DE102006028561B3

DE102006028561B3 - Hydro-Stirling motor has two-cylinders linked by pipe with hydraulic motor power take-off

Info

Publication number: DE102006028561B3
Application number: DE200610028561
Authority: DE
Inventors: Steffen Knoefler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2026-06-23

Abstract

A slow-action two-cylinder Beta-type hydro-Stirling machine with hydraulic motor has two cylinders (2) linked by a pipe through which fluid flows under alternating influence of the two cylinders. The pipe incorporates a hydraulic motor/generator unit (3). The liquid flow is driven by the alternating movement of the work gas (5), as regulated by the pistons (4) Whose pressure conditions are transmitted directly to the water column (6) in the lower part of the cylinders.

Description

Für die Umsetzung einer Thermohydraulischen Kraftmaschine sind eine Reihe von Ideen und Konzepten in der Patentliteratur zu finden. Als wartungsfreie, effiziente und wirtschaftliche Heizzentrale in Kraft-Wärme-Kopplung für kleinere Wärmeversorgungsobjekte, wie es der „Hydrostirling" beansprucht, konnten sie sich jedoch nicht etablieren. Als Hauptgründe dafür sind die schlechte Annäherung der realen Prozessabläufe an den idealen Vergleichsprozess und die Wahl des Kreisprozesses selbst zu nennen.For the implementation A thermo-hydraulic engine are a set of ideas and to find concepts in the patent literature. As a maintenance-free, efficient and economical heating center in combined heat and power for smaller ones Heat supply objects as claimed by the "hydrostirling" could However, they do not establish themselves. The main reasons for this are the bad rapprochement of the real process flows to the ideal comparison process and the choice of the cycle to call yourself.

In der DE 3246633 A1 ist ein Verfahren beschrieben, welches mit einem um 180° versetzt ablaufendem Stirling-Kreisprozess zweier Arbeitsgase die resultierenden Druckunterschiede für die Pumparbeit eines Freikolbens nutzt, welcher in Verbindung mit entsprechenden Rückschlagventilen einen ölhydraulischen Motor antreibt. Der Freikolben trennt dabei vollständig das Arbeitsgas vom Hydrauliköl und fungiert gleichzeitig als Druckkonverter. Die diskontinuierliche Pumparbeit wird mit Hilfe von je einem Hoch- und Niederdruckspeicher mit integrierter Stickstoffblase als Puffer geglättet, so dass ein kontinuierlicher Betrieb des ölhydraulischen Motors möglich ist. Der regenerative Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsgas der beiden Arbeitsräume (isochore Phasen) findet dabei nicht mittels Regeneratoren, sondern durch einen Gegenstromwärmetauscher statt. Die Wärmezu- und abfuhr erfolgt jedoch außerhalb der eigentlichen Arbeitsräume. Dies verspricht eine sehr schlechte Anpassung des realen Kreisprozesses an einen idealen Stirlingprozess durch einen großen Totraum der Arbeitsgase.In the DE 3246633 A1 a method is described which utilizes the resulting pressure differences for the pumping work of a free piston with a 180 ° staggered Stirling cycle of two working gases, which in conjunction with corresponding non-return valves drives an oil-hydraulic motor. The free piston separates completely the working gas from the hydraulic oil and acts as a pressure converter at the same time. The discontinuous pumping work is smoothed with the help of a high and low pressure accumulator with integrated nitrogen bladder as a buffer, so that a continuous operation of the oil hydraulic motor is possible. The regenerative heat exchange between the working gas of the two working spaces (isochoric phases) does not take place by means of regenerators, but by a countercurrent heat exchanger. The heat supply and removal, however, takes place outside the actual work spaces. This promises a very poor adaptation of the real cycle process to an ideal Stirling process by a large dead space of the working gases.

Durch die Berieselung eines Arbeitsgases mit kalter und heißer Flüssigkeit ist das Problem einer möglichst isothermen Wärmezufuhr bei minimaler Temperaturdifferenz auf die gesamte Arbeitsgasmenge während der Expansions- und Kompressionsphase in der US-Patentschrift 3,608,311 erheblich besser gelöst. Das Arbeitsgas im oberen Bereich zweier Zylinder drückt dabei direkt auf eine Flüssigkeitssäule im unteren Bereich der beiden Zylinder. Durch den um 180° versetzt ablaufenden Carnot-Kreisprozess wird ein Flüssigkeitsstrom für den gleichgerichteten und kontinuierlichen Betrieb eines Hydraulikmotors genutzt. Der notwendige abrupte Wechsel zwischen isothermer und adiabater Zustandsänderung während einer Arbeitsphase kann in der erfindungsgemäßen Kraftmaschine somit gut realisiert werden. Hauptintention des Erfinders war offensichtlich die These zu widerlegen, dass es praktisch nicht möglich sei, eine Wärmekraftmaschine nach dem Carnot-Kreisprozess zu konstruieren.By sprinkling a working gas with cold and hot liquid is the problem of isothermal heat supply with minimum temperature difference to the total amount of working gas during the expansion and compression phase in the U.S. Patent 3,608,311 solved much better. The working gas in the upper region of two cylinders presses directly on a liquid column in the lower region of the two cylinders. Due to the 180 ° offset Carnot cycle, a fluid flow is used for the rectified and continuous operation of a hydraulic motor. The necessary abrupt change between isothermal and adiabatic change of state during a working phase can thus be well realized in the engine according to the invention. The main intention of the inventor was obviously to refute the thesis that it was practically impossible to construct a heat engine after the Carnot cycle.

Dennoch bestehen bezüglich der Leistungsdichte einer thermohydraulischen Kraftmaschine nach dem Carnot-Kreisprozess enorme Nachteile gegenüber einem Stirling-Kreisprozess. Zum einem stellt der Carnot-Kreisprozess gewisse Mindestanforderungen an die Höhe des Verdichtungsverhältnisses des Arbeitsgases, indem die Temperaturdifferenz durch die adiabte Volumenänderung erreicht werden muss. Doch auch dann bleibt er immer, besonders bei hohem Wirkungsgrad (Temperaturdifferenz), deutlich unter der Leistungsdichte eines vergleichbaren Stirling-Kreisprozesses. Beim Carnot-Kreisprozess liegt der Kompressionsenddruck immer deutlich über dem Expansionsenddruck der Arbeitsphasen, was in der Praxis bedeutet, dass erheblich mehr Arbeit „hin- und hergeschoben" werden muss, als in Form von Nutzarbeit letztendlich gewonnen werden kann. Beim Stirling-Prozess wird dagegen thermische Energie mit Hilfe von zusätzlich erforderlichen Regeneratoren „verschoben". Dies ist im Gegenstromprinzip relativ vollständig und ohne erhebliche Entropieproduktion realisierbar.Yet insist the power density of a thermohydraulic engine after The Carnot cycle process has enormous disadvantages compared to a Stirling cycle. For one, the Carnot cycle process sets certain minimum requirements to the height the compression ratio of the working gas, adding the temperature difference through the adiabte volume change must be achieved. But even then he always stays, especially at high efficiency (temperature difference), well below the power density a comparable Stirling cycle process. At the Carnot cycle the compression end pressure is always well above the expansion end pressure work phases, which in practice means a lot more Work " and be pushed " must ultimately be able to be won in the form of productive work. The Stirling process, on the other hand, uses thermal energy from additionally required regenerators "shifted." This is in countercurrent principle relatively complete and without significant entropy production feasible.

Konzeption und Aufbau des HydrostirlingConception and construction of the Hydro Stirling

Ziel einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine (im nachfolgenden „Hydrostirling" genannt) ist es, durch eine niedrige Frequenz der Arbeitstakte und die systemimmanenten Besonderheiten und Synergien den äußerst günstigen thermischen Wirkungsgrad des Stirlingprozesses mit hohem Gütegrad nutzbar zu machen. Der Hydrostirling bietet darüber hinaus einen einfachen technologischen Aufbau, eine Lösung für das Abdichtproblem des Arbeitsgases, als auch ein Minimum an Verschleißteilen. Seine theoretische Entwicklung ist auf die Erfordernisse für einen Einsatz in kleineren Blockheizkraftwerken in Wohn- und Gewerbeobjekten hin optimiert, wo auch heute noch ein enormer Bedarf an maßgeschneiderter Technologie bei wirtschaftlich darstellbarem Preisniveau existiert. Aufgrund der hauptsächlichen Wertschöpfung kleiner Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen durch die Stromauskopplung ist für derartige Anlagen ein guter elektrischer Wirkungsgrad von herausragender Bedeutung. Die Wartungsfreiheit durch das Fehlen von Verschleißteilen und die Geräuscharmut durch die äußerer Verbrennung im Hydrostirling sind weitere Merkmale, welche dazu beitragen können, mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW) auf Basis des Hydrostirling in den Massenmarkt der Heizkessel einzudringen.aim an engine according to the invention (in the following called "Hydrostirling") it is through a low frequency of the power strokes and the system immanent Special features and synergies the extremely favorable thermal efficiency of the Stirling process with high quality to make usable. The hydrostirling also offers a simple technological construction, a solution for the Sealing problem of the working gas, as well as a minimum of wear parts. Its theoretical development is based on the requirements for a deployment in smaller combined heat and power plants in residential and commercial properties optimized, where even today an enormous need for tailor-made technology exists at economically representable price levels. by virtue of the main one value added small combined heat and power plants through the current extraction is for Such systems have a good electrical efficiency of outstanding Importance. The maintenance-free due to the absence of wearing parts and the low noise through the external combustion in Hydrostirling are more features that can help with a combined heat and power plant (CHP) based on the hydrostirling in the Mass market of the boiler to penetrate.

Kernstück des Hydrostirling sind zwei im unteren Teil mit Druckflüssigkeit gefüllte Zylinder (2), welche über einen Hydraulikmotor (3) miteinander verbunden sind. Im oberen Teil der beiden Zylinder, befindet sich je ein eingeschlossenes Arbeitsgas (5) gleicher Masse, dessen Druck direkt auf die jeweilige Druckflüssigkeitssäule (6) seines Zylinders wirkt. Die beiden Arbeitsgasvolumina durchlaufen im Betrieb einen um 180° versetzt ablaufenden Stirling-Kreisprozess, welcher im Zusammenspiel einer kontrollierten Durchflusssperre, den frei steuerbaren Verdrängerkolben (4) und der Kennung des angetriebenen Generators exakt kontrolliert werden kann. Durch die dabei resultierenden Druckunterschiede der beiden Arbeitsgasvolumina wird ein Flüssigkeitsstrom (1) hervorgerufen, welcher mittels eines Hydraulikmotors (3) in Rotationsenergie gewandelt wird. Die wechselseite Beschleunigung und damit verbundene diskontinuierliche Leistungswandlung auf Ebene der Wärmekraftmaschine ist bezeichnend für den Hydrostirling. Eine „Verstetigung" der mechanischen Leistungsabnahme im Hydrostirling würde zu einer Verschlechterung der Annäherung von realem an den idealen Kreisprozess oder zu Blindströmungen der Druckflüssigkeit führen. Stattdessen wird im Hydrostirling eine nachträgliche Modulation des erzeugten Stromes, auf z.B. die Parameter des Niederspannungsnetzes, mittels Kondensatoren und Wechselrichtern vorgenommen. Das gleichmäßige An- und Abschwellen der Strömunggeschwindigkeit durch die Trägheit des Hydraulikmotor-Generator-Verbundes (3) fördert zudem einen laminaren Strömungsverlauf (1) der Druckflüssigkeit mit geringen Strömungsverlusten.At the heart of the hydrostirling are two cylinders filled with hydraulic fluid in the lower part ( 2 ), which via a hydraulic motor ( 3 ) are interconnected. In the upper part of the two cylinders, there is a trapped working gas ( 5 ) of equal mass, whose pressure directly on the respective pressure fluid column ( 6 ) of his cylinder works. During operation, the two working gas volumes pass through a stirling cycle which is staggered by 180 °, which in combination with a kontrol lated flow barrier, the freely controllable displacement piston ( 4 ) and the identification of the driven generator can be controlled exactly. Due to the resulting pressure differences of the two working gas volumes, a liquid flow ( 1 ), which by means of a hydraulic motor ( 3 ) is converted into rotational energy. The alternating acceleration and the associated discontinuous power conversion at the level of the heat engine is indicative of the hydrostirling. A "stabilization" of the mechanical power decrease in the hydrostirling would lead to a deterioration of the approach of real to the ideal cycle or to blanks of the hydraulic fluid Instead, in the hydrostirling a subsequent modulation of the generated electricity, for example, the parameters of the low-voltage network, using capacitors and inverters The steady rise and fall of the flow velocity due to the inertia of the hydraulic motor-generator assembly ( 3 ) also promotes a laminar flow pattern ( 1 ) of the pressure fluid with low flow losses.

Gegenüber einem Linearkolben-Stirling macht sich der Hydrostirling die freie Übersetzbarkeit eines Flüssigkeitsstromes zu Nutze, d.h. die Drehzahl des Hydraulikmotors kann ein Vielfaches der Taktfrequenz des Stirlingkreislaufes betragen.Opposite one Linear piston Stirling makes the hydrostirling the free translatability of a liquid flow to use, i. the speed of the hydraulic motor can be many times the clock frequency of the Stirling cycle amount.

Der Stirling-Kreisprozess im HydrostirlingThe Stirling cycle in the hydrostirling

In 1 ist der Ablauf der vier Phasen des Stirling-Kreisprozesses mit den jeweiligen Stellungen von Verdrängerkolben (4) und Druckflüssigkeitspegel (7) für einen einzelnen Zylinder dargestellt (oben). Das untere p-V-Diagramm zeigt die korrespondierenden thermodynamischen Zustandsgrößen des Arbeitsgases beim Durchlaufen dieses Kreisprozesses.In 1 is the sequence of the four phases of the Stirling cycle with the respective positions of displacers ( 4 ) and pressure fluid level ( 7 ) for a single cylinder (top). The lower pV diagram shows the corresponding thermodynamic state variables of the working gas as it passes through this cycle.

Von Zustand 1 nach 2 in 1 (isochore Erwärmung) wird der Verdrängerkolben mittels einer Linearsteuerung (14, 2) über die Verschiebestange (8) in den unteren Bereich bis auf den Druckflüssigkeitspegel (7) verschoben. Das kalte, verdichtete Gas wird dabei durch den heißen Regenerator (9) geleitet und erfährt eine isochore Zustandsänderung auf p_o und T_o. Ein möglicher Druckflüssigkeitsstrom zwischen den beiden Zylindern ist hierbei unterbunden.From state 1 to 2 in 1 (isochore heating), the displacer piston by means of a linear control ( 14 . 2 ) via the sliding bar ( 8th ) in the lower area down to the pressure fluid level ( 7 ) postponed. The cold, compressed gas is passed through the hot regenerator ( 9 ) and experiences an isochoric change of state to p _o and T _o . A possible pressure fluid flow between the two cylinders is prevented here.

Von Zustand 2 nach 3 in 1 (isotherme Expansion) verrichtet das Arbeitsgas Volumenarbeit und wird dabei durch das Heizsystem auf seinem hohen Temperaturniveau gehalten. Für die Zufuhr der Wärmeenergie während dieser Phase kommen die Wärmekonvektion über die metallische Oberfläche des Arbeitsraumes im Heißbereich oder eine Berieselung des Arbeitsgases mit einer heißen Flüssigkeit aus dem Zylinderkopf in Frage (s. unten).From state 2 to 3 in 1 (isothermal expansion), the working gas performs volume work and is held by the heating system at its high temperature level. For the supply of heat energy during this phase, the heat convection over the metallic surface of the working space in the hot area or a sprinkling of the working gas with a hot liquid from the cylinder head come into question (see below).

Von Zustand 3 nach 4 in 1 (isochore Abkühlung) wird der Verdrängerkolben in den oberen Teil des Zylinders verschoben. Der Regenerator wird hierdurch erwärmt und das entspannte Arbeitsgas auf T_u abgekühlt, sowie das Druckminimum p_u des Kreisprozesses erreicht.From state 3 to 4 in 1 (Isochore cooling), the displacer is moved into the upper part of the cylinder. The regenerator is thereby heated and the expanded working gas is cooled to T _u , and the pressure minimum p _{u of} the cycle is reached.

Von 4 nach 1 wird der Kreisprozess geschlossen und das kalte Arbeitsgas komprimiert. Durch eine Berieselung des Arbeitsraumes mit kalter Druckflüssigkeit wird das Arbeitsgas während dieser Phase auf seinem niedrigen Temperaturniveau gehalten. Diese systemimmante, effiziente Kühlung ist ein entscheidender Vorteil des Hydrostirling gegenüber schnell laufenden kurbelgeführten Stirlingmotoren.From 4 to 1, the cycle is closed and the cold working gas compressed. By sprinkling the working space with cold pressure fluid is the working gas during This phase is kept at its low temperature level. These Systemimmante, efficient cooling is a key advantage of hydrostirling over fast running crank-operated Stirling engines.

Im Zusammenspiel der beiden Zylinder läuft der Stirling-Kreisprozess in den beiden Arbeitgasvolumina um jeweils 180° versetzt ab. Wird während einer Arbeitsphase in einem Zylinder geheizt und expandiert, wird in dem anderen zeitgleich gekühlt und komprimiert. Ebenso korrespondieren die gegenläufigen isochoren Zustandsänderungen der beiden Arbeitsgasvolumina zeitlich miteinander. Die Druckdifferenz in den beiden Zylindern ist zu Beginn einer Arbeitsphase am größten und im Verlauf derselben stark abfallend. Durch die hohe Anfangsbeschleunigung wird die Strömungsarbeit in Rotationsenergie des Generators zwischengespeichert, welche dann erst gegen Ende der Arbeitsphase (bei geringer oder gar negativer Druckdifferenz) durch weitere Abbremsung des Generators in elektrische Energie gewandelt wird. Durch eine umschaltbare Freischaltverbindung oder eine Kupplung zwischen Hydraulikmotor und Generator kann darüber hinaus erreicht werden, dass der Generator auch während der isochoren Phasen elektrische Leistung abnimmt. Der Generator muss erst nach Ende der isochoren Phasen zum Stillstand gekommen sein, um dann wieder vom schon zu Anfang der isochoren Phasen stehenden Hydraulikmotor beschleunigt zu werden. Dadurch kann die diskontinuierliche Leistungsabnahme durch den Generator noch mehr von der mechanischen Arbeit des Hydraulikmotors entkoppelt und dessen Spitzenlast gesenkt werden. Der zeitliche Verlauf des Druckflüssigkeitsstroms (1) während einer Arbeitsphase des Hydrostirlings ist durch die Druckverhältnisse in den Zylindern (2), die Übersetzung und Trägheit des Hydraulikmotor-Genergator-Verbundes (3) und die Leistungsabnahme durch den Generator bestimmt. Dabei kann der Prozessablauf und das Verdichtungsverhältnis durch die Leistungsabnahme des Generators im laufenden Betrieb beeinflusst werden. Ist der Flüssigkeitsstrom (1) am Ende einer Arbeitsphase zum Stillstand gekommen wird die hydraulische Verbindung zwischen den beiden Arbeitszylindern für die Dauer der isochoren Zustandsänderungen durch ein frei steuerbares Hydraulikventil oder eine Arretierung des Hydraulikmotors gesperrt. Dies ermöglicht sowohl eine eindeutige Trennung von isochoren und isothermen Phasen, sowie eine maximale Druckdifferenz zu Beginn einer neuen Arbeitsphase.In the interaction of the two cylinders, the Stirling cycle takes place in the two working gas volumes offset by 180 °. If one cylinder is heated and expanded during one working phase, it is simultaneously cooled and compressed in the other. Likewise, the opposing isochoric state changes of the two working gas volumes correspond in time with each other. The pressure difference in the two cylinders is largest at the beginning of a working phase and sharply sloping in the course of the same. Due to the high initial acceleration, the flow work is temporarily stored in rotational energy of the generator, which is then converted into electrical energy only at the end of the working phase (with low or even negative pressure difference) by further braking of the generator. By means of a switchable disconnecting connection or a coupling between the hydraulic motor and the generator, it can moreover be achieved that the generator also reduces electrical power during the isochoric phases. The generator must come to a standstill only after the end of the isochoric phases and then be accelerated again by the hydraulic motor, which is already at the beginning of the isochoric phases. As a result, the discontinuous power take-off by the generator can be decoupled even more from the mechanical work of the hydraulic motor and its peak load can be reduced. The time course of the pressure fluid flow ( 1 ) during a working phase of the hydrostirling is due to the pressure conditions in the cylinders ( 2 ), the translation and inertia of the hydraulic engine-genergator composite ( 3 ) and the power consumption determined by the generator. The process flow and the compression ratio can be influenced by the power reduction of the generator during operation. Is the liquid flow ( 1 At the end of a working phase, the hydraulic connection between the two working cylinders is interrupted for the duration of the isochoric changes of state freely controllable hydraulic valve or a lock of the hydraulic motor locked. This allows both a clear separation of isochoric and isothermal phases, as well as a maximum pressure difference at the beginning of a new working phase.

Die isochoren Zustandsänderungen der beiden Arbeitsgasvolumina werden über die Linearsteuerung (14) der beiden Verdrängerkolben (4) gesteuert. Die Verdrängerkolben korrespondieren dabei, im Gegensatz zu den Druckflüssigkeitspegeln (7), nicht exakt miteinander. Während der isochoren Erhitzung des Arbeitgases (Zustand 1 nach 2 in 1) hat der Verdrängerkolben (4) einen bedeutend kürzeren Weg zurückzulegen, als während der isochoren Abkühlung (Zustand 4 nach 1). Er wird während der anschließenden isothermen Expansionsphase (Zustand 2 nach 3) dem fallenden Druckflüssigkeitspegel (7) nachgeführt und erreicht in Zustand 3 seine unterste Auslenkung. Dieses Nachführen des Verdrängerkolbens während der Arbeitsphase kann entweder aktiv durch die Linearsteuerung (14), oder passiv durch einen kontrollierten Verschluss der Überströmkanäle (10) während der isothermen Expansion erfolgen.The isochoric state changes of the two working gas volumes are controlled by the linear control ( 14 ) of the two displacers ( 4 ) controlled. The displacement piston correspond, in contrast to the pressure fluid levels ( 7 ), not exactly with each other. During isochoric heating of the working gas (state 1 to 2 in 1 ) has the displacer ( 4 ) to travel a much shorter distance than during isochoric cooling (state 4 to 1). During the subsequent isothermal expansion phase (state 2 after 3), it becomes the falling pressure fluid level ( 7 ) and reaches in state 3 its lowest deflection. This tracking of the displacer during the working phase can either be actively controlled by the linear control ( 14 ), or passively by a controlled closure of the overflow channels ( 10 ) during isothermal expansion.

Die Höhe der Verdrängerkolben sollte so gewählt werden, dass Heiß- und Kaltbereich der beiden Zylinder vollständig getrennt sind. Er teilt die beiden Zylinder im Hydrostirling in einen heißen (2a) und einen kalten Zylinderbereich (2b) in welchen das Arbeitsgas während der isochoren Phasen verschoben und während der isothermen Phasen gehalten wird. Gegenüber der Zylinderwand sind die beiden Verdrängerkolben (4) abgedichtet, um einen vollständigen Durchgang des Arbeitsgases (5) durch die Regeneratoren (9) während der isochoren Zustandsänderungen zu gewährleisten. Zweckmäßigerweise bestehen die Verdrängerkolben (4) aus einem temperaturbeständigen, wärmeisolierenden Material mit einem Hohlraum für die Aufnahme des Regenerators (9) und Überströmkanälen (10) für das Arbeitsgas.The height of the displacers should be selected so that the hot and cold areas of the two cylinders are completely separated. He divides the two cylinders in the hydrostirling into a hot ( 2a ) and a cold cylinder area ( 2 B ) in which the working gas is displaced during the isochoric phases and held during the isothermal phases. Opposite the cylinder wall are the two displacers ( 4 ) to allow a complete passage of the working gas ( 5 ) through the regenerators ( 9 ) during the isochoric state changes. Conveniently, the displacement piston ( 4 ) of a temperature-resistant, heat-insulating material with a cavity for receiving the regenerator ( 9 ) and overflow channels ( 10 ) for the working gas.

Bei der Wahl von Arbeitsgas und Druckflüssigkeit muss eine geringe Löslichkeit des Arbeitsgases in der eingesetzten Druckflüssigkeit gewährleistet sein. Ansonsten würde sich, durch den Druckabfall nach Passieren des Hydraulikmotors, ein Ausgasen von Arbeitsgas aus der Druckflüssigkeit mit Schaumbildung und Turbulenzen negativ auf die Prozessführung auswirken. Ein direkter Kontakt von Arbeitsgas und Druckflüssigkeit ist aber wegen der gewählten Form der Wärmeabfuhr (s. unten) unbedingt erforderlich. Durch lose Schwimmauflagen auf den beiden Druckflüssigkeitspegeln kann der direkte Kontakt zwischen Arbeitsgas und Druckflüssigkeit minimiert werden, als auch eine Beruhigung und Abgrenzung des Druckflüssigkeitspegels erreicht werden.at The choice of working gas and hydraulic fluid must be low solubility ensures the working gas in the hydraulic fluid used be. Otherwise would due to the pressure drop after passing the hydraulic motor, Outgassing of working gas from the pressure fluid with foaming and turbulences have a negative impact on litigation. A direct one Contact of working gas and hydraulic fluid is but because of selected Form of heat dissipation (see below) absolutely necessary. Through loose floating pads on the two pressure fluid levels the direct contact between working gas and hydraulic fluid can be minimized as well as a calming and delimitation of the pressure fluid level be achieved.

Wärmezu- und Wärmeabfuhr im Hydrostirlingheat supply and heat dissipation in the hydrostirling

Neben der Anforderung an einen möglichst isotherm gestalten Wärmeübergang während der Expansions- und Kompressionsphase des Arbeitsgases ist vor allem eine geringe Temperaturdifferenz des Wärmeüberganges zwischen Umgebung und Arbeitsgas für eine optimale Prozessführung entscheidend. Dies erfordert üblicherweise große Wärmetauschflächen. Im unteren Kaltbereich der Arbeitsgasvolumina wird eine isotherme Wärmeabfuhr bei geringer Temperaturdifferenz immer durch die Technik der Berieselung des Arbeitgases mit gekühlter Druckflüssigkeit (15) realisiert. Eine Förderpumpe (12) entnimmt während der Kompressionsphase Druckflüssigkeit aus dem jeweiligen Zylinder, welches über einen Gegenstromwärmetauscher (13) maximal gekühlt wird. Die gekühlte Druckflüssigkeit wird über die Verschiebestange (8) einem Rohrbündel (11) an der unteren Stirnseite des Verdrängerkolbens zugeführt, von wo es in das zu komprimierende Arbeitsgas (5b) eingedüst wird. Die Mengenregelung erfolgt dabei so, dass die Berieselungsflüssigkeit beim Durchfallen des Arbeitsgases auf etwas über das notwendige Temperaturniveau der Nutzwärmeauskopplung erwärmt wird. Im Idealfalle entspricht die Temperaturänderung der Berieselungsflüssigkeit genau der Temperaturspreizung von Vor- und Rücklauf des Heizkreislaufes, in welchen die Nutzwärme ausgekoppelt werden soll (Kraft-Wärme-Kopplung). Erfolgt ein Betrieb ohne die Auskopplung von Nutzwärme, wird die Berieselungsflüssigkeit immer auf die niedrigste Temperatur gekühlt.In addition to the requirement for a preferably isothermal heat transfer during the expansion and compression phase of the working gas, above all, a small temperature difference of the heat transfer between the environment and working gas is crucial for optimum process control. This usually requires large heat exchange surfaces. In the lower cold zone of the working gas volumes isothermal heat removal at low temperature difference always by the technique of sprinkling the working gas with cooled pressure fluid ( 15 ) realized. A feed pump ( 12 ) withdraws during the compression phase pressure fluid from the respective cylinder, which via a countercurrent heat exchanger ( 13 ) is cooled maximally. The cooled pressure fluid is transferred via the displacement rod ( 8th ) a tube bundle ( 11 ) is supplied at the lower end face of the displacer, from where it into the working gas to be compressed ( 5b ) is injected. The volume control is carried out so that the sprinkling liquid is heated when falling of the working gas to something above the required temperature level of Nutzwärmeauskopplung. Ideally, the temperature change of the irrigation fluid corresponds exactly to the temperature spread of flow and return of the heating circuit in which the useful heat is to be decoupled (combined heat and power). If operation is performed without the extraction of useful heat, the irrigation liquid is always cooled to the lowest temperature.

Durch den Kühlkreislauf (15) wird das Volumen des Arbeitsgases nicht beeinflusst, sondern lediglich durch den Druckwasserpegel. Die Leistungsaufnahme der Förderpumpe (12) muss lediglich den Strömungswiderstand der Berieselungsflüssigkeit überwinden, wobei die absoluten Druckverhältnisse im Kühlkreislauf (15) denen des jeweiligen Zylinders entsprechen. In 2 ist nur der Kühlkreislauf für den rechten Zylinder dargestellt. Ein gemeinsamer Wärmetauscher (13) und eine gemeinsame Förderpumpe (12) können in Verbindung mit steuerbaren Sperrventilen für beiden Heizkreisläufe realisiert werden.Through the cooling circuit ( 15 ), the volume of the working gas is not affected, but only by the pressure water level. The power consumption of the feed pump ( 12 ) only has to overcome the flow resistance of the sprinkling liquid, the absolute pressure conditions in the cooling circuit ( 15 ) correspond to those of the respective cylinder. In 2 only the cooling circuit for the right cylinder is shown. A common heat exchanger ( 13 ) and a common feed pump ( 12 ) can be realized in conjunction with controllable shut-off valves for both heating circuits.

Für die Wärmezufuhr während der isothermen Expansion kommen die Wärmekonvektion über die metallischen Oberflächen des Arbeitsraumes im Heißbereich oder eine Berieselung des Arbeitsgases mit einer heißen Flüssigkeit aus dem Zylinderkopf, analog zur Technik der Wärmeabfuhr in Frage. Im ersteren Fall kann die Wärmeübertragung von Brenngas auf Zylinder durch sowohl einen direkten Kontakt des Heißbereichs der beiden Zylinder (2a) mit dem heißen Brenngas oder durch einen zwischengeschalteten Thermoölkreislauf erfolgen. Eine profilierte Oberfläche der oberen Zylinderstirninnenwand und einer dazu inversen Ausbildung der metallischen Verdrängerkolbenoberseite ermöglicht durch eine Vergrößerung der Kontaktfläche einen guten Wärmeübergang auf das Arbeitsgas. Durch den direkten Kontakt von Zylinderstirninnenwand und Verdrängerkolbenoberseite während der isothermen Kompressionsphase (Verdrängerkolben steht oben) wird ein Wärmeübergang auf die Verdrängerkolbenoberseite ermöglicht, so dass während der nachfolgenden isothermen Expansionsphase auch ein Wärmeübergang von Verdrängerkolbenoberseite auf das Arbeitsgas stattfinden kann. Das Arbeitsgas wird so über seine gesamte, vergrößerte Systemgrenze während der isothermen Expansionsphase geheizt.For the heat supply during the isothermal expansion, