EP4283098A1 - Heat engine - Google Patents

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Publication number
EP4283098A1
EP4283098A1 EP23173569.7A EP23173569A EP4283098A1 EP 4283098 A1 EP4283098 A1 EP 4283098A1 EP 23173569 A EP23173569 A EP 23173569A EP 4283098 A1 EP4283098 A1 EP 4283098A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinder
heat
piston
plunger
fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP23173569.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Bayer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hydrotaurus C Tech GmbH
Original Assignee
Hydrotaurus C Tech GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hydrotaurus C Tech GmbH filed Critical Hydrotaurus C Tech GmbH
Publication of EP4283098A1 publication Critical patent/EP4283098A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K11/00Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/02Steam engine plants not otherwise provided for with steam-generation in engine-cylinders

Definitions

  • the present invention relates to a heat engine, in particular for low-temperature operation for the utilization of solar heat or waste heat from biological or industrial processes, with at least one cylinder/piston unit, the cylinder of which is designed to accommodate an expansion fluid, which changes its volume when the temperature changes and so on Piston moves in the cylinder, and with means for supplying heat to the expansion fluid in the cylinder, the piston being a plunger which leaves an annular space in the cylinder around its displacement, in which the heat supply means are arranged, and the heat supply means being a pipe coil through which a heat transfer medium can flow have, which is arranged in at least one helical winding around the displacement of the plunger.
  • Such a heat engine is from AT 510 459 A1 known.
  • Heat engines for low-temperature operation for example also from the EP 2 238 318 B1 , EP 2 668 374 B1 , US 2011/0100002 A1 or US 10 975 697 B2 known, use liquid or supercritical carbon dioxide (sCO 2 ) as the expansion fluid.
  • sCO 2 supercritical carbon dioxide
  • carbon dioxide shows a volume expansion of around 2.2 times when heated from just 20 °C to 30 °C and is therefore particularly suitable for carrying out mechanical work from low-temperature heat transfer media.
  • the aim of the invention is to create a heat engine with improved efficiency.
  • the invention is based on the knowledge that the heat input into the expansion fluid suffers in the known designs with an in-cylinder heat exchanger because the expansion fluid, as it expands, moves progressively further away from the cylinder base and thus the heat exchanger arranged there and therefore heats up increasingly poorly.
  • the annular space remaining around the plunger is used for the arrangement of the heat supply means.
  • the expansion fluid is always in contact with the heat supply means over the same axial length of the cylinder, regardless of the retracted and extended positions of the plunger. This results in a heat input into the expansion fluid that is largely independent of the piston position and thus an overall improved efficiency.
  • the heat supply means extend over more than half, preferably more than two thirds, of the axial length of the annular space. This ensures good contact between the heat supply means and the expansion fluid in every phase of the retraction and extension movement of the plunger and thus a high level of efficiency overall.
  • the heat engine according to the invention is suitable for use with a wide variety of expansion fluids, for example mixtures of carbon dioxide and other gases. Particularly advantageous is when - as is known from the literature references mentioned above - the cylinder is filled with carbon dioxide as an expansion fluid and a biasing fluid acts on the plunger opposite to the expansion fluid, which puts the carbon dioxide under a biasing pressure that is above the liquefaction pressure of carbon dioxide. This means that carbon dioxide can be used in the liquid or supercritical state, which has a particularly high coefficient of thermal expansion.
  • the plunger is axially guided in a front stuffing box of the cylinder, which contains at least one sealing ring made of CO 2 -resistant plastic and at least one slide ring based on graphite, preferably made of PTFE-graphite. This achieves a particularly low-friction and at the same time durable sealing of the plunger.
  • the preload pressure required for some expansion fluids can also be achieved in a variety of ways.
  • the plunger could be preloaded against the expansion fluid by means of an auxiliary piston that is acted upon by a preloading fluid, or the load that drives the plunger applies this counterforce.
  • the heat engine comprises at least two cylinder/piston units of the type mentioned, which are arranged opposite one another and whose plungers are rigidly connected to one another. If the cylinders of the two cylinder/piston units are fixed to the floor or to each other, for example, then one piston applies the preload pressure for the expansion fluid of the other cylinder/piston unit.
  • the plungers of at least two cylinder/piston units are acted upon by a common biasing fluid in order to exert a common biasing pressure on the expansion fluids in the cylinders, as is apparent from the EP 2 238 318 B1 or the EP 2 668 374 B1 is known.
  • a common biasing fluid in order to exert a common biasing pressure on the expansion fluids in the cylinders, as is apparent from the EP 2 238 318 B1 or the EP 2 668 374 B1 is known.
  • One can use the heat supply means Control device connected to a pressure gauge for the preload pressure controls the heating and cooling phases of the expansion fluids of the individual cylinder/piston units depending on the measured preload pressure so that it is kept within a predetermined range.
  • the common biasing fluid can simultaneously be used as a working fluid for operating a hydraulic load by being guided from the cylinder/piston units via first check valves to an inlet and via oppositely directed second check valves to an outlet of a hydraulic load.
  • Fig. 1 shows a heat engine 1 'according to the prior art, as shown, for example, in EP 2 668 374 B1 is described.
  • the heat engine 1 ' has one or more (here: four) cylinder/piston units 2 - 5.
  • Each cylinder/piston unit 2 - 5 has a cylinder 6 in which a piston 7 (here: a disk piston) is located between one retracted position (shown at 2) and an extended position (shown at 5).
  • 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 when cooled to move the piston 7 back again.
  • the expansion fluid 8 is liquid carbon dioxide (CO 2 ), which has a liquefaction pressure of approximately 65 bar at room temperature.
  • CO 2 liquid carbon dioxide
  • carbon dioxide shows a thermal expansion of around 2.2 times with a temperature change of, for example, 10 °C.
  • mixtures of liquid carbon dioxide with other substances could also be used as expansion fluid 8.
  • the piston 7 is acted upon or biased with a preload pressure greater than or equal to the liquefaction pressure in the direction of the expansion fluid 8.
  • the preload pressure is selected correspondingly higher.
  • the preload pressure is exerted by a preload fluid 9, which acts in the space 6" to the right side of each piston 7, ie on the side of each piston 7 facing away from the expansion fluid 8.
  • the preload fluid 9 - preferably a hydraulic oil - circulates in all cylinders/pistons -Units 2 - 5 common hydraulic circuit, which contains a hydraulic load 10.
  • the hydraulic load 10 is, for example, a hydraulic motor with an input 11 'and an output 11", through which the preload fluid 9 flows and the pressure energy or kinetic energy of the preload fluid 9 is converted into mechanical work for an output shaft 11′′′.
  • a pressure drop ⁇ p occurs between the input 11' and the output 11" of the load 10.
  • any other type of hydraulic load 10 could also be used, which can be driven with a pressure drop ⁇ p, as is 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 inlet 11' of the load 10, and from its outlet 11" via a second manifold 13" and a Set of second check valves 12" back to the cylinder spaces 6" of the cylinder/piston units 2 - 5.
  • Each individual cylinder/piston unit 2 - 5 is therefore a first one that opens and in the direction from the space 6" to the entrance 11' assigned to a check valve 12' which blocks in the opposite direction, as well as a second check valve 12' which opens from the outlet 11" to the space 6" and blocks in the opposite direction.
  • the biasing fluid 9 When a piston 7 is extended (arrow 14'), the biasing fluid 9 thus establishes a first pressure level p 1 at the inlet 11' of the load 10 (inlet pressure) via the first check valves 12' and the first manifold 13' - as a "working fluid", so to speak.
  • the respective first check valve 12' closes and the respective second check valve 12" opens, so that the second pressure level p 2 , reduced by the pressure drop ⁇ p, from the outlet 11" of the load 10 ("output pressure") via the second manifold 13" in the respective cylinder/piston units 2 - 5 and the expansion fluid 8 is biased.
  • the pressure of the preload fluid 9 in the spaces 6" of the cylinder/piston units 2 - 5 therefore oscillates between the inlet pressure (upper level) p 1 when extending (arrow 14 ') and the outlet pressure (lower level) p 2 when retracting (arrow 14").
  • a first elastic buffer 15' can be connected to the inlet 11' or the collecting line 13', for example a pressure vessel filled with gas and/or with an elastic membrane 15, in order to buffer short-term pressure fluctuations.
  • a second such elastic buffer 15" can also be connected to the output 11" or the collecting line 13".
  • the expansion fluids 8 in the cylinder/piston units 2 - 5 are heated using controllable heat supply means 16 - 20.
  • the heat supply means 16 - 20 include 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 heated, for example, by a solar panel 18 in a heat transfer circuit 19 (return lines in Fig. 1 not shown for clarity).
