 21 is to keep the outlet pressure p 2 within a first predetermined range P2, min / P2, max, which is determined in particular by the minimum biasing pressure for the expansion fluid 8, eg (temperature-dependent) about 50 - 60 bar with liquid carbon dioxide in the temperature range 20 - 50 ° C.
  • the lower limit p 2 , min of the first range is determined by the required minimum biasing pressure.
  • control objectives of the control device 21 may be that at the same time care is taken that the input pressure pi is within a predetermined (second) range Pi, min, Pi, max.
  • the first and second regions may be identical or partially overlapping or immediately adjacent to or spaced apart, in which latter case the output pressure p 2 is in a lower region (pressure band) and the input pressure pi is in an upper region (pressure band) ,
  • the control device 21 can also control the pressure drop ⁇ of the load 10 in further control targets, see optional control line ei.
  • the pressure ranges of input and output pressures pi, p 2 that can be achieved on the basis of the current temperature conditions can be used to calculate a useful pressure difference pi-p 2 and set this as the default for the pressure drop ⁇ at the load 10.
  • the stated control objectives of the control device 21 are primarily with a control of the number of cylinder piston units 2 - 5, which are currently in the heating phase at a certain time, in relation to the number of those other cylinder piston units 2 - 5 , which are currently in the cooling phase at this time, achieved, as will now be explained in more detail with reference to FIG. 2.
  • FIG. 2 a shows a first operating state of the heat engine 1 for ambient conditions in which the cooling phase of the expansion fluid 8 is about three times as long as the heating phase, for example because the temperature of the heat transfer medium 17 is high and causes a rapid heating.
  • the check valves 20 are cyclically opened for about a quarter of the stroke period, respectively. As can be seen, are located at a given time always a cylinder-piston unit 2-5 in the heating phase and three others in the cooling phase, ie the ratio of expanding cylinder-piston units 2-5 to contracting cylinder-piston units 2 - 5 is 1: 3 here.
  • 2 b shows a second operating state of the heat engine 1, in which the check valves 20 are opened cyclically for a half-stroke period in each case.
  • the ratio of cylinder-piston units 2-5 in the heating phase to cylinder-piston units 2-5 in the cooling phase here is 2: 2, which means approximately equal warm-up and cool-down phases, e.g. because of reduced heat, takes into account.
  • control device 20 is in the third operating state of Fig. 2c, in which the ratio of cylinder piston units 2 - 5 in the heating phase to cylinder piston units 2 - 5 in the cooling phase. 3 : 1 is.
  • the operating state Figure 2a, Figure 2b and Figure 2c is adjusted depending on the controller 21 by the output pressure p 2 (and optionally also dependent on the input pressure p) falls below the output pressure p 2 a predetermined lower Gren- ze p 2, min of its first range, in particular the liquefaction pressure of the expansion fluid 8 at the current operating temperature, the ratio of cylinder-piston units 2 - 5 in the heating phase to cylinder-piston units 2 - 5 is gradually increased in the cooling phase, eg 1: 3 -> 2: 2 -> 3: 1; If the output pressure p 2 exceeds a predetermined upper limit p 2 , ma x, eg the condensing pressure plus a hysteresis threshold, then this ratio is successively reduced, eg 3: 1 -> 2: 2 -> 1: 3.
  • control may be extended to any number of cylinder-piston units 2-5, for example to 3, 5, 6, 7, 8, 12, 24, etc. cylinder-piston units. The more cylinder-piston units are available, the finer graduated the control can be done.
  • control device 21 can additionally shorten or lengthen each individual heating or cooling phase, for example by offsetting the beginning ti of a heating phase and / or the beginning t 2 of a cooling phase or changing the duration t 2 -ti. If heating or cooling phases of different cylinder-piston units 2 - 5 overlap in a short-term manner in a ratio (1: 3, 2: 2, 3: 1) that is greater or smaller than that selected with the aid of the aforementioned primary control, can corresponding short-term pressure fluctuations of the output pressure p 2 and inlet pressure pi by means of the buffer 15 ', 15 "in the hydraulic circuit 10 - 13 are temporarily absorbed.
  • control device 21 can only perform the latter fine adjustment, with a corresponding restriction regarding exploitable operating conditions.
  • FIG. 3 shows a concrete realization and further development of the heat engine 1 of FIG. 1, wherein for the sake of clarity only two cylinder piston units 2, 3 are shown in place and the control device 21 with its measuring and control lines is not shown.
  • a pump 23 conveys heat transfer medium 17, for example Refrigerant R 123 from Hoechst, from a supply 24 via a line 25 to the solar panel 18, from there via the line 19 and the check valves 20 to the heat exchangers 16, and There, via switching valves 26 and a return line 27 back to the reservoir 24.
  • the right check valve 20 is just opened and the left check valve 20 is closed, so that the right cylinder-piston unit 3 in the heating and Expansion phase and the left cylinder-piston unit 2 is in the cooling and contraction phase.
  • the heat supply device 16-20 also comprises a device for forced cooling of the expansion fluids 8.
  • the forced cooling device may be, for example, an optional feed path 28 for non-heated heat transfer medium 17, in order to provide it as shut-off valves 20 designed as a multi-way valve in the cooling phases in FIG to feed the heat exchanger 16.
  • separate heat exchangers could be used for a separate cooling medium (not shown).
  • the forced cooling device preferably comprises a controllable pressure relief device which, after closing the shutoff valve 20, relaxes the heat transfer medium 17 which is still under the delivery pressure of the pump 23 via the switching valve 26 to a negative pressure intermediate store 29.
  • the negative pressure in the vacuum buffer 29 is established via a suction line 30 from a Venturi -Ej ector 31 which is continuously fed via a line 32 by the pump 23 with heat transfer medium 17 in a circle. Due to the sudden expansion of the heat transfer medium 17 after the opening of the switching valve 26, the heat transfer medium 17 evaporates and thereby cools the expansion fluid 8 via the heat exchanger 16.
  • FIGS. 4a and 4b each show a further embodiment of a forced cooling device for the expansion fluids 8, which can be used alternatively or in addition to the aforementioned forced cooling device.
  • the forced cooling device of FIGS. 4a and 4b is in each case integrated directly into one of the cylinder-piston units 2-5, and FIGS. 4a and 4b respectively show, by way of example, a cylinder-piston unit 2 equipped in this way.
  • the cylinder-piston unit 2 is assembled with an auxiliary-cylinder-piston unit 40 which has a cylinder 41 and a piston 42.
  • the piston 42 of the auxiliary cylinder-piston unit 41 is mechanically driven e.g. driven by a piston rod 43 of the piston movement of the cylinder-piston unit 2.
  • the cylinders 6 and 41 may be assembled together axially next to each other.
  • a container 44 containing an evaporation means 45 which is in the operating position shown, for example up to a level 45 'liquid and above gaseous.
  • the interior of the container 44 is connected via a - formed here in the interior of the piston rod 43 - flow connection 46 with a cylinder chamber 47 of the auxiliary cylinder-piston unit 40 in flow communication.
  • the opposite cylinder space 48 of the auxiliary cylinder-piston unit 40 is initially empty in the operating position shown in FIG. during the upward movement of the piston 42 is formed in the space 48 increasing negative pressure or - as far as the piston seals allow - vacuum.
  • the two chambers 47 and 48 on both sides of the piston 42 of the auxiliary cylinder-piston unit 40 are connected to one another via one or more check valves 49 in fluid communication.
  • the check valves 49 are oriented to progressively compress the piston 42 as the negative pressure in the space 48 increases and the evaporation means 45 in the space 47, in the flow connection 46, and in the reservoir 44 progressively compresses is closed.
