DE102006018686B4 - Kolbenloser Stirlingmotor - Google Patents

Kolbenloser Stirlingmotor

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DE102006018686B4
DE102006018686B4 DE200610018686 DE102006018686A DE102006018686B4 DE 102006018686 B4 DE102006018686 B4 DE 102006018686B4 DE 200610018686 DE200610018686 DE 200610018686 DE 102006018686 A DE102006018686 A DE 102006018686A DE 102006018686 B4 DE102006018686 B4 DE 102006018686B4
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Daniel Jope
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/20Other positive-displacement pumps
    • F04B19/24Pumping by heat expansion of pumped fluid

Abstract

Kolbenloser Stirlingmotor mit Reaktoren, einem Sammler, einer Turbine und einem Vorratssammler, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoren jeweils mit einem Heiz- und einem Kühlkreislauf ausgestattet und jeweils mit einer Einlass- und einer Auslassöffnung versehen sind und mit einem Medium gefüllt sind, und der Sammler mit den Auslassöffnungen der Reaktoren verbunden ist und permanent beheizt wird, und einer Turbine, welche sich an die Auslassöffnung des Sammlers anschließt, und einem Vorratssammler, welcher mit dem Auslass der Turbine verbunden ist und permanent gekühlt wird und mit den Einlassöffnungen der Reaktoren verbunden ist.

Description

  • [0001]
    Auf dem Gebiet der Umwandlung von Wärme in Bewegungsenergie ist der Stirlingmotor ein seit 1816 bekanntes Prinzip. Es wurde versucht mit Verbesserungen der Maschine beispielsweise durch berührungsfreie Kolben, an Plattfedern aufgehängten Kolben, Einsatz anderer Medien als Luft usw. eine Effizienzsteigerung herbeizuführen und eine großtechnische Anwendung sinnvoll zu ermöglichen. Der ungleichmäßige Lauf, teilweise Notwendigkeit des Fremdstartes, die schlechte Regulierbarkeit usw., sind beim herkömmlichen Stirlingmotor hauptsächlich durch das Kolbenprinzip bedingt.
  • [0002]
    Ein kolbenloses Prinzip einer Wärmekraftmaschine ist beispielsweise aus der DE 3903 430 A1 entnehmbar. Der Intermittierende Strömungsbeschleuniger mit Wärmetauscher ist ein kolbenloses Stirling-Prinzip, bei dem zwei Wärmetauscher, die in einem Gefäß installiert sind, ein Arbeitsmedium erst erhitzen und dann abkühlen sollen. Der Wärmeträger wird in einem Kreislauf erhitzt oder gekühlt in den 1. oder in den 2. Wärmetauscher gepumpt.
  • [0003]
    Zudem wird noch auf die Druckschriften DE 41 03 623 A1 und US 2 969 637 A verwiesen.
  • [0004]
    Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit dieser die anfallende (Abfall-)Wärmeenergie effizienter zu nutzen und auch in Temperaturbereichen unter 100 Grad Celsius Wirkungsvoll arbeiten zu können.
  • [0005]
    Die Aufgabe wird durch einen kolbenlosen Stirlingmotor gemäß Anspruch 1 gelöst. Der kolbenlose Stirlingmotor besteht aus Behältern (nachfolgend Reaktoren genannt), die Einlass und Auslass besitzen. Diese Ein- und Auslassöffnungen können mit Hilfe von Ventilen geöffnet oder geschlossen werden.
  • [0006]
    Die Reaktoren sind weiterhin mit Druck- und Temperaturmessfühlern sowie einem Heiz- und einem Kühlkreislauf ausgestattet, mit denen sie abwechselnd erwärmt oder gekühlt werden,
    außerdem sind sie an ihrer Auslassöffnung an einen Sammler angeschlossen. An der Auslassöffnung des Sammlers befindet sich eine Turbine. Der Sammler wird permanent beheizt. Der Auslass der Turbine mündet in einen Vorratssammler, dieser wird permanent gekühlt und ist so dimensioniert, das die Verweildauer groß genug ist, um das Arbeitsmedium weit genug herunter zu kühlen. Der Vorratssammler ist an eine Rücklaufleitung (ebenfalls permanent gekühlt) angebunden, die wiederum an die Einlassöffnungen der Reaktoren angebunden ist. Auch die Einlassöffnungen können mit Hilfe von Ventilen geöffnet oder geschlossen werden.
  • [0007]
    Sammler, Vorratsammler und Rücklaufleitung sind wie die Reaktoren mit Druck- und Temperaturmessfühlern ausgestattet. Die gesamte Anlage ist geschlossen und nach außen hin gasdicht (siehe einzige Figur).
  • [0008]
    Das gesamte System wird mit einem Medium (Gas o. Flüssigkeit) gefüllt, dessen Volumen sich bei Temperaturschwankungen stark verändert. Bei Flüssigkeiten darf der Sammler nicht komplett befüllt werden. Die Ventile der Reaktoren sind geschlossen. Der erste Reaktor wird aufgeheizt – das Medium vergrößert sein Volumen – der Druck im Reaktor steigt. Ist der Druck höher als im Sammler, wird das Auslassventil des Reaktors zum Sammler geöffnet und der Reaktor wird weiter erwärmt.
  • [0009]
    Wenn der Druck im Reaktor nicht mehr steigt, wird das Auslassventil geschlossen und der Reaktor wird gekühlt. Der im Sammler aufgebaute Druck wird über eine Turbine in Bewegungsenergie gewandelt und abgebaut. Durch die Kühlung fällt der Druck im Reaktor. Ist der Druck im Reaktor gleich dem oder unter dem im Vorratssammler und der Rücklaufleitung gefallen, wird das Einlassventil des Reaktors geöffnet – das Medium gelangt gekühlt in den Reaktor zurück, das Einlassventil wird geschlossen und die Aufheizphase kann erneut beginnen.
  • [0010]
    So werden alle am Sammler angeschlossenen Reaktoren phasenverschoben betrieben. Der Prozess (Ventile, Heiz- u. Kühlkreisläufe) wird computergesteuert und nach den durch die Sensoren erfassten Daten optimiert.
  • [0011]
    Ein nach diesem Prinzip arbeitendes System kann besser als der herkömmliche Stirlingmotor für großtechnische Anlagen (beispielsweise Abwärmenutzung von Kraftwerken oder Solarthermiegroßanlagen) genutzt werden.
  • [0012]
    Die Wärmequellen werden sowohl für das Aufheizen als auch für die Erzeugung der Kälte genutzt.
  • [0013]
    Dieses System isst besser steuerbar als das herkömmliche, es arbeitet gleichmäßiger und effizienter durch die Entkoppelung von Druckerzeugung und Umsetzung in Bewegungsenergie, durch Verhindern von Verlusten die beim Modell mit Kolben
    beispielsweise durch Spalte zwischen Kolben und Zylinder oder auch durch den Energieaufwand der beim Herausdrücken des aufgeheizten Mediums aus dem Zylinder in den Wandler entstehen.
  • [0014]
    Am Beispiel der Abwärmenutzung in einem Kraftwerk wird das kolbenlose Prinzip verdeutlicht. In Kraftwerken fallen große Mengen an Wärme an, die oft ohne weitere Nutzung in die Umwelt abgegeben werden (z. B. Kühlturm).
  • [0015]
    Mit dem kolbenlosen Stirlingmotor/Wärmedifferenzmaschine könnte die Wärme in Bewegungsenergie umgesetzt und damit zum Beispiel Verstromt werden. Die anfallende Wärme wird zum Teil in einen Heizkreislauf eingespeist und zum anderen zur Erzeugung von Kälte benutzt, um diese dann in den Kühlkreislauf einzuspeisen.
  • [0016]
    Die Funktionsweise ist die Gleiche wie bereits beschrieben. Die Reaktoren werden computergesteuert unter Abgleich der Temperatur und Druckdaten und der Stellung der Ein- und Auslassventile abwechselnd mit Heiz- oder Kühlkreislauf befahren. Die Druckerhöhungen werden dem Sammler zugeführt und weiter wie oben beschrieben.

Claims (6)

  1. Kolbenloser Stirlingmotor mit Reaktoren, einem Sammler, einer Turbine und einem Vorratssammler, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoren jeweils mit einem Heiz- und einem Kühlkreislauf ausgestattet und jeweils mit einer Einlass- und einer Auslassöffnung versehen sind und mit einem Medium gefüllt sind, und der Sammler mit den Auslassöffnungen der Reaktoren verbunden ist und permanent beheizt wird, und einer Turbine, welche sich an die Auslassöffnung des Sammlers anschließt, und einem Vorratssammler, welcher mit dem Auslass der Turbine verbunden ist und permanent gekühlt wird und mit den Einlassöffnungen der Reaktoren verbunden ist.
  2. Kolbenloser Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass- und Auslassöffnungen der Reaktoren mit Ventilen ausgestattet sind.
  3. Kolbenloser Stirlingmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammler, der Vorratsammler und die Reaktoren mit Druck und Temperaturmessfühlern ausgestattet sind.
  4. Kolbenloser Stirlingmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium ein Gas oder eine Flüssigkeit ist, dessen Volumen sich bei Temperaturschwankungen stark verändert.
  5. Anlage mit einem kolbenlosen Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage geschlossen und nach außen hin gasdicht ist.
  6. Verfahren zum Beitreiben eines kolbenlosen Stirlingmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsweise des kolbenlosen Stirlingmotors durch folgende Schritte erfolgt: – Aufheizen des Mediums in einem Reaktor bei geschlossenem Ventil in der Auslassöffnung, – sobald das Medium im Reaktor einen Druck erreicht, der höher als der Druck im Sammler ist, wird das Ventil in der Auslassöffnung geöffnet, – nach Entweichen des Mediums in den Sammler wird das Ventil in der Auslassöffnung geschlossen und der Reaktor gekühlt, – der im Sammler aufgebaute Druck wird über die Turbine entspannt und das Medium anschließend im Vorratssammler gekühlt – das Medium im Vorratssammler wird in einen Reaktor geleitet und der Vorgang beginnt von neuem.
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