  • Each heat exchanger 16 is provided with a controllable check valve 20.
  • the check valves 20 are opened alternately and intermittently by a central control device 21 in order to alternately heat and cool each cylinder/piston unit 2-5, thereby alternatingly expanding and contracting the expansion fluids 8 in the cylinders 6 and thus ultimately the pistons 7 to move back and forth.
  • the piston movements are synchronized via the preload fluid 9 circulating in the hydraulic circuit 10 - 13, in that the preload fluid 9 flowing back from the outlet 11 'via the second check valves 12" supports and forcibly couples the retraction movement (arrow 14").
  • the control device 21 actuates the check valves 20 depending on measured values of the input pressure p 1 and preferably also of the output pressure p 2 , which it receives from corresponding pressure gauges 22 ', 22 ", which are connected to the inputs 11 ', 11" or their manifolds 13 ' , 13" are connected.
  • a first, primary control goal of the control device 21 is to keep the output pressure p 2 within a first predetermined range p 2,min , p 2,max , which is determined in particular by the minimum preload pressure for the expansion fluid 8, for example (depending on temperature) approx. 50 - 60 bar for 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 preload pressure.
  • control device 21 can be to simultaneously ensure that the input pressure p 1 lies within a predetermined (second) range p 1,min , p 1,max .
  • the first and second areas may be i-dent or partially overlap or directly adjoin each other or be spaced apart, in which latter case the output pressure p 2 in a lower area (pressure band) and the input pressure p 1 in an upper area (pressure band ) lies.
  • a minimum pressure difference or a minimum pressure drop ⁇ p - p 1 - p 2 can also be set at the load 10 if such a difference is required for the proper operation of the load 10, or the pressure difference for the load 10 varies optionally to specify or control their energy consumption, for example.
  • the control device 21 can also control the pressure drop ⁇ p of the load 10 in further control objectives, see optional control line e 1 .
  • the pressure ranges of inlet and outlet pressure p 1 , p 2 that can be achieved based on the current temperature conditions can be used to calculate a usable pressure difference p 1 - p 2 and to set this as a specification for the pressure drop ⁇ p at the load 10.
  • control device 21 The stated control objectives of the control device 21 are achieved, for example, by controlling the number of those cylinder/piston units 2 - 5 which are currently in the heating phase at a certain point in time, in relation to the number of those other cylinder/piston units 2 - 5 which yourself to this The point at which we are currently in the cooling phase is reached, as in the EP 2 668 374 B1 is described.
  • the ones in the Fig. 2 - 4 Illustrated embodiments of the invention overcome this problem.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of a heat engine 1 according to the invention with a single cylinder/piston unit 2. It is understood that the heat engine 1 of Fig. 2 could also have more than one cylinder/piston unit 2, for example two, three or more cylinder/piston units 2 - 5, all like those in Fig. 2 Cylinder/piston unit 2 shown are designed and as in Fig. 1 can be interconnected via a common biasing fluid 9, which can simultaneously serve as the working fluid of a load 10.
  • the piston 7 of the cylinder/piston unit 2 is designed as a plunger piston 24.
  • the plunger 24 does not seal against the inner peripheral wall of the cylinder 6, but leaves an annular space 26 around its displacement 25.
  • the displacement 25 is the volume that the plunger 24 has in its fully retracted position (in Fig. 2 and on the left cylinder/piston unit 2 of Fig. 4 shown) and in its fully extended position (on the right cylinder/piston unit 3 of Fig. 4 shown) in cylinder 6 releases.
  • the plunger 24 is designed, for example, in the form of a cylindrical rod and is axially guided in a stuffing box 27, which is inserted into an end face 28 of the cylinder 6, ie the plunger 24 passes through the end face 28 of the cylinder 6 there and extends there.
  • the extending end 29 of the plunger 24 can enter there as a working piston surface in an auxiliary cylinder 30, which contains the preload and working fluid 9, for example.
  • the stuffing box 27 is equipped with at least one sealing ring 31, for example made of CO 2 -resistant plastic, and/or at least one slide ring 32, for example based on graphite, preferably made of PTFE-graphite.
  • Heat supply means 33 for heating the expansion fluid 8 are arranged in the annular space 26 around the displacement 25 of the plunger 24.
  • the heat supply means 33 can be, for example, an electrical heating coil.
  • the heat supply means 33 are a heat exchanger for the heat transfer medium 17, in particular a pipe coil 34 for the flow of the heat transfer medium 17, which is heated by the solar panel 18.
  • the heat supply means 33 or (here:) the pipe coil 34 extend over a substantial part of the axial length L of the annular space 26, in particular over at least half of the axial length L, preferably over at least two thirds of the axial length L.
  • the expansion fluid 8 remains over one Larger part of the longitudinal extent of the cylinder 6 is in thermal contact with the heat supply means 33, regardless of the retracted and extended position of the plunger 24.
  • the pipe coil 34 forming the heat supply means 33 is in the form of two coaxial, axially largely overlapping helical windings 35, 36 arranged around the displacement 25 of the plunger 24.
  • Fig. 3 shows the double-helical coil 34 in detail with the plunger 24 partially extended. It is understood that the pipe coil 34 can also run in one or more than two windings 35, 36 and/or can be composed of partial pipe coils 34. The one or more windings 35, 36 of the pipe coil 34 are spaced radially from the outer circumference of the plunger 24, from the inner circumference of the cylinder 6 and from each other in order to enable the pipe joint 34 to be flushed with expansion fluid 8 from all sides.
  • winding direction of the inner winding 35 is opposite to the winding direction of the outer winding 36 and the two windings 35, 36 are connected together at one end.
  • Fig. 4 shows an alternative embodiment of the heat engine 1 with two cylinder/piston units 2, 3, each as in the Fig. 2 and 3 are constructed as shown.
  • the two cylinder/piston units 2, 3 are arranged here coaxially and axially one behind the other and in opposite directions to one another.
  • the two cylinders 6 of the cylinder/piston unit 2, 3 are rigidly connected to one another via the intermediate auxiliary cylinder 30, and the two plungers 24 are rigidly connected to one another at their respective ends 29 at 37.
  • the two plungers 24 can carry a double-acting disc piston 38, which moves back and forth in the auxiliary cylinder 30 and forms two cylinder chambers 39, 40 in which the preload and / or working fluid 9 can be operated.
  • the preload pressure for the expansion fluids 8 in the cylinders 6 of the two cylinder/piston units 2, 3 is achieved by appropriately dimensioning the lengths of the cylinders 6, 30 and the plunger pistons 24.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Eine Wärmekraftmaschine (1) für den Niedertemperaturbetrieb zur Verwertung von Solarwärme oder Abwärme aus biologischen oder industriellen Prozessen hat zumindest eine Zylinder/Kolben-Einheit (2 - 5), deren Zylinder (6) zur Aufnahme eines Dehnungsfluids (8) ausgebildet ist, welches bei Temperaturänderung sein Volumen ändert und so den Kolben im Zylinder (6) bewegt, und Mittel (33) zur Wärmezufuhr zum Dehnungsfluid (8) im Zylinder (6), wobei der Kolben ein Plungerkolben (24) ist, der im Zylinder (6) rund um seinen Hubraum (25) einen Ringraum (26) belässt, in welchem die Wärmezufuhrmittel (33) angeordnet sind.A heat engine (1) for low-temperature operation for utilizing solar heat or waste heat from biological or industrial processes has at least one cylinder/piston unit (2 - 5), the cylinder (6) of which is designed to receive an expansion fluid (8), which is in Temperature change changes its volume and so moves the piston in the cylinder (6), and means (33) for supplying heat to the expansion fluid (8) in the cylinder (6), the piston being a plunger (24) which is round in the cylinder (6). leaves an annular space (26) around its displacement (25), in which the heat supply means (33) are arranged.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, insbesondere für den Niedertemperaturbetrieb zur Verwertung von Solarwärme oder Abwärme aus biologischen oder industriellen Prozessen, mit zumindest einer Zylinder/Kolben-Einheit, deren Zylinder zur Aufnahme eines Dehnungsfluids ausgebildet ist, welches bei Temperaturänderung sein Volumen ändert und so den Kolben im Zylinder bewegt, und mit Mitteln zur Wärmezufuhr zum Dehnungsfluid im Zylinder, wobei der Kolben ein Plungerkolben ist, der im Zylinder rund um seinen Hubraum einen Ringraum belässt, in welchem die Wärmezufuhrmittel angeordnet sind, und wobei die Wärmezufuhrmittel eine von einem Wärmeträgermedium durchströmbare Rohrschlange aufweisen, die in zumindest einer wendelförmigen Wicklung um den Hubraum des Plungerkolbens herum angeordnet ist.The present invention relates to a heat engine, in particular for low-temperature operation for the utilization of solar heat or waste heat from biological or industrial processes, with at least one cylinder/piston unit, the cylinder of which is designed to accommodate an expansion fluid, which changes its volume when the temperature changes and so on Piston moves in the cylinder, and with means for supplying heat to the expansion fluid in the cylinder, the piston being a plunger which leaves an annular space in the cylinder around its displacement, in which the heat supply means are arranged, and the heat supply means being a pipe coil through which a heat transfer medium can flow have, which is arranged in at least one helical winding around the displacement of the plunger.

Eine derartige Wärmekraftmaschine ist aus der AT 510 459 A1 bekannt.Such a heat engine is from AT 510 459 A1 known.

Wärmekraftmaschinen für den Niedertemperaturbetrieb, beispielsweise auch aus der EP 2 238 318 B1 , EP 2 668 374 B1 , US 2011/0100002 A1 oder US 10 975 697 B2 bekannt, verwenden als Dehnungsfluid flüssiges bzw. superkritisches Kohlendioxid (sCO2). Kohlendioxid zeigt ab einem Druck von ca. 60 - 70 bar bereits bei einer Erwärmung von nur 20 °C auf 30 °C eine Volumensexpansion um das etwa 2,2-Fache und ist daher zur Verrichtung mechanischer Arbeit aus Niedertemperatur-Wärmeträgern besonders geeignet.Heat engines for low-temperature operation, for example also from the EP 2 238 318 B1 , EP 2 668 374 B1 , US 2011/0100002 A1 or US 10 975 697 B2 known, use liquid or supercritical carbon dioxide (sCO 2 ) as the expansion fluid. From a pressure of approx. 60 - 70 bar, carbon dioxide shows a volume expansion of around 2.2 times when heated from just 20 °C to 30 °C and is therefore particularly suitable for carrying out mechanical work from low-temperature heat transfer media.

Bei den bekannten Wärmekraftmaschinen besteht weiterhin Verbesserungsbedarf hinsichtlich des Wärmeeintrags in das Dehnungsfluid, wenn dieses expandiert.In the known heat engines there is still a need for improvement with regard to the heat input into the expansion fluid when it expands.

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, eine Wärmekraftmaschine mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.The aim of the invention is to create a heat engine with improved efficiency.

Dieses Ziel wird mit einer Wärmekraftmaschine der einleitend genannten Art erreicht, die sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass die Rohrschlange in zumindest zwei voneinander radial beabstandeten wendelförmigen Wicklungen um den Hubraum des Plungerkolbens herum angeordnet ist.This goal is achieved with a heat engine of the type mentioned in the introduction, which is characterized according to the invention in that the pipe coil is in at least two of each other radially spaced helical windings are arranged around the displacement of the plunger.

Durch die Verwendung zumindest zweier wendelförmiger Wicklungen, die mit gegenseitigem Radialabstand voneinander in dem Bereich rund um den Hubraum des Plungerkolbens angeordnet sind, wird ein besonders inniger Wärmeaustausch zwischen einem fließfähigen Wärmeträgermedium, z.B. Abwasser einer Industrieanlage, Warmwasser aus einer Solaranlage usw. und dem Dehnungsfluid erreicht. Im Ergebnis kann so ein signifikant verbesserter Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine erzielt werden.By using at least two helical windings, which are arranged at a mutual radial distance from one another in the area around the displacement of the plunger, a particularly intimate heat exchange is achieved between a flowable heat transfer medium, e.g. wastewater from an industrial plant, hot water from a solar system, etc. and the expansion fluid . As a result, a significantly improved efficiency of the heat engine can be achieved.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass der Wärmeeintrag in das Dehnungsfluid bei den bekannten Konstruktionen mit zylinderinternem Wärmetauscher dadurch leidet, dass sich das Dehnungsfluid bei seiner Expansion fortschreitend weiter vom Zylinderboden und damit dem dort angeordneten Wärmetauscher wegbewegt und sich dadurch zunehmend schlechter erwärmt. Im Gegensatz dazu wird bei der Erfindung durch die Verwendung eines Plungerkolbens der rund um den Plungerkolben verbleibende Ringraum für die Anordnung der Wärmezufuhrmittel ausgenützt. Das Dehnungsfluid steht so bei seiner Expansion, wenn es den Plungerkolben aus dem Zylinder verdrängt, stets über dieselbe Axiallänge des Zylinders mit den Wärmezufuhrmitteln in Kontakt, unabhängig von der Ein- und Ausfahrstellung des Plungerkolbens. Dadurch werden ein von der Kolbenstellung weitgehend unabhängiger Wärmeeintrag in das Dehnungsfluid und damit insgesamt ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht.The invention is based on the knowledge that the heat input into the expansion fluid suffers in the known designs with an in-cylinder heat exchanger because the expansion fluid, as it expands, moves progressively further away from the cylinder base and thus the heat exchanger arranged there and therefore heats up increasingly poorly. In contrast, in the invention, by using a plunger, the annular space remaining around the plunger is used for the arrangement of the heat supply means. During its expansion, when it displaces the plunger from the cylinder, the expansion fluid is always in contact with the heat supply means over the same axial length of the cylinder, regardless of the retracted and extended positions of the plunger. This results in a heat input into the expansion fluid that is largely independent of the piston position and thus an overall improved efficiency.

Besonders günstig ist es, wenn die Wärmezufuhrmittel sich über mehr als die Hälfte, bevorzugt mehr als zwei Drittel, der Axiallänge des Ringraums erstrecken. Dadurch werden in jeder Phase der Ein- und Ausfahrbewegung des Plungerkolbens ein guter Kontakt zwischen den Wärmezufuhrmitteln und dem Dehnungsfluid und damit insgesamt ein hoher Wirkungsgrad erreicht.It is particularly favorable if the heat supply means extend over more than half, preferably more than two thirds, of the axial length of the annular space. This ensures good contact between the heat supply means and the expansion fluid in every phase of the retraction and extension movement of the plunger and thus a high level of efficiency overall.

Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine eignet sich für den Einsatz mit unterschiedlichsten Dehnungsfluiden, z.B. Mischungen aus Kohlendioxid und anderen Gasen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn - wie an sich aus den oben genannten Literaturstellen bekannt - der Zylinder mit Kohlendioxid als Dehnungsfluid gefüllt ist und auf den Plungerkolben entgegengesetzt zum Dehnungsfluid ein Vorspannfluid wirkt, welches das Kohlendioxid unter einen Vorspanndruck setzt, der über dem Verflüssigungsdruck von Kohlendioxid liegt. Dadurch kann Kohlendioxid im flüssigen bzw. superkritischen Zustand verwendet werden, welches einen besonders hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.The heat engine according to the invention is suitable for use with a wide variety of expansion fluids, for example mixtures of carbon dioxide and other gases. Particularly advantageous is when - as is known from the literature references mentioned above - the cylinder is filled with carbon dioxide as an expansion fluid and a biasing fluid acts on the plunger opposite to the expansion fluid, which puts the carbon dioxide under a biasing pressure that is above the liquefaction pressure of carbon dioxide. This means that carbon dioxide can be used in the liquid or supercritical state, which has a particularly high coefficient of thermal expansion.

Gemäß einem vorteilhaften Merkmal ist der Plungerkolben in einer stirnseitigen Stopfbuchse des Zylinders axial geführt, welche zumindest einen Dichtring aus CO2-beständigem Kunststoff und zumindest einen Gleitring auf Graphitbasis, bevorzugt aus PTFE-Graphit, enthält. Dies erzielt eine besonders reibungsarme und gleichzeitig dauerhafte Abdichtung des Plungerkolbens.According to an advantageous feature, the plunger is axially guided in a front stuffing box of the cylinder, which contains at least one sealing ring made of CO 2 -resistant plastic and at least one slide ring based on graphite, preferably made of PTFE-graphite. This achieves a particularly low-friction and at the same time durable sealing of the plunger.

Der für manche Dehnungsfluide, wie z.B. Kohlendioxid, notwendige Vorspanndruck kann auch verschiedenste Arten erreicht werden. So könnte beispielsweise der Plungerkolben mittels eines Hilfskolbens, der mit einem Vorspannfluid beaufschlagt wird, gegen das Dehnungsfluid vorgespannt werden, oder die Last, welche der Plungerkolben treibt, bringt diese Gegenkraft auf. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Wärmekraftmaschine zumindest zwei Zylinder/KolbenEinheiten der genannten Art, die gegengleich zueinander angeordnet und deren Plungerkolben starr miteinander verbunden sind. Wenn die Zylinder der beiden Zylinder/Kolben-Einheiten beispielsweise am Boden oder aneinander fixiert sind, dann bringt der eine Kolben jeweils den Vorspanndruck für das Dehnungsfluid der anderen Zylinder/Kolben-Einheit auf.The preload pressure required for some expansion fluids, such as carbon dioxide, can also be achieved in a variety of ways. For example, the plunger could be preloaded against the expansion fluid by means of an auxiliary piston that is acted upon by a preloading fluid, or the load that drives the plunger applies this counterforce. In a first preferred embodiment of the invention, the heat engine comprises at least two cylinder/piston units of the type mentioned, which are arranged opposite one another and whose plungers are rigidly connected to one another. If the cylinders of the two cylinder/piston units are fixed to the floor or to each other, for example, then one piston applies the preload pressure for the expansion fluid of the other cylinder/piston unit.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform werden die Plungerkolben zumindest zweier Zylinder/Kolben-Einheiten von einem gemeinsamen Vorspannfluid beaufschlagt, um einen gemeinsamen Vorspanndruck auf die Dehnungsfluide in den Zylindern auszuüben, wie es an sich aus der EP 2 238 318 B1 oder der EP 2 668 374 B1 bekannt ist. Dabei kann eine die Wärmezufuhrmittel steuernde, an einen Druckmesser für den Vorspanndruck angeschlossene Steuereinrichtung die Erwärm- und Abkühlphasen der Dehnungsfluide der einzelnen Zylinder/Kolben-Einheiten in Abhängigkeit vom gemessenen Vorspanndruck so steuern, dass dieser innerhalb eines vorgegebenen Bereichs gehalten wird.In a second preferred embodiment, the plungers of at least two cylinder/piston units are acted upon by a common biasing fluid in order to exert a common biasing pressure on the expansion fluids in the cylinders, as is apparent from the EP 2 238 318 B1 or the EP 2 668 374 B1 is known. One can use the heat supply means Control device connected to a pressure gauge for the preload pressure controls the heating and cooling phases of the expansion fluids of the individual cylinder/piston units depending on the measured preload pressure so that it is kept within a predetermined range.

Das gemeinsame Vorspannfluid kann gleichzeitig als Arbeitsfluid zum Betreiben einer hydraulischen Last verwendet werden, indem es von den Zylinder/Kolben-Einheiten über erste Rückschlagventile zu einem Eingang und über entgegengesetzt gerichtete zweite Rückschlagventile zu einem Ausgang einer hydraulischen Last geführt wird.The common biasing fluid can simultaneously be used as a working fluid for operating a hydraulic load by being guided from the cylinder/piston units via first check valves to an inlet and via oppositely directed second check valves to an outlet of a hydraulic load.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

  • Fig. 1 eine Wärmekraftmaschine mit vier Zylinder/KolbenEinheiten nach dem Stand der Technik in einem Prinzipschaltbild;
  • Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Wärmekraftmaschine gemäß der Erfindung mit einer einzigen Zylinder/Kolben-Einheit in einem Längsschnitt;
  • Fig. 3 ein Detail der Wärmekraftmaschine von Fig. 2 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung; und
  • Fig. 4 eine zweite Ausführungsform der Wärmekraftmaschine der Erfindung mit zwei gegenläufigen Zylinder/Kolben-Einheiten in einem perspektivischen Längsschnitt.
The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments shown in the accompanying drawings. In the drawings shows:
  • Fig. 1 a heat engine with four cylinder/piston units according to the prior art in a schematic diagram;
  • Fig. 2 a first embodiment of the heat engine according to the invention with a single cylinder/piston unit in a longitudinal section;
  • Fig. 3 a detail of the heat engine from Fig. 2 in a perspective exploded view; and
  • Fig. 4 a second embodiment of the heat engine of the invention with two opposing cylinder/piston units in a perspective longitudinal section.

Fig. 1 zeigt eine Wärmekraftmaschine 1' nach dem Stand der Technik, wie sie beispielsweise in der EP 2 668 374 B1 beschrieben ist. Die Wärmekraftmaschine 1' hat eine oder mehrere (hier: vier) Zylinder/Kolben-Einheiten 2 - 5. Jede Zylinder/Kolben-Einheit 2 - 5 hat einen Zylinder 6, in dem sich ein Kolben 7 (hier: ein Scheibenkolben) zwischen einer eingefahrenen Stellung (gezeigt bei 2) und einer ausgefahrenen Stellung (gezeigt bei 5) bewegen kann. Fig. 1 shows a heat engine 1 'according to the prior art, as shown, for example, in EP 2 668 374 B1 is described. The heat engine 1 'has one or more (here: four) cylinder/piston units 2 - 5. Each cylinder/piston unit 2 - 5 has a cylinder 6 in which a piston 7 (here: a disk piston) is located between one retracted position (shown at 2) and an extended position (shown at 5).

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 eingefahrenen in die ausgefahrene Stellung zu bewegen, bzw. kontrahiert bei seiner Abkühlung, um den Kolben 7 wieder zurückzubewegen.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 when cooled to move the piston 7 back again.

Im gezeigten Beispiel ist das Dehnungsfluid 8 flüssiges Kohlendioxid (CO2), das bei Raumtemperatur einen Verflüssigungsdruck von ca. 65 bar hat. Im superkritischen Zustand, der über 73,8 bar und über 31 °C erreicht wird, zeigt Kohlendioxid bei einer Temperaturänderung von z.B. 10 °C eine Wärmedehnung um das etwa 2,2-Fache. Anstelle von reinem Kohlendioxid könnten auch Mischungen von flüssigem Kohlendioxid mit anderen Stoffen als Dehnungsfluid 8 verwendet werden.In the example shown, the expansion fluid 8 is liquid carbon dioxide (CO 2 ), which has a liquefaction pressure of approximately 65 bar at room temperature. In the supercritical state, which is reached above 73.8 bar and above 31 °C, carbon dioxide shows a thermal expansion of around 2.2 times with a temperature change of, for example, 10 °C. Instead of pure carbon dioxide, mixtures of liquid carbon dioxide with other substances could also be used as expansion fluid 8.

Um das CO2 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 Dehnungsfluid 8 beaufschlagt bzw. vorgespannt. Für den superkritischen Zustand wird der Vorspanndruck entsprechend höher gewählt.In order to keep the CO 2 as expansion fluid 8 in its liquid state, the piston 7 is acted upon or biased with a preload pressure greater than or equal to the liquefaction pressure in the direction of the expansion fluid 8. For the supercritical condition, the preload pressure is selected correspondingly higher.

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/Kolben-Einheiten 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 11‴ umwandelt. Zwischen dem Eingang 11' und dem Ausgang 11" der Last 10 tritt dabei ein Druckabfall Δp auf. Anstelle eines Hydraulikmotors könnte auch jede andere Art von hydraulischer Last 10 eingesetzt werden, welche mit einem Druckgefälle Δp antreibbar ist, wie in der Technik bekannt.The preload pressure is exerted by a preload fluid 9, which acts in the space 6" to the right side of each piston 7, ie on the side of each piston 7 facing away from the expansion fluid 8. The preload fluid 9 - preferably a hydraulic oil - circulates in all cylinders/pistons -Units 2 - 5 common hydraulic circuit, which contains a hydraulic load 10. The hydraulic load 10 is, for example, a hydraulic motor with an input 11 'and an output 11", through which the preload fluid 9 flows and the pressure energy or kinetic energy of the preload fluid 9 is converted into mechanical work for an output shaft 11‴. A pressure drop Δp occurs between the input 11' and the output 11" of the load 10. Instead of a hydraulic motor, any other type of hydraulic load 10 could also be used, which can be driven with a pressure drop Δp, as is known in the art.

Das Vorspannfluid 9 ist von den Zylinder/Kolben-Einheiten 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/Kolben-Einheiten 2 - 5. Jeder einzelnen Zylinder/Kolben-Einheit 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".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 inlet 11' of the load 10, and from its outlet 11" via a second manifold 13" and a Set of second check valves 12" back to the cylinder spaces 6" of the cylinder/piston units 2 - 5. Each individual cylinder/piston unit 2 - 5 is therefore a first one that opens and in the direction from the space 6" to the entrance 11' assigned to a check valve 12' which blocks in the opposite direction, as well as a second check valve 12' which opens from the outlet 11" to the space 6" and blocks in the opposite direction.

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 p1 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 Δp verringerte zweite Druckniveau p2 vom Ausgang 11" der Last 10 ("Ausgangsdruck") über die zweite Sammelleitung 13" in die jeweilige Zylinder/Kolben-Einheiten 2 - 5 rückwirkt und das Dehnungsfluid 8 vorspannend beaufschlagt.When a piston 7 is extended (arrow 14'), the biasing fluid 9 thus establishes a first pressure level p 1 at the inlet 11' of the load 10 (inlet pressure) via the first check valves 12' and the first manifold 13' - as a "working fluid", so to speak. When the piston 7 retracts (arrow 14"), the respective first check valve 12' closes and the respective second check valve 12" opens, so that the second pressure level p 2 , reduced by the pressure drop Δp, from the outlet 11" of the load 10 ("output pressure") via the second manifold 13" in the respective cylinder/piston units 2 - 5 and the expansion fluid 8 is biased.

Der Druck des Vorspannfluids 9 in den Räumen 6" der Zylinder/Kolben-Einheiten 2 - 5 pendelt daher zwischen dem Eingangsdruck (oberen Niveau) p1 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 CO2, unterschreitet und gleichzeitig die gewünschte oder erforderliche Druckdifferenz Δp = p1 - p2 an der Last 10 aufrechterhalten wird.The pressure of the preload fluid 9 in the spaces 6" of the cylinder/piston units 2 - 5 therefore oscillates between the inlet pressure (upper level) p 1 when extending (arrow 14 ') and the outlet pressure (lower level) p 2 when retracting (arrow 14"). As will be explained in more detail later, appropriate pressure measuring and control devices ensure that the lower pressure level, the initial pressure p 2 , of the biasing fluid 9 does not exceed the necessary operating pressure for the biasing fluid 9, for example, in any phase of the movement 14', 14". falls below the liquefaction pressure of liquid CO 2 and at the same time the desired or required pressure difference Δp = p 1 - p 2 at the load 10 is maintained.

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 abzupuffern. Alternativ oder zusätzlich kann auch an den Ausgang 11" bzw. die Sammelleitung 13" ein zweiter derartiger elastischer Zwischenspeicher 15" angeschaltet werden.A first elastic buffer 15' can be connected to the inlet 11' or the collecting line 13', for example a pressure vessel filled with gas and/or with an elastic membrane 15, in order to buffer short-term pressure fluctuations. Alternatively or additionally, a second such elastic buffer 15" can also be connected to the output 11" or the collecting line 13".

Die Erwärmung der Dehnungsfluide 8 in den Zylinder/KolbenEinheiten 2 - 5 wird mit Hilfe von steuerbaren Wärmezufuhrmitteln 16 - 20 veranlasst. Die Wärmezufuhrmittel 16 - 20 umfassen im gezeigten Beispiel einen Wärmetauscher 16 für jede Zylinder/Kolben-Einheit 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).The expansion fluids 8 in the cylinder/piston units 2 - 5 are heated using controllable heat supply means 16 - 20. In the example shown, the heat supply means 16 - 20 include 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 heated, for example, by a solar panel 18 in a heat transfer circuit 19 (return lines in Fig. 1 not shown for clarity).

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/Kolben-Einheit 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 zwangskoppelt.Each heat exchanger 16 is provided with a controllable check valve 20. The check valves 20 are opened alternately and intermittently by a central control device 21 in order to alternately heat and cool each cylinder/piston unit 2-5, thereby alternatingly expanding and contracting the expansion fluids 8 in the cylinders 6 and thus ultimately the pistons 7 to move back and forth. The piston movements are synchronized via the preload fluid 9 circulating in the hydraulic circuit 10 - 13, in that the preload fluid 9 flowing back from the outlet 11 'via the second check valves 12" supports and forcibly couples the retraction movement (arrow 14").

Die Steuereinrichtung 21 betätigt die Sperrventile 20 in Abhängigkeit von Messwerten des Eingangsdrucks p1 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 Mindest-Vorspanndruck festgelegt.The control device 21 actuates the check valves 20 depending on measured values of the input pressure p 1 and preferably also of the output pressure p 2 , which it receives from corresponding pressure gauges 22 ', 22 ", which are connected to the inputs 11 ', 11" or their manifolds 13 ' , 13" are connected. A first, primary control goal of the control device 21 is to keep the output pressure p 2 within a first predetermined range p 2,min , p 2,max , which is determined in particular by the minimum preload pressure for the expansion fluid 8, for example (depending on temperature) approx. 50 - 60 bar for liquid carbon dioxide in the temperature range 20 - 50 ° C. In particular, the lower limit p 2,min of the first range is determined by the required minimum preload pressure.

Weitere Regelungsziele der Steuereinrichtung 21 können sein, dass gleichzeitig darauf geachtet wird, dass der Eingangsdruck p1 innerhalb eines vorgegebenen (zweiten) Bereichs p1,min, p1,max liegt. Der erste und der zweite Bereich können i-dent 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 p1 in einem oberen Bereich (Druckband) liegt. Mit der letztgenannten Ausführungsform kann auch eine Mindestdruckdifferenz bzw. ein Mindest-Druckabfall Δp - p1 - 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.Further control objectives of the control device 21 can be to simultaneously ensure that the input pressure p 1 lies within a predetermined (second) range p 1,min , p 1,max . The first and second areas may be i-dent or partially overlap or directly adjoin each other or be spaced apart, in which latter case the output pressure p 2 in a lower area (pressure band) and the input pressure p 1 in an upper area (pressure band ) lies. With the latter embodiment, a minimum pressure difference or a minimum pressure drop Δp - p 1 - p 2 can also be set at the load 10 if such a difference is required for the proper operation of the load 10, or the pressure difference for the load 10 varies optionally to specify or control their energy consumption, for example.

Wenn der Druckabfall Δp 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 Δp der Last 10 steuern, siehe optionale Steuerleitung e1. Beispielsweise können die aufgrund der aktuellen Temperaturbedingungen erzielbaren Druckbereiche von Ein- und Ausgangsdruck p1, p2 dazu verwendet werden, eine ausnützbare Druckdifferenz p1 - p2 zu berechnen und diese als Vorgabe für den Druckabfall Δp an der Last 10 einzustellen.If the pressure drop Δp across the load 10 is adjustable, ie the work of the load 10 can be controlled, the control device 21 can also control the pressure drop Δp of the load 10 in further control objectives, see optional control line e 1 . For example, the pressure ranges of inlet and outlet pressure p 1 , p 2 that can be achieved based on the current temperature conditions can be used to calculate a usable pressure difference p 1 - p 2 and to set this as a specification for the pressure drop Δp at the load 10.

Die genannten Regelungsziele der Steuereinrichtung 21 werden z.B. mit einer Steuerung der Anzahl jener Zylinder/KolbenEinheiten 2 - 5, welche sich zu einem bestimmten Zeitpunkt gerade in der Erwärmphase befinden, im Verhältnis zu der Anzahl jener anderen Zylinder/Kolben-Einheiten 2 - 5, die sich zu diesem Zeitpunkt gerade in der Abkühlphase befinden, erreicht, wie in der EP 2 668 374 B1 beschrieben ist.The stated control objectives of the control device 21 are achieved, for example, by controlling the number of those cylinder/piston units 2 - 5 which are currently in the heating phase at a certain point in time, in relation to the number of those other cylinder/piston units 2 - 5 which yourself to this The point at which we are currently in the cooling phase is reached, as in the EP 2 668 374 B1 is described.

Die in Fig. 1 gezeigten Zylinder/Kolben-Einheiten 2 - 5 mit Scheibenkolben 7, die sich bei der Expansion der Dehnungsfluide 8 von den an den Zylinderböden 6‴ angeordneten Wärmetauschern 16 wegbewegen, hat den Nachteil, dass mit fortschreitender Expansion des Dehnungsfluids 8 dieses immer weniger vom Wärmetauscher 16 erreicht wird, siehe z.B. die maximale Ausfahr-Stellung der Zylinder/Kolben-Einheit 5. Dadurch verschlechtert sich der Wärmeübertrag vom Wärmetauscher 16 zum Dehnungsfluid 8 speziell im Bereich des Hubraums 23, den jeder Kolben 7 im Zylinder 6 überstreicht. Die in den Fig. 2 - 4 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung überwinden dieses Problem.In the Fig. 1 Cylinder/piston units 2 - 5 shown with disc pistons 7, which move away from the heat exchangers 16 arranged on the cylinder bases 6‴ during the expansion of the expansion fluid 8, have the disadvantage that as the expansion fluid 8 continues to expand, it becomes less and less separated from the heat exchanger 16 is achieved, see for example the maximum extended position of the cylinder/piston unit 5. This deteriorates the heat transfer from the heat exchanger 16 to the expansion fluid 8, especially in the area of the displacement 23, which each piston 7 in the cylinder 6 sweeps over. The ones in the Fig. 2 - 4 Illustrated embodiments of the invention overcome this problem.

In den Fig. 2 - 4 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wie in Fig. 1, und es wird im Folgenden nur auf die Unterschiede gegenüber der Ausführungsform von Fig. 1 eingegangen.In the Fig. 2 - 4 The same reference numerals denote the same parts as in Fig. 1 , and the following will only focus on the differences compared to the embodiment of Fig. 1 received.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine 1 mit einer einzigen Zylinder/Kolben-Einheit 2. Es versteht sich, dass die Wärmekraftmaschine 1 von Fig. 2 auch mehr als eine Zylinder/Kolben-Einheit 2 haben könnte, beispielsweise zwei, drei oder mehr Zylinder/Kolben-Einheiten 2 - 5, die alle wie die in Fig. 2 gezeigte Zylinder/Kolben-Einheit 2 ausgeführt sind und wie in Fig. 1 über ein gemeinsames Vorspannfluid 9 zusammengeschaltet sein können, das gleichzeitig als Arbeitsfluid einer Last 10 dienen kann. Fig. 2 shows a first embodiment of a heat engine 1 according to the invention with a single cylinder/piston unit 2. It is understood that the heat engine 1 of Fig. 2 could also have more than one cylinder/piston unit 2, for example two, three or more cylinder/piston units 2 - 5, all like those in Fig. 2 Cylinder/piston unit 2 shown are designed and as in Fig. 1 can be interconnected via a common biasing fluid 9, which can simultaneously serve as the working fluid of a load 10.

Gemäß Fig. 2 ist der Kolben 7 der Zylinder/Kolben-Einheit 2 als Plungerkolben 24 ausgeführt. Im Gegensatz zu einem Scheibenkolben dichtet der Plungerkolben 24 nicht gegenüber der Innenumfangswand des Zylinders 6 ab, sondern belässt rund um seinen Hubraum 25 einen Ringraum 26. Der Hubraum 25 ist jenes Volumen, das der Plungerkolben 24 in seiner vollständig eingefahrenen Stellung (in Fig. 2 und bei der linken Zylinder/KolbenEinheit 2 von Fig. 4 dargestellt) einnimmt und in seiner vollständig ausgefahrenen Stellung (bei der rechten Zylinder/Kolben-Einheit 3 von Fig. 4 dargestellt) im Zylinder 6 freigibt.According to Fig. 2 the piston 7 of the cylinder/piston unit 2 is designed as a plunger piston 24. In contrast to a disc piston, the plunger 24 does not seal against the inner peripheral wall of the cylinder 6, but leaves an annular space 26 around its displacement 25. The displacement 25 is the volume that the plunger 24 has in its fully retracted position (in Fig. 2 and on the left cylinder/piston unit 2 of Fig. 4 shown) and in its fully extended position (on the right cylinder/piston unit 3 of Fig. 4 shown) in cylinder 6 releases.

Der Plungerkolben 24 ist beispielsweise in Form einer zylindrischen Stange ausgebildet und in einer Stopfbuchse 27 axial geführt, die in eine Stirnseite 28 des Zylinders 6 eingesetzt ist, d.h. der Plungerkolben 24 durchsetzt dort die Stirnseite 28 des Zylinders 6 und fährt dort aus. Das ausfahrende Ende 29 des Plungerkolbens 24 kann dort gleich als Arbeitskolbenfläche in einen Hilfszylinder 30 eintreten, welcher z.B. das Vorspann- und Arbeitsfluid 9 enthält. Die Stopfbuchse 27 ist mit zumindest einem Dichtring 31, z.B. aus CO2-beständigem Kunststoff, und/oder zumindest einem Gleitring 32, z.B. auf Graphitbasis, bevorzugt aus PTFE-Graphit, ausgestattet.The plunger 24 is designed, for example, in the form of a cylindrical rod and is axially guided in a stuffing box 27, which is inserted into an end face 28 of the cylinder 6, ie the plunger 24 passes through the end face 28 of the cylinder 6 there and extends there. The extending end 29 of the plunger 24 can enter there as a working piston surface in an auxiliary cylinder 30, which contains the preload and working fluid 9, for example. The stuffing box 27 is equipped with at least one sealing ring 31, for example made of CO 2 -resistant plastic, and/or at least one slide ring 32, for example based on graphite, preferably made of PTFE-graphite.

In dem Ringraum 26 rund um den Hubraum 25 des Plungerkolben 24 sind Wärmezufuhrmittel 33 zur Erwärmung des Dehnungsfluids 8 angeordnet. Die Wärmezufuhrmittel 33 können beispielsweise eine elektrische Heizschlange sein. Im gezeigten Beispiel sind die Wärmezufuhrmittel 33 ein Wärmetauscher für das Wärmeträgermedium 17, und zwar insbesondere eine Rohrschlange 34 zur Durchströmung mit dem Wärmeträgermedium 17, das vom Solarpanel 18 erwärmt wird.Heat supply means 33 for heating the expansion fluid 8 are arranged in the annular space 26 around the displacement 25 of the plunger 24. The heat supply means 33 can be, for example, an electrical heating coil. In the example shown, the heat supply means 33 are a heat exchanger for the heat transfer medium 17, in particular a pipe coil 34 for the flow of the heat transfer medium 17, which is heated by the solar panel 18.

Die Wärmezufuhrmittel 33 bzw. (hier:) die Rohrschlange 34 erstrecken sich über einen wesentlichen Teil der Axiallänge L des Ringraums 26, insbesondere über mindestens die Hälfte der Axiallänge L, bevorzugt über mindestens zwei Drittel der Axiallänge L. Dadurch bleibt das Dehnungsfluid 8 über einen größeren Teil der Längserstreckung des Zylinders 6 in Wärmekontakt mit den Wärmezufuhrmitteln 33, unabhängig von der Ein- und AusfahrStellung des Plungerkolbens 24. Im gezeigten Beispiel ist die die Wärmezufuhrmittel 33 bildende Rohrschlange 34 in Form zweier koaxialer, sich axial weitestgehend überlappender wendelförmiger Wicklungen 35, 36 rund um den Hubraum 25 des Plungerkolben 24 herum angeordnet.The heat supply means 33 or (here:) the pipe coil 34 extend over a substantial part of the axial length L of the annular space 26, in particular over at least half of the axial length L, preferably over at least two thirds of the axial length L. As a result, the expansion fluid 8 remains over one Larger part of the longitudinal extent of the cylinder 6 is in thermal contact with the heat supply means 33, regardless of the retracted and extended position of the plunger 24. In the example shown, the pipe coil 34 forming the heat supply means 33 is in the form of two coaxial, axially largely overlapping helical windings 35, 36 arranged around the displacement 25 of the plunger 24.

Fig. 3 zeigt die doppelwendelförmige Rohrschlange 34 bei teilweise ausgefahrenem Plungerkolben 24 im Detail. Es versteht sich, dass die Rohrschlange 34 auch in einer oder mehr als zwei Wicklungen 35, 36 verlaufen und/oder aus Teil-Rohrschlangen 34 zusammengesetzt sein kann. Die ein oder mehreren Wicklungen 35, 36 der Rohrschlange 34 sind vom Außenumfang des Plungerkolbens 24, vom Innenumfang des Zylinders 6 sowie voneinander jeweils radial beabstandet, um eine Umspülung der Rohrschlage 34 mit Dehnungsfluid 8 von allen Seiten zu ermöglichen. Fig. 3 shows the double-helical coil 34 in detail with the plunger 24 partially extended. It is understood that the pipe coil 34 can also run in one or more than two windings 35, 36 and/or can be composed of partial pipe coils 34. The one or more windings 35, 36 of the pipe coil 34 are spaced radially from the outer circumference of the plunger 24, from the inner circumference of the cylinder 6 and from each other in order to enable the pipe joint 34 to be flushed with expansion fluid 8 from all sides.

Im Falle von zwei oder mehr Wicklungen 35, 36 werden diese insbesondere gegenläufig durchströmt. Beispielsweise verlauft die Wendelrichtung der inneren Wicklung 35 entgegengesetzt zur Wendelrichtung der äußeren Wicklung 36 und die beiden Wicklungen 35, 36 sind an einem Ende zusammengeschaltet.In the case of two or more windings 35, 36, flow flows through them in particular in opposite directions. For example, the winding direction of the inner winding 35 is opposite to the winding direction of the outer winding 36 and the two windings 35, 36 are connected together at one end.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Wärmekraftmaschine 1 mit zwei Zylinder/Kolben-Einheiten 2, 3, die jeweils wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt aufgebaut sind. Die beiden Zylinder/Kolben-Einheiten 2, 3 sind hier koaxial und axial hintereinanderliegend sowie gegenläufig zueinander angeordnet. Die beiden Zylinder 6 der Zylinder/Kolben-Einheit 2, 3 sind über den zwischenliegenden Hilfszylinder 30 starr miteinander verbunden, und die beiden Plungerkolben 24 sind an ihren jeweiligen Enden 29 bei 37 starr miteinander verbunden. Fig. 4 shows an alternative embodiment of the heat engine 1 with two cylinder/piston units 2, 3, each as in the Fig. 2 and 3 are constructed as shown. The two cylinder/piston units 2, 3 are arranged here coaxially and axially one behind the other and in opposite directions to one another. The two cylinders 6 of the cylinder/piston unit 2, 3 are rigidly connected to one another via the intermediate auxiliary cylinder 30, and the two plungers 24 are rigidly connected to one another at their respective ends 29 at 37.

An ihrer Verbindungsstelle 37 können die beiden Plungerkolben 24 einen doppeltwirkenden Scheibenkolben 38 tragen, der sich im Hilfszylinder 30 hin und her bewegt und dort zwei Zylinderkammern 39, 40 bildet, in denen das Vorspann- und/oder Arbeitsfluid 9 betrieben werden kann. Der Vorspanndruck für die Dehnungsfluide 8 in den Zylindern 6 der beiden Zylinder/KolbenEinheiten 2, 3 wird dabei durch entsprechende Dimensionierung der Längen der Zylinder 6, 30 und der Plungerkolben 24 erreicht.At their connection point 37, the two plungers 24 can carry a double-acting disc piston 38, which moves back and forth in the auxiliary cylinder 30 and forms two cylinder chambers 39, 40 in which the preload and / or working fluid 9 can be operated. The preload pressure for the expansion fluids 8 in the cylinders 6 of the two cylinder/piston units 2, 3 is achieved by appropriately dimensioning the lengths of the cylinders 6, 30 and the plunger pistons 24.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten, Modifikationen und Kombinationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen.The invention is not limited to the illustrated embodiments, but includes all variants and modifications and combinations that fall within the scope of the appended claims.

Claims (8)

Wärmekraftmaschine, insbesondere für den Niedertemperaturbetrieb zur Verwertung von Solarwärme oder Abwärme aus biologischen oder industriellen Prozessen, mit zumindest einer Zylinder/Kolben-Einheit (2 - 5), deren Zylinder (6) zur Aufnahme eines Dehnungsfluids (8) ausgebildet ist, welches bei Temperaturänderung sein Volumen ändert und so den Kolben im Zylinder (6) bewegt, und mit Mitteln (33) zur Wärmezufuhr zum Dehnungsfluid (8) im Zylinder (6), wobei der Kolben ein Plungerkolben (24) ist, der im Zylinder (6) rund um seinen Hubraum (25) einen Ringraum (26) belässt, in welchem die Wärmezufuhrmittel (33) angeordnet sind, und wobei die Wärmezufuhrmittel (33) eine von einem Wärmeträgermedium durchströmbare Rohrschlange (34) aufweisen, die in zumindest einer wendelförmigen Wicklung (35, 36) um den Hubraum (25) des Plungerkolbens (24) herum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrschlange (34) in zumindest zwei voneinander radial beabstandeten wendelförmigen Wicklungen (35, 36) um den Hubraum (25) des Plungerkolbens (24) herum angeordnet ist.Heat engine, in particular for low-temperature operation for the utilization of solar heat or waste heat from biological or industrial processes, with at least one cylinder/piston unit (2 - 5), the cylinder (6) of which is designed to receive an expansion fluid (8), which when the temperature changes its volume changes and so moves the piston in the cylinder (6), and with means (33) for supplying heat to the expansion fluid (8) in the cylinder (6), the piston being a plunger (24) which is round in the cylinder (6). leaves an annular space (26) around its displacement (25), in which the heat supply means (33) are arranged, and wherein the heat supply means (33) have a pipe coil (34) through which a heat transfer medium can flow, which is in at least one helical winding (35, 36) is arranged around the displacement (25) of the plunger (24), characterized in that the tubular coil (34) in at least two radially spaced helical windings (35, 36) around the displacement (25) of the plunger (24) is arranged around. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhrmittel (33) sich über mehr als die Hälfte, bevorzugt mehr als zwei Drittel, der Axiallänge (L) des Ringraums (26) erstrecken.Heat engine according to claim 1, characterized in that the heat supply means (33) extend over more than half, preferably more than two thirds, of the axial length (L) of the annular space (26). Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (6) mit Kohlendioxid als Dehnungsfluid (8) gefüllt ist und auf den Plungerkolben (24) entgegengesetzt zum Dehnungsfluid (8) ein Vorspannfluid (9) wirkt, welches das Kohlendioxid unter einen Vorspanndruck setzt, der über dem Verflüssigungsdruck von Kohlendioxid liegt.Heat engine according to claim 1 or 2, characterized in that the cylinder (6) is filled with carbon dioxide as an expansion fluid (8) and a biasing fluid (9) acts on the plunger (24) opposite to the expansion fluid (8), which submerges the carbon dioxide Preload pressure sets that is above the liquefaction pressure of carbon dioxide. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Plungerkolben (24) in einer stirnseitigen Stopfbuchse (27) des Zylinders (6) axial geführt ist, welche zumindest einen Dichtring (31) aus CO2-beständigem Kunststoff und zumindest einen Gleitring (32) auf Graphitbasis, bevorzugt aus PTFE-Graphit, enthält.Heat engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the plunger (24) is axially guided in a front stuffing box (27) of the cylinder (6), which has at least one sealing ring (31) made of CO 2 -resistant Plastic and at least one slide ring (32) based on graphite, preferably made of PTFE-graphite. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch zumindest zwei Zylinder/Kolben-Einheiten (2, 3) der genannten Art, die gegengleich zueinander angeordnet und deren Plungerkolben (24) starr miteinander verbunden sind.Heat engine according to one of claims 1 to 4, characterized by at least two cylinder/piston units (2, 3) of the type mentioned, which are arranged opposite one another and whose plungers (24) are rigidly connected to one another. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch zumindest zwei Zylinder/Kolben-Einheiten (2 - 5) der genannten Art, deren Plungerkolben (24) von einem gemeinsamen Vorspannfluid (9) beaufschlagt sind, um einen gemeinsamen Vorspanndruck auf die Dehnungsfluide (8) in den Zylindern (6) auszuüben.Heat engine according to one of claims 1 to 4, characterized by at least two cylinder/piston units (2 - 5) of the type mentioned, the plunger pistons (24) of which are acted upon by a common preload fluid (9) in order to apply a common preload pressure to the expansion fluids ( 8) in the cylinders (6). Wärmekraftmaschine nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine die Wärmezufuhrmittel (33) steuernde, an einen Druckmesser (22', 22") für den Vorspanndruck angeschlossene Steuereinrichtung (21), welche dafür ausgebildet ist, die Erwärm- und Abkühlphasen der Dehnungsfluide (8) der einzelnen Zylinder/Kolben-Einheiten (2 - 5) in Abhängigkeit vom gemessenen Vorspanndruck (p1, p2) zu steuern, um diesen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zu halten.Heat engine according to claim 6, characterized by a control device (21) which controls the heat supply means (33) and is connected to a pressure gauge (22', 22") for the preload pressure and is designed to control the heating and cooling phases of the expansion fluids (8). to control individual cylinder/piston units (2 - 5) depending on the measured preload pressure (p 1 , p 2 ) in order to keep this within a predetermined range. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannfluid (9) von den Zylinder/Kolben-Einheiten (2 - 5) über erste Rückschlagventile (12') zu einem Eingang (11') und über entgegengesetzt gerichtete zweite Rückschlagventile (12") zu einem Ausgang (11") einer hydraulischen Last (10) geführt ist.Heat engine according to claim 6 or 7, characterized in that the biasing fluid (9) from the cylinder/piston units (2 - 5) via first check valves (12') to an inlet (11') and via oppositely directed second check valves (12 ") is led to an output (11") of a hydraulic load (10).
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