  • the expansion fluid 8 expands, the evaporation means 45 is thus compressed and progressively liquefied as the level 45 'rises while at the same time releasing negative pressure in the space 48.
  • Piston 42 controlled, u.zw. Forcibly open in their reverse direction when the piston 42 reaches its upper setting. For example, they are pushed open by corresponding pins or levers with which they strike against the inner end face of the cylinder 41. As a result, they are opened and the compressed, pressurized evaporation means 45 relaxes abruptly in the vacuum of the space 48, see arrows 50, whereby the evaporation means 45 abruptly cools. Through the heat-conductive connection of the container 44 to the expansion fluid 8 so that this is cooled abruptly and thus supports the cooling of the expansion fluid 8 and the retraction movement of the piston 7 and accelerated.
  • the check valves 49 open in their forward direction, so that the evaporation agent 45 is again displaced from the space 48 in the space 47, in the flow connection 46 and in the container 44.
  • the check valves 49 close again and the process starts again.
  • the compression, sudden relaxation (evaporation) and recompression of the evaporation agent 45 is a self-contained, closed cycle process, which positively supports the temperature circulation of the expansion fluid 8.
  • FIG. 4b differs from that of FIG. 4a in that the auxiliary cylinder-piston unit 40 has only one effective cylinder space 48, whereas the cylinder space 47 is open or unused, or eg additionally with a coolant (not shown) can be acted upon.
  • the container 44 is here via the flow connection 46 and a deflection 46 'thereof in the piston 42 directly to the Cylinder chamber 48 in flow communication, wherein the check valve 49 in the flow connection 46, for example, the deflection 46 'acts, in the same manner as in Fig.
  • auxiliary cylinder-piston unit 40 or the components required for this cyclic process could also be constructed separately from the cylinder-piston unit 2 and coupled to it via corresponding flow connections and mechanical couplings.
  • a larger number of cylinder-piston units could also be controlled in groups in groups in the same speed in order to control the circuit and control reducing effort;
  • the cylinders 6 of a synchronizing group of cylinder-piston units could also share a common heat exchanger 16 and / or a common expansion fluid 8.

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Description

Wärmekraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, insbesondere für den Niedertemperaturbetrieb zur Verwertung von Solarwärme, Abwärme aus biologischen oder industriellen Prozessen od.dgl., mit:
zumindest zwei Zylinder-Kolbeneinheiten, die jeweils ein unter einem Vorspanndruck stehendes Dehnungsfluid enthalten, welches bei einer Temperaturänderung sein Volumen ändert und so den Kolben bewegt,
einer Einrichtung zur individuell steuerbaren Wärmezufuhr zum Dehnungsfluid jeder Zylinder-Kolbeneinheit, und
einer die Wärmezufuhreinrichtung steuernden Steuereinrichtung, um jedes Dehnungsfluid abwechselnd zu erwärmen und abzu- kühlen und dadurch die Kolben zu bewegen,
wobei die Kolben der Zylinder-Kolbeneinheiten von einem gemeinsamen Vorspannfluid beaufschlagt sind, welches darin einen Vorspanndruck auf das jeweilige Dehnungsfluid ausübt.
Eine derartige Wärmekraftmaschine ist aus der WO 2009/082773 bekannt. Wirksame Dehnungsfluide erfordern häufig einen bestimmten Vorspanndruck, um im gewünschten Betriebstemperaturbereich einen signifikanten Dehnungskoeffizienten zeigen. Ein Beispiel dafür ist flüssiges Kohlendioxid, welches unter einem Druck von ca. 60 - 70 bar bei einer Erwärmung von 20°C auf 30°C sein Volumen um das etwa 2,2-fache ändert.
Bei der aus der WO 2009/082773 bekannten Wärmekraftmaschine errichtet das gemeinsame Vorspannfluid einen gemeinsamen, einheitlichen Vorspanndruck in allen Zylinder-Kolbeneinheiten, indem jene Zylinderräume, welche den Zylinderräumen mit den Dehnungsfluiden gegenüberliegen, direkt miteinander strömungs- verbunden sind. Das gemeinsame Vorspannfluid erreicht eine variable, dynamische Kopplung der Zylinder-Kolbeneinheiten. Die Arbeit der Zylinder-Kolbeneinheiten wird bei der bekannten Konstruktion über Kolbenstangen mechanisch auf Arbeitskolben über- tragen, die auf ein gemeinsames Arbeitsfluid wirken, das in einem hydraulischen Lastkreis über Rückschlagventile zirkuliert.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die Auskopplung der Arbeit aus den Zylinder-Kolbeneinheiten einer Wärmekraftmaschine der einleitend genannten Art zu vereinfachen und damit auch ihren Wirkungsgrad weiter zu erhöhen.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Vorspannfluid von den Zylinder-Kolbeneinheiten über erste Rückschlagventile zu einem Eingang und über entgegengesetzt ge- richtete zweite Rückschlagventile zu einem Ausgang einer hydraulischen Last geführt ist, in der es einem Druckabfall zwischen Ein- und Ausgang unterliegt,
die Steuereinrichtung mit einem ersten Druckmesser für den Druck des Vorspannfluids am Ausgang der Last ausgestattet ist, und
die Steuereinrichtung die Erwärm- und Abkühlphasen der Wärmezufuhreinrichtung zumindest in Abhängigkeit von dem gemessenen Ausgangsdruck steuert, um diesen innerhalb eines vorgegebenen ersten Bereichs zu halten,
wobei das Dehnungsfluid flüssiges Kohlendioxid enthält und die untere Bereichsgrenze des genannten vorgegebenen ersten Bereichs größer oder gleich dem Verflüssigungsdruck von Kohlendioxid bei der Arbeitstemperatur ist.
Flüssiges Kohlendioxid eignet sich aufgrund seines hohen Wärmedehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur besonders für einen Betrieb der Wärmekraftmaschine im Niedertemperatur-bereich zur Ausnützung von Solarwärme, Abwärme aus biologischen oder industriellen Prozessen od.dgl. Darüber hinaus kann damit aus Verbrennungsprozessen anfallendes Kohlendioxid einer nutzbrin- genden Sekundärverwertung zugeführt werden, in der es keinen umweltschädlichen Treibhauseffekt hervorruft. Die Wärmekraftmaschine der Erfindung leistet demgemäß auch einen Beitrag zur umweitschonenden C02-Sequestrierung im Sinne eines „Carbon Dioxide Capture and Storage" -Prozesses (CSS) . Das Vorspannfluid wird dabei gleichzeitig als Arbeitsfluid eingesetzt und umgekehrt: Durch Errichtung zweier Druckniveaus im Vorspannfluid, die über die genannten Rückschlagventile bei der Ausfahrbewegung (hoher Druck) und Einfahrbewegung (niederer Druck) der Kolben voneinander separiert sind, kann eine Druckdifferenz erhalten werden, welche direkt für den Antrieb einer hydraulischen Last verwendet und dort in mechanische Arbeit umgesetzt werden kann. Die Steuerung der Erwärm- und Abkühlphasen in Abhängigkeit von dem gemessenen Ausgangsdruck der hydrauli- sehen Last gewährleistet, dass der Vorspanndruck auch auf seinem niederen Druckniveau jedenfalls den erforderlichen Mindest-Vorspanndruck für den Betrieb des Dehnungsfluids erreicht. Der genannte erste vorgegebene Bereich ist dazu so gewählt, dass seine untere Bereichsgrenze über dem Mindest-Vorspanndruck des Dehnungsfluids liegt.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Wärmekraftmaschine der Erfindung weist zumindest drei Zylinder-Kol - beneinheiten auf und zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinrichtung die Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten, die sich zu einem Zeitpunkt in der Erwärmphase befinden, gegenüber der
Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten, welche sich zum selben Zeitpunkt in der Abkühlphase befinden, erhöht, wenn der Ausgangsdruck den vorgegebenen ersten Bereich unterschreitet, und verringert, wenn der Ausgangsdruck den vorgegebenen ersten Be- reich überschreitet. Dadurch kann der Betrieb an besonders stark schwankende Umgebungsbedingungen angepasst werden. Beispielsweise können in den temperaturschwachen Morgen- oder Abendstunden einer Solaranlage etwa gleich viele Zylinder-Kol - beneinheiten in der Erwärm- und in der Abkühlphase betrieben werden, hingegen in der Mittagshitze wenige rasch erwärmende
Zylinder-Kolbeneinheiten vielen langsam abkühlenden Zylinder- Kolbeneinheiten gegenüberstehen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Steuereinrichtung zur Feinjustierung auch jede einzelne Erwärm- und/oder Abkühlphasen verkürzen oder verlängern, um den Aus- gangsdruck innerhalb des vorgegebenen ersten Bereichs zu halten .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung mit einem zweiten Druckmesser für den Druck des Vorspannfluids am Eingang der Last ausgestattet und steuert die Erwärm- und Abkühlphasen der Wärmezufuhreinrichtung auch in Abhängigkeit von dem gemessenen Eingangs- druck, um diesen innerhalb eines vorgegebenen zweiten Bereichs zu halten. Damit kann z.B. die Druckdifferenz für die hydrauli- sehe Last so geregelt werden, dass sie dem Druckabfall an der Last entspricht oder die in der Last umgesetzte Arbeit durch Vorgabe der Druckdifferenz gesteuert werden.
Auch zur Regelung des Ausgangsdrucks kann die Steuereinrichtung bevorzugt die Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten, die sich zu einem Zeitpunkt in der Erwärmphase befinden, gegenüber der Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten, welche sich zum selben Zeitpunkt in der Abkühlphase befinden, erhöhen, wenn der Eingangsdruck den vorgegebenen zweiten Bereich unterschreitet, und verringern, wenn der Eingangsdruck den vorgegebenen zweiten Be- reich überschreitet.
Zur Feinregulierung der Ausgangsdruckregelung kann die Steuereinrichtung die Erwärm- und/oder Abkühlphasen auch individuell verkürzen oder verlängern, um den Eingangsdruck innerhalb des vorgegebenen zweiten Bereichs zu halten.
Da der Eingangsdruck aufgrund des Druckabfalls an der hydraulischen Last immer über dem Ausgangsdruck liegt, kann in einer vereinfachten Ausführungsform vorgesehen werden, dass der erste und der zweite Bereich gleich sind, wodurch sich eine Minimalgrenze für den Ausgangsdruck und eine Maximalgrenze für den Eingangsdruck ergibt.
Bevorzugt werden jedoch für den Eingangsdruck und den Ausgangsdruck unterschiedliche Regelungsbereiche vorgesehen, d.h. der vorgegebene zweite Bereich kann überlappend, anschließend oder in einem Abstand zum ersten Bereich liegen, um individuel- le Minimal- und Maximalgrenzen für die Regelung der Ein- und Ausgangsdrücke zu errichten. Bevorzugt liegen die beiden Bereiche in einem Abstand voneinander. Besonders bevorzugt unterscheidet sich die Untergrenze des zweiten Bereichs von der Obergrenze des ersten Bereichs um etwa den Druckabfall an der Last, so dass für die Last eine Mindest-Druckdifferenz garantiert werden kann.
Das Vorspannfluid kann an sich beliebiger Art sein, beispielsweise Druckluft. Besonders bevorzugt ist das Vorspannfluid jedoch Hydraulikflüssigkeit, was eine kraftschlüssige und zuverlässige Druckkopplung ergibt. Bevorzugt wird dabei an den Eingang der hydraulischen Last ein erster elastischer Zwischenspeicher und/oder an deren Ausgang ein zweiter elastischer Zwischenspeicher für das Vorspannfluid angeschaltet, so dass kurzfristige Druckschwankungen bei Umschaltvorgängen oder bei steu- erungsnotwendigen individuellen Verkürzungen oder Verlängerungen der Erwärm- und Abkühlphasen vorübergehend absorbiert werden können .
Die Beaufschlagung der Kolben mit dem Vorspannfluid kann auf verschiedenste Arten erfolgen, beispielsweise durch mecha- nische Ankopplung gesonderter hydraulischer Vorspannzylinder an die Zylinder-Kolbeneinheiten. Bevorzugt werden die Kolben der Zylinder-Kolbeneinheiten gleich als doppeltwirkende Kolben ausgebildet, auf deren eine Seite das Dehnungsfluid und auf deren andere Seite das Vorspannfluid einwirkt, was einen besonders einfachen Aufbau ergibt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmezufuhreinrichtung für jede Zylinder-Kolbeneinheit einen von einem Wärmeträgermedium durchströmten Wärmetauscher aufweist, der mit einem von der Steuer- einrichtung gesteuerten Sperrventil versehen ist. Durch einfaches Öffnen und Schließen der Sperrventile können die Zeitpunkte und Zeitdauern der Erwärmphasen vorgegeben werden, zwischen denen sich dann die Abkühlphasen ergeben.
Die Abkühlphasen können beschleunigt werden, wenn die Wär- mezufuhreinrichtung bevorzugt auch eine Einrichtung zur Zwangs- abkühlung der Dehnungsfluide in den Abkühlphasen umfassen. Zu diesem Zweck ist es besonders günstig, wenn das Wärmeträgermedium in der Erwärmphase unter Druck steht und die Zwangsabkühl - einrichtung eine steuerbare Druckentspannungseinrichtung für jeden Wärmetauscher aufweist. Dadurch kann das Wärmeträgermedium gleichzeitig als Kühlmittel verwendet werden, indem es durch Druckentspannung zur Abkühlung veranlasst wird.
Bevorzugt umfasst die Druckentspannungseinrichtung einen Unterdruck-Zwischenspeicher, der über ein steuerbares Schalt- ventil an den Wärmtauscher anschaltbar ist, wodurch eine schlagartige Entspannung und damit besonders rasche Abkühlung erreicht werden kann.
Alternativ oder zusätzlich können die Zylinder-Kolbeneinheiten mit einer eigenen Einrichtung zur Zwangsabkühlung der Dehnungsfluide in den Abkühlphasen ausgestattet sein, welche direkt von der Bewegung ihrer Kolben gesteuert ist. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst eine solche Zwangsabkühleinrichtung für die Zylinder-Kolbeneinheiten:
eine von der Zylinder-Kolbeneinheit angetriebene Hilfs-Zy- linder-Kolbeneinheit mit zumindest einem Zylinderraum,
einen mit dem Dehnungsfluid in Wärmeleitungsverbindung stehenden Behälter mit einem Verdampfungsmittel,
wobei der Behälter über zumindest ein durch die Kolbenbewegung der Zylinder-Kolbeneinheit freisteuerbares Rückschlag- ventil mit dem genannten einen Zylinderraum verbunden ist.
Durch entsprechende Steuerung des Rückschlagventils kann z.B. erreicht werden, dass sich bei der Erwärmung und Ausdehnung des Dehnungsfluids - bei zunächst geschlossenem Rückschlagventil - im genannten einen Hilfs-Zylinderraum zunehmend Unterdruck einstellt, während das Verdampfungsmittel im anderen Hilfs-Zylinderraum gleichzeitig komprimiert wird. Am Ende der Ausdehnungsbewegung des Dehnungsfluids wird durch entsprechende Steuerung das bis dahin geschlossene Rückschlagventil zwangsgeöffnet und das Verdampfungsmittel expandiert schlagartig in den einen Hilfs-Zylinderraum, kühlt sich dabei ab und bewirkt damit eine Zwangsabkühlung des Dehnungsfluids , die das Einfahren des Kolbens unterstützt bzw. beschleunigt. Bevorzugt wird dazu vorgesehen, dass der Behälter über den anderen Zylinderraum und diesem nachgeordnet das Rückschlagventil mit dem genannten ei- nen Zylinderraum der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit in Strömungsverbindung steht .
In einer alternativen Ausführungsform wird das Verdampfungsmittel bei der Einfahrbewegung des sich abkühlenden Dehnungsfluids komprimiert, bleibt bei der Ausfahrbewegung in komprimiertem Zustand und entspannt sich dann schlagartig durch das Zwangsöffnen der Rückschlagventile in der Endstellung der Ausfahrbewegung . Dazu steht der Behälter bevorzugt direkt - d.h. nicht über den anderen Zylinderraum - über das Rückschlagventil mit dem genannten einen Zylinderraum der Hilfs-Zylinder- Kolbeneinheit in StrömungsVerbindung .
Bevorzugt ist das Rückschlagventil direkt im Kolben der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit angeordnet und durch das Anschlagen des Kolbens in seiner einen Endstellung gesteuert, was einen sehr kompakten Aufbau ergibt .
Aus demselben Grund ist es besonders günstig, wenn jede
Zylinder-Kolbeneinheit mit ihrer Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit axial zusammengebaut ist, wobei ihre Kolben über eine Kolbenstange miteinander verbunden sind.
Bei dieser Ausführungsform wird bevorzugt vorgesehen, dass der Behälter vom Kolben der Zylinder-Kolbeneinheit getragen und die StrömungsVerbindung vom Behälter zu dem bzw. den Zylinderräumen durch die Kolbenstange verläuft, was einen sehr kompakten Aufbau und eine störungsunanfällige Integration der Zwangsabkühleinrichtung unter Verwendung einer minimalen Anzahl be- weglicher Teile in den Zylinder-Kolbeneinheiten erreicht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Wärmekraftmaschine der Erfindung mit vier Zylinder-Kolbeneinheiten; die Fig. 2a bis 2c Zeitdiagramme der Steuerung der Wärmezufuhreinrichtung und der sich dadurch ergebenden Kolbenbewegungen der Maschine von Fig. 1 ;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer praktischen Ausführungs- form einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine mit zwei beispielhaften Zylinder-Kolbeneinheiten; und
die Fig. 4a und 4b Prinzipschaltbilder zweier verschiedener Ausführungsformen von Zylinder-Kolbeneinheiten mit integrierten Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheiten als Zwangsabkühlein- richtung.
Fig. 1 zeigt eine Wärmekraftmaschine 1 mit vier Zylinder- Kolbeneinheiten 2 - 5. Jede Zylinder-Kolbeneinheit 2 - 5 hat einen Zylinder 6, in dem sich ein Kolben 7 zwischen einer eingefahrenen Stellung (gezeigt bei 2) und einer ausgefahrenen Stellung (gezeigt bei 5) bewegen kann.
Der Raum 6' im Zylinder 6 zur linken Seite jedes Kolbens 7 wird vollständig von einem Dehnungsfluid 8 eingenommen. Das Dehnungsfluid 8 hat einen hohen Wärmedehnungskoeffizienten und expandiert bei seiner Erwärmung, um den Kolben 7 von der einge- fahrenen in die ausgefahrene Stellung zu bewegen, bzw. kontrahiert bei seiner Abkühlung, um den Kolben 7 wieder zurückzubewegen. Im Raum 6' kann eine mechanische Rühreinrichtung (nicht gezeigt) für das Dehnungsfluid 8 angeordnet werden, um die Wärmeleitung darin zu verbessern.
Im gezeigten Beispiel ist das Dehnungsfluid 8 flüssiges
Kohlendioxid (C02) , das bei Raumtemperatur einen Verflüssigungsdruck von ca. 65 bar hat. Flüssiges C02 zeigt im Bereich von 20°C bis 30°C eine Wärmedehnung um das etwa 2, 2 -fache. Anstelle von reinem flüssigem Kohlendioxid könnten auch Mischun- gen von flüssigem Kohlendioxid mit anderen Stoffen als Dehnungsfluid 8 verwendet werden.
Um das C02 als Dehnungsfluid 8 in seinem flüssigen Zustand zu halten, wird der Kolben 7 mit einem Vorspanndruck größer oder gleich dem Verflüssigungsdruck in Richtung auf das Deh- nungsfluid 8 beaufschlagt bzw. vorgespannt. Der Vorspanndruck wird von einem Vorspannfluid 9 ausgeübt, das in dem Raum 6" zur rechten Seite jedes Kolbens 7, d.h. auf die dem Dehnungsfluid 8 abgewandte Seite jedes Kolbens 7 wirkt. Das Vorspannfluid 9 - bevorzugt ein Hydrauliköl - zirkuliert in einem allen Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 gemeinsamen Hydraulikkreis, welcher eine hydraulische Last 10 enthält. Die hydraulische Last 10 ist bei beispielsweise ein Hydraulikmotor mit einem Eingang 11' und einem Ausgang 11", der vom Vorspannfluid 9 durchströmt ist und die Druckenergie bzw. kinetische Energie des Vorspannfluids 9 in mechanische Arbeit für eine Abtriebswelle 11111 umwandelt. Zwischen dem Eingang 11' und dem Ausgang 11" der Last 10 tritt dabei ein Druckabfall Δρ auf. Anstelle eines Hydraulikmotors könnte auch jede andere Art von hydraulischer Last 10 eingesetzt werden, welche mit einem Druckgefälle Δρ antreibbar ist, wie in der Technik bekannt.
Das Vorspannfluid 9 ist von den Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 über einen Satz erster Rückschlagventile 12 ' und eine erste Sammelleitung 13' zum Eingang 11' der Last 10 geführt, und von deren Ausgang 11" über eine zweite Sammelleitung 13" und einen Satz zweiter Rückschlagventile 12" zurück zu den Zylinderräumen 6" der Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5. Jeder einzelnen Zylinder-Kolbeneinheit 2 - 5 ist somit ein erstes, in Richtung vom Raum 6" zum Eingang 11' hin öffnendes und in umgekehrter Richtung sperrendes Rückschlagventil 12' zugeordnet, sowie ein vom Ausgang 11" zum Raum 6" hin öffnendes, in umgekehrter Richtung sperrendes zweites Rückschlagventil 12".
Beim Ausfahren eines Kolbens 7 (Pfeil 14 ' ) errichtet das Vorspannfluid 9 somit über die ersten Rückschlagventile 12 ' und die erste Sammelleitung 13 ' - gleichsam als „Arbeitsfluid" - ein erstes Druckniveau pi am Eingang 11' der Last 10 (Eingangsdruck) . Beim Einfahren des Kolbens 7 (Pfeil 14") schließt das jeweilige erste Rückschlagventil 12' und öffnet das jeweilige zweite Rückschlagventil 12", so dass das um den Druckabfall Δρ verringerte zweite Druckniveau p2 vom Ausgang 11" der Last 10 („Ausgangsdruck") über die zweite Sammelleitung 13" in die je- weilige Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 rückwirkt und das Deh- nungsfluid 8 vorspannend beaufschlagt.
Der Druck des Vorspannfluids 9 in den Räumen 6" der Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 pendelt daher zwischen dem Eingangs- druck (oberen Niveau) pi beim Ausfahren (Pfeil 14 ' ) und dem Ausgangsdruck (unteren Niveau) p2 beim Einfahren (Pfeil 14") . Wie später noch ausführlicher erläutert wird, wird durch entsprechende Druckmess- und Steuereinrichtungen dafür Sorge getragen, dass das untere Druckniveau, der Ausgangsdruck p2, des Vorspannfluids 9 in keiner Phase der Bewegung 14', 14" den notwendigen Betriebsdruck für das Vorspannfluid 9, z.B. den Verflüssigungdruck von flüssigem C02, unterschreitet und gleichzeitig die gewünschte oder erforderliche Druckdifferenz Δρ = Pi - P2 an der Last 10 aufrechterhalten wird.
An den Eingang 11' bzw. die Sammelleitung 13' kann ein erster elastischer Zwischenspeicher 15' angeschaltet sein, beispielsweise ein Druckbehälter mit Gasfüllung und/oder mit einer elastischen Membran 15, um kurzfristige Druckschwankungen abzu- puffern. Alternativ oder zusätzlich kann auch an den Ausgang 11" bzw. die Sammelleitung 13" ein zweiter derartiger elastischer Zwischenspeicher 15" angeschaltet werden.
Die Erwärmung der Dehnungsfluide 8 in den Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 wird mit Hilfe einer steuerbaren Wärmezufuhreinrichtung 16 - 20 veranlasst. Die Wärmezufuhreinrichtung 16 - 20 umfasst im gezeigten Beispiel einen Wärmetauscher 16 für jede Zylinder-Kolbeneinheit 2 - 5, der das Dehnungsfluid 8 wärmeleitend kontaktiert und in dem ein Wärmeträgermedium 17 zirkuliert. Das Wärmeträgermedium 17 wird z.B. von einem Solarpanel 18 in einem Wärmeträgerkreis 19 erwärmt (Rückleitungen in Fig. 1 zwecks Übersichtlichkeit nicht gezeigt) .
Die Wärmetauscher 16 können von jeder in der Technik bekannten Art sein; bevorzugt sind sie mit Heat-Pipes zur Förderung des Wärmeaustausches und zur raschen und gleichmäßigen Verteilung der zugeführten Wärme in den Dehnungsfluiden 8 aus- gestattet. Jeder Wärmetauscher 16 ist mit einem steuerbaren Sperrventil 20 versehen. Die Sperrventile 20 werden von einer zentralen Steuereinrichtung 21 abwechselnd und intermittierend geöffnet, um jede Zylinder-Kolbeneinheit 2 - 5 abwechselnd zu erwärmen und abzukühlen, dadurch die Dehnungsfluide 8 in den Zylindern 6 abwechselnd zu expandieren und zu kontrahieren und damit letztlich die Kolben 7 hin und her zu bewegen. Die Kolbenbewegungen sind dabei über das im Hydraulikkreis 10 - 13 zirkulierende Vorspannfluid 9 synchronisiert, indem das vom Ausgang 11' über die zweiten Rückschlagventile 12" rückströmende Vorspannfluid 9 die Einfahrbewegung (Pfeil 14") mitunterstützt und zwangskop- pelt .
Die Steuereinrichtung 21 betätigt die Sperrventile 20 in Abhängigkeit von Messwerten des Eingangsdrucks pi und bevorzugt auch des Ausgangsdrucks p2, die sie von entsprechenden Druckmessern 22', 22" erhält, welche an die Eingänge 11', 11" bzw. deren Sammelleitungen 13', 13" angeschlossen sind. Ein erstes, primäres Regelungsziel der Steuereinrichtung 21 ist es, den Ausgangsdruck p2 innerhalb eines ersten vorgegebenen Bereichs P2,min/ P2,max zu halten, welcher insbesondere durch den Mindest- Vorspanndruck für das Dehnungsfluid 8 bestimmt ist, z.B. (temperaturabhängig) ca. 50 - 60 bar bei flüssigem Kohlendioxyd im Temperaturbereich 20 - 50 °C. Insbesondere wird die untere Grenze p2,min des ersten Bereichs durch den erforderlichen Min- dest-Vorspanndruck festgelegt.
Weitere Regelungsziele der Steuereinrichtung 21 können sein, dass gleichzeitig darauf geachtet wird, dass der Eingangsdruck pi innerhalb eines vorgegebenen (zweiten) Bereichs Pi,min, Pi,max liegt. Der erste und der zweite Bereich können - ident sein oder sich teilweise überlappen oder unmittelbar aneinander anschließen oder gegenseitigen Abstand haben, in welch letzterem Fall der Ausgangsdruck p2 in einem unteren Bereich (Druckband) und der Eingangsdruck pi in einem oberen Bereich (Druckband) liegt. Mit der letztgenannten Ausführungsform kann auch eine Mindestdruckdifferenz bzw. ein Mindest-Druckabfall Δρ = Pi - P2 an der Last 10 eingestellt werden, wenn ein solcher für den ordnungsgemäßen Betrieb der Last 10 erforderlich ist, oder die Druckdifferenz für die Last 10 wahlweise variiert werden, um z.B. ihren Energieumsatz vorzugeben bzw. zu steuern.
Wenn der Druckabfall Δρ an der Last 10 einstellbar ist, d.h. die Arbeit der Last 10 gesteuert werden kann, kann die Steuereinrichtung 21 in weiteren Regelungszielen auch den Druckabfall Δρ der Last 10 steuern, siehe optionale Steuerleitung ei . Beispielsweise können die aufgrund der aktuellen Tem- peraturbedingungen erzielbaren Druckbereiche von Ein- und Ausgangsdruck pi, p2 dazu verwendet werden, eine ausnützbare Druckdifferenz pi - p2 zu berechnen und diese als Vorgabe für den Druckabfall Δρ an der Last 10 einzustellen.
Die genannten Regelungsziele der Steuereinrichtung 21 wer- den primär mit einer Steuerung der Anzahl jener Zylinder-Kol - beneinheiten 2 - 5, welche sich zu einem bestimmten Zeitpunkt gerade in der Erwärmphase befinden, im Verhältnis zu der Anzahl jener anderen Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5, die sich zu diesem Zeitpunkt gerade in der Abkühlphase befinden, erreicht, wie nun anhand von Fig. 2 ausführlicher erläutert wird.
In den oberen Zeitdiagrammen der Fig. 2a - 2c sind jeweils die Schaltsignale e2 - e5 der Steuereinrichtung 21 zum Öffnen der Sperrventile 20 und in den unteren Zeitdiagrammen die dadurch hervorgerufenen Bewegungen bzw. Wege s2 - s5 der Kolben 7 der Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 über der Zeit t aufgetragen.
Fig. 2a zeigt einen ersten Betriebszustand der Wärmekraftmaschine 1 für Umgebungsbedingungen, bei denen die Abkühlphase des Dehnungsfluids 8 etwa dreimal so lang ist wie die Erwärmphase, beispielsweise weil die Temperatur des Wärmeträgermedi - ums 17 hoch ist und eine rasche Erwärmung bewirkt. Die Sperrventile 20 werden zyklisch jeweils für etwa ein Viertel der Hubperiode geöffnet. Wie ersichtlich, befinden sich zu einem bestimmten Zeitpunkt immer eine Zylinder-Kolbeneinheit 2 - 5 in der Erwärmphase und drei andere in der Abkühlphase, d.h. das Verhältnis von expandierenden Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 zu kontrahierenden Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 beträgt hier 1:3.
Fig. 2b zeigt einen zweiten Betriebszustand der Wärmekraftmaschine 1, in dem die Sperrventile 20 zyklisch für je- weils eine halbe Hubperiode geöffnet werden. Das Verhältnis von Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 in der Erwärmphase zu Zylinder- Kolbeneinheiten 2 - 5 in der Abkühlphase beträgt hier 2:2, was etwa gleichlangen Aufwärm- und Abkühlphasen, z.B. wegen verringerter Wärmezufuhr, Rechnung trägt.
Sinkt beispielsweise die Temperatur des Wärmeträgermediums
17 noch weiter ab und verlängert sich damit die Erwärmphase noch weiter, geht die Steuereinrichtung 20 in den dritten Betriebszustand von Fig. 2c über, in welchem das Verhältnis von Zylinderkolbeneinheiten 2 - 5 in der Erwärmphase zu Zylinder- Kolbeneinheiten 2 - 5 in der Abkühlphase 3:1 beträgt.
Der jeweilige Betriebszustand Fig. 2a, Fig. 2b bzw. Fig. 2c wird von der Steuerung 21 abhängig vom Ausgangsdruck p2 (und optional auch abhängig vom Eingangsdruck p ) eingestellt: Unterschreitet der Ausgangsdruck p2 eine vorgegebene untere Gren- ze p2,min seines ersten Bereichs, insbesondere den Verflüssigungsdruck des Dehnungsfluids 8 bei der aktuellen Betriebstemperatur, wird das Verhältnis von Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 in der Erwärmphase zu Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 in der Abkühlphase sukzessive erhöht, z.B. 1:3 -> 2:2 -> 3:1; überschrei - tet der Ausgangsdruck p2 eine vorgegebene obere Grenze p2,max, z.B. den Verflüssigungsdruck plus einer Hystereseschwelle, dann wird dieses Verhältnis sukzessive reduziert, z.B. 3:1 -> 2:2 -> 1:3. Als weiteres Regelungsziel kann berücksichtigt werden, dass der Eingangsdruck pi innerhalb seines eigenen, zweiten Be- reichs i,min, P2,max liegt, oder beide Bereiche werden zusammenfallend gestaltet, d.h. pi,min = p2,min und pi,max = p2,max, wobei die obere Grenze pi,max = P2,max z.B. auf den maximal zulässigen Betriebsdruck der Wärmekraftmaschine angehoben wird.
Bei der Verwirklichung der verschiedenen Regelungsziele der Steuereinrichtung 21 können auch entsprechende Gewichtungen und/oder Verknüpfungen zwischen den Regelungszielen vorgenommen werden .
Es versteht sich, dass die erörterte Regelung auf beliebige Anzahlen von Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 erweitert werden kann, beispielsweise auf 3, 5, 6, 7, 8, 12, 24 usw. Zylinder- Kolbeneinheiten. Je mehr Zylinder-Kolbeneinheiten zur Verfügung stehen, desto feiner abgestuft kann die Regelung erfolgen.
Zur Feinregulierung kann die Steuereinrichtung 21 zusätzlich jede einzelne Erwärm- oder Abkühlphase verkürzen oder ver- längern, beispielsweise durch Versetzen des Beginns ti einer Erwärmphase und/oder des Beginns t2 einer Abkühlphase bzw. Verändern der Dauer t2 - ti . Wenn sich dabei Erwärm- bzw. Abkühl - phasen verschiedener Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 kurzfristig in einem größeren oder kleineren als dem mit Hilfe der vorge- nannten primären Regelung gewählten Verhältnis (1:3, 2:2, 3:1) überlappen, können entsprechende kurzfristige Druckschwankungen des Ausgangsdrucks p2 bzw. Eingangsdrucks pi mit Hilfe der Zwischenspeicher 15', 15" im Hydraulikkreis 10 - 13 vorübergehend absorbiert werden.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass in einer stark vereinfachten Ausführungsform der Wärmekraftmaschine 1, welche nur zwei Zylinder-Kolbeneinheiten umfasst und damit nur das einzige Verhältnis 1:1 zulässt, die Steuereinrichtung 21 auch nur die letztgenannte Feinregulierung ausführen kann, mit entsprechen- der Einschränkung hinsichtlich der ausnutzbaren Betriebsbedingungen .
Fig. 3 zeigt eine konkrete Realisierung und Weiterentwicklung der Wärmekraftmaschine 1 von Fig. 1, wobei zwecks Übersichtlichkeit nur zwei Zylinder-Kolbeneinheiten 2, 3 stellver- tretend gezeigt sind und die Steuereinrichtung 21 mit ihren Mess- und Steuerleitungen nicht dargestellt ist. Es versteht sich jedoch, dass die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform auf eine beliebige Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten erweitert werden kann. Gemäß Fig. 3 fördert eine Pumpe 23 Wärmeträgermedium 17, beispielsweise Refrigerant R 123 der Firma Hoechst, aus einem Vorrat 24 über eine Leitung 25 zum Solarpanel 18, von dort über die Leitung 19 und die Sperrventile 20 zu den Wärmetau- Schern 16, und von dort über Schaltventile 26 und eine Rücklei- tung 27 zurück zum Vorrat 24. In dem in Fig. 3 gezeigten Betriebszustand ist gerade das rechte Sperrventil 20 geöffnet und das linke Sperrventil 20 geschlossen, sodass sich die rechte Zylinder-Kolbeneinheit 3 in der Erwärm- und Expansionsphase und die linke Zylinder-Kolbeneinheit 2 in der Abkühl- und Kontraktionsphase befindet.
Zur Beschleunigung der Abkühlphasen umfasst hier die Wärmezufuhreinrichtung 16 - 20 auch eine Einrichtung zur Zwangsabkühlung der Dehnungsfluide 8. Die Zwangsabkühleinrichtung kann beispielsweise ein optionaler Einspeisepfad 28 für nicht-er- wärmtes Wärmeträgermedium 17 sein, um dieses über als Mehrwegeventil ausgebildete Sperrventile 20 in den Abkühlphasen in die Wärmetauscher 16 einzuspeisen. Alternativ könnten gesonderte Wärmetauscher für ein gesondertes Kühlmedium verwendet werden (nicht gezeigt) .
Bevorzugt umfasst die Zwangsabkühleinrichtung wie gezeigt eine steuerbare Druckentspannungseinrichtung, welche nach dem Schließen des Sperrventils 20 das in einem Wärmetauscher 16 noch unter dem Förderdruck der Pumpe 23 stehende Wärmeträgerme- dium 17 über das Schaltventil 26 zu einem Unterdruck-Zwischenspeicher 29 hin entspannt. Der Unterdruck im Unterdruck- Zwischenspeicher 29 wird über eine Saugleitung 30 von einem Venturi -Ej ektor 31 errichtet, der über eine Leitung 32 kontinuierlich von der Pumpe 23 mit Wärmeträgermedium 17 im Kreis be- schickt wird. Durch die schlagartige Expansion des Wärmeträgermediums 17 nach dem Öffnen des Schaltventils 26 verdampft das Wärmeträgermedium 17 und kühlt dadurch das Dehnungsfluid 8 über den Wärmetauscher 16.
Die Fig. 4a und 4b zeigen jeweils eine weitere Ausfüh- rungsform einer Zwangsabkühleinrichtung für die Dehnungsfluide 8, welche alternativ oder zusätzlich zu der vorgenannten Zwangsabkühleinrichtung eingesetzt werden kann. Die Zwangsabkühleinrichtung der Fig. 4a und 4b ist jeweils direkt in eine der Zylinder-Kolbeneinheiten 2 - 5 integriert, und Fig. 4a bzw. 4b zeigt jeweils beispielhaft eine derartig ausgestattete Zylinder-Kolbeneinheit 2.
Bei der Ausführungsform von Fig. 4a ist die Zylinder- Kolbeneinheit 2 mit einer Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 40 zusammengebaut, welche einen Zylinder 41 und einen Kolben 42 hat. Der Kolben 42 der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 41 wird mechanisch z.B. über eine Kolbenstange 43 von der Kolbenbewegung der Zylinder-Kolbeneinheit 2 mitangetrieben. Die Zylinder 6 und 41 können dazu beispielsweise direkt axial aneinander anschließend zusammengebaut sein.
In das Dehnungsfluid 8 der Zylinder-Kolbeneinheit 2 ragt in wärmeleitender Verbindung ein Behälter 44, der ein Verdampfungsmittel 45 enthält, welches in der gezeigten Betriebsstellung beispielsweise bis zu einem Niveau 45' flüssig und darüber gasförmig ist.
Das Innere des Behälters 44 steht über eine - hier im Inneren der Kolbenstange 43 ausgebildete - StrömungsVerbindung 46 mit einem Zylinderraum 47 der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 40 in StrömungsVerbindung . Der gegenüberliegende Zylinderraum 48 der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 40 ist in der in Fig. 4 ge- zeigten Betriebsstellung zunächst leer, d.h. bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 42 bildet sich im Raum 48 zunehmender Unterdruck bzw. - soweit es die Kolbendichtungen zulassen - Vakuum aus .
Die beiden Räume 47 und 48 zu beiden Seiten des Kolbens 42 der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 40 stehen über ein oder mehrere Rückschlagventile 49 miteinander in StrömungsVerbindung . Die Rückschlagventile 49 sind so orientiert, dass sie bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 42, wenn der Unterdruck im Raum 48 zunimmt und das Verdampfungsmittel 45 im Raum 47, in der Strö- mungsVerbindung 46 und im Behälter 44 zunehmend komprimiert wird, geschlossen sind. Bei der Ausdehnung des Dehnungsfluids 8 wird somit das Verdampfungsmittel 45 komprimiert und unter Ansteigen des Niveaus 45' zunehmend verflüssigt, während sich gleichzeitig Unterdruck im Raum 48 einstellt.
Die Rückschlagventile 49 sind nun durch die Bewegung des
Kolbens 42 gesteuert, u.zw. öffnen sie zwangsweise in ihrer Sperrrichtung, wenn der Kolben 42 seine obere Einstellung erreicht. Beispielsweise werden sie von entsprechenden Stiften oder Hebeln aufgestoßen, mit denen sie an der inneren Stirnsei- te des Zylinders 41 anschlagen. Dadurch werden sie geöffnet und das komprimierte, unter Druck stehende Verdampfungsmittel 45 entspannt sich schlagartig in das Vakuum des Raums 48, siehe Pfeile 50, wodurch sich das Verdampfungsmittel 45 schlagartig abkühlt. Über die wärmeleitende Verbindung des Behälters 44 zum Dehnungsfluid 8 wird damit auch dieses schlagartig abgekühlt und somit die Abkühlung des Dehnungsfluids 8 und die Einfahrbewegung des Kolbens 7 unterstützt und beschleunigt.
Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 42 öffnen sich die Rückschlagventile 49 in ihrer Durchlassrichtung, so dass das Verdampfungsmittel 45 wieder aus dem Raum 48 in den Raum 47, in die StrömungsVerbindung 46 und in den Behälter 44 verdrängt wird. Wenn der Kolben 42 nach Erreichen seiner unteren Stellung wieder mit seiner Aufwärtsbewegung beginnt, schließen die Rückschlagventile 49 wieder und der Prozess beginnt von neuem. Das Komprimieren, schlagartige Entspannen (Verdampfen) und Wiederkomprimieren des Verdampfungsmittels 45 ist ein autarker, geschlossener Kreisprozess , welcher den Temperaturkreislauf des Dehnungsfluids 8 positiv unterstützt.
Die Ausführungsform von Fig. 4b unterscheidet sich von je- ner von Fig. 4a dadurch, daß die Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 40 nur einen einzigen wirksamen Zylinderraum 48 hat, wogegen der Zylinderraum 47 offen oder unbenutzt ist oder z.B. zusätzlich mit einem Kühlmittel (nicht gezeigt) beaufschlagt werden kann. Der Behälter 44 steht hier über die StrömungsVerbindung 46 und eine Umlenkung 46 ' derselben im Kolben 42 direkt mit dem Zylinderraum 48 in StrömungsVerbindung, wobei das Rückschlagventil 49 in der StrömungsVerbindung 46 z.B. deren Umlenkung 46' wirkt, und zwar in derselben Weise wie in Fig. 4a: Bei der Abwärtsbewegung der Kolben 7, 42 strömt das vom letzten Zyklus im Raum 48 verbliebene Verdampfungsmittel 45 über das Rückschlagventil 49 in dessen Durchlaßrichtung zurück in den Behälter 44 und wird durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 42 komprimiert; bei der Aufwärtsbewegung der Kolben 7, 42 schließt das Rückschlagventil 49 und es stellt sich wieder im Raum 48 zuneh- mender Unterdruck bzw. Vakuum ein, bis der Kolben 42 seine obere Stellung erreicht und das Ventil 49 z.B. durch einen Endanschlag (nicht gezeigt) aufgestoßen (freigesteuert) wird: Das im Raum 44 komprimierte Verdampfungsmittel 45 entspannt sich wieder schlagartig über das freigesteuerte Rückschlagventil 49 und die Umlenkung 46' in den Raum 48 (Pfeile 50), kühlt sich dabei ab und kondensiert bis z.B. zum Niveau 45', wodurch das Deh- nungsfluid 8 zwangsabgekühlt wird, um die nun beginnende Einfahrbewegung des Kolbens 7 zu unterstützen. Der Unterschied zu der Ausführungsform von Fig. 4a besteht somit darin, dass bei der Ausführungsform von Fig. 4b das Verdampfungsfluid 45 bei der Abwärtsbewegung der Kolben 7, 42 komprimiert wird, hingegen bei der Ausführungsform von Fig. 4a bei der Aufwärtsbewegung der Kolben 7 , 42.
In einer (nicht dargestellten) alternativen Ausführungs- form könnten die Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit 40 bzw. die für diesen Kreisprozess erforderlichen Komponenten auch gesondert von der Zylinder-Kolbeneinheit 2 aufgebaut und über entsprechende Strömungsverbindungen und mechanische Kupplungen mit dieser gekoppelt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten und Modifikationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen. So könnte beispielsweise eine größere Anzahl von Zylinder- Kolbeneinheiten auch in mehreren Gruppen gruppenweise gleich- laufend angesteuert werden, um den Schaltungs- und Regelungs- aufwand zu verringern; in diesem Fall könnten sich die Zylinde 6 einer Gleichlaufgruppe von Zylinder-Kolbeneinheiten auch ei nen gemeinsamen Wärmetauscher 16 und/oder ein gemeinsames Deh nungsfluid 8 teilen.

Claims

Patentansprüche :
1. Wärmekraftmaschine (1), insbesondere für den Niedertemperaturbetrieb zur Verwertung von Solarwärme, Abwärme aus biologischen oder industriellen Prozessen od.dgl., mit:
zumindest zwei Zylinder-Kolbeneinheiten (2-5), die jeweils ein unter einem Vorspanndruck stehendes Dehnungsfluid (8) enthalten, welches bei einer Temperaturänderung sein Volumen ändert und so den Kolben (7) bewegt,
einer Einrichtung (16 - 20) zur individuell steuerbaren
Wärmezufuhr zum Dehnungsfluid (8) jeder Zylinder-Kolbeneinheit (2 - 5) , und
einer die Wärmezufuhreinrichtung (16 - 20) steuernden Steuereinrichtung (21), um jedes Dehnungsfluid (8) abwechselnd zu erwärmen und abzukühlen und dadurch die Kolben (7) zu bewegen,
wobei die Kolben (7) der Zylinder-Kolbeneinheiten (2 - 5) von einem gemeinsamen Vorspannfluid (9) beaufschlagt sind, welches darin einen Vorspanndruck auf das jeweilige Dehnungsfluid (8) ausübt,
dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannfluid (9) von den Zylinder-Kolbeneinheiten (2 - 5) über erste Rückschlagventile (12') in an sich bekannter Weise zu einem Eingang (11') und über entgegengesetzt gerichtete zweite Rückschlagventile (12") zu einem Ausgang (11") einer hydraulischen Last (10) geführt ist, in der es einem Druckabfall (Δρ) zwischen Ein- und Ausgang (11 ' , 11" ) unterliegt,
die Steuereinrichtung (21) mit einem ersten Druckmesser (22") für den Druck (p2) des Vorspannfluids (9) am Ausgang (11") der Last (10) ausgestattet ist, und
die Steuereinrichtung (21) die Erwärm- und Abkühlphasen der Wärmezufuhreinrichtung (16 - 20) zumindest in Abhängigkeit von dem gemessenen Ausgangsdruck (p2) steuert, um diesen innerhalb eines vorgegebenen ersten Bereichs (p2, min P2, max ) zu hal- ten, wobei das Dehnungsfluid (8) flüssiges Kohlendioxid enthält und die untere Bereichsgrenze (p2,min) des genannten vorgegebenen ersten Bereichs größer oder gleich dem Verflüssigungsdruck von Kohlendioxid bei der Arbeitstemperatur ist.
2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 mit zumindest drei
Zylinder-Kolbeneinheiten (2 - 5), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (21) die Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten (2 - 5) , die sich zu einem Zeitpunkt in der Erwärmphase befinden, gegenüber der Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten, welche sich zum selben Zeitpunkt in der Abkühlphase befinden, erhöht, wenn der Ausgangsdruck (p2) den vorgegebenen ersten Bereich (p2,min/ P2,max) unterschreitet, und verringert, wenn der Ausgangsdruck p2 den vorgegebenen ersten Bereich (p2,min/ P2,max) überschreitet .
3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (21) die Erwärm- und/oder Abkühlphasen individuell verkürzt oder verlängert, um den Ausgangsdruck (p2) innerhalb des vorgegebenen ersten Bereichs (p2,min, P2,max) zu halten.
4. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (21) mit einem zweiten Druckmesser (22 ' ) für den Druck ( p ) des Vorspann- fluids (9) am Eingang (11') der Last (10) ausgestattet ist und die Erwärm- und Abkühlphasen der Wärmezufuhreinrichtung (16 - 20) auch in Abhängigkeit von dem gemessenen Eingangsdruck (pi) steuert, um diesen innerhalb eines vorgegebenen zweiten Bereichs (pi,min, pi,max) zu halten.
5. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4 mit zumindest drei Zylinder-Kolbeneinheiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (21) die Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten (2 - 5) , die sich zu einem Zeitpunkt in der Erwärmphase befinden, gegenüber der Anzahl von Zylinder-Kolbeneinheiten (2 - 5) , welche sich zum selben Zeitpunkt in der Abkühlphase befinden, auch erhöht, wenn der Eingangsdruck ( p ) den vorgegebenen zwei- ten Bereich (pi,min, Pi,max) unterschreitet, und auch verringert, wenn der Eingangsdruck den vorgegebenen zweiten Bereich (pi,min# Pi,max) überschreitet.
6. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrich- tung (21) die Erwärm- und/oder Abkühlphasen auch individuell verkürzt oder verlängert, um den Eingangsdruck ( p ) innerhalb des vorgegebenen zweiten Bereichs (pi,min, Pi,max) zu halten.
7. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Bereich (p2,min, P2,max; Pl,min, Pl,max) gleich Sind.
8. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Untergrenze (pi,min) des zweiten Bereichs von der Obergrenze (p2,max) des ersten Bereichs um etwa den Druckabfall (Δρ) an der Last (10) unterscheidet.
9. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den Eingang (11') der hydraulischen Last (10) ein erster elastischer Zwischenspeicher (15') für das Vorspannfluid (9) angeschaltet ist.
10. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgang (11") der hydraulischen Last (10) ein zweiter elastischer Zwischenspeicher (15") für das Vorspannfluid (9) angeschaltet ist.
11. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (7) doppeltwirkende Kolben sind, auf deren eine Seite das Dehnungsfluid (8) und auf deren andere Seite das Vorspannfluid (9) einwirkt.
12. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhreinrichtung (16 - 20) für jede Zylinder-Kolbeneinheit (2 - 5) einen von einem Wärmeträgermedium (17) durchströmten Wärmetauscher (16) aufweist, der mit einem von der Steuereinrichtung (21) gesteuerten Sperrventil (20) versehen ist.
13. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (16) zur Zwangsabkühlung des Wärmeträgermediums (17) jeweils mit einer von der Steuerein- richtung (21) gesteuerten Druckentspannungseinrichtung (26, 29 - 32) versehen sind.
14. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckentspannungseinrichtung (26, 29 - 32) einen Unterdruck-Zwischenspeicher (29) umfasst, der über ein steuerbares Schaltventil (26) an den Wärmtauscher (16) anschaltbar ist.
15. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder-Kolbeneinheiten (2 - 5) mit einer Einrichtung (40 - 49) zur Zwangsabkühlung der Deh- nungsfluide (8) in den Abkühlphasen ausgestattet sind, welche von der Bewegung ihrer Kolben (7) gesteuert ist.
16. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Zwangsabkühleinrichtung (40 - 49) für jede Zylinder-Kolbeneinheit (2 - 5) umfasst:
eine von der Zylinder-Kolbeneinheit (2 - 5) angetriebene Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit (40) mit zumindest einem Zylinderraum (48 ) ,
einen mit dem Dehnungsfluid (8) in Wärmeleitungsverbindung stehenden Behälter (44) mit einem Verdampfungsmittel (45),
wobei der Behälter (44) über zumindest ein durch die Kol- benbewegung der Zylinder-Kolbeneinheit (2 - 5) freisteuerbares Rückschlagventil (49) mit dem genannten einen Zylinderraum (48) verbunden ist.
17. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (44) über den anderen Zylinderraum (47) und diesem nachgeordnet das Rückschlagventil (49) mit dem genannten einen Zylinderraum (48) der Hilfs-Zylinder-Kolbenein- heit (40) in StrömungsVerbindung steht.
18. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (49) direkt im Kolben (42) der Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit (40) angeordnet und durch das Anschlagen des Kolbens (42) in seiner einen Endstellung gesteuert ist.
19. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zylinder-Kolbeneinheit (2 - 5) mit ihrer Hilfs-Zylinder-Kolbeneinheit (40) axial zusammengebaut ist, wobei ihre Kolben (7, 42) über eine Kolbenstange (43) miteinander verbunden sind, und wobei bevorzugt der Behälter (44) vom Kolben (7) der Zylinder-Kolbeneinheit (2 - 5) getragen ist.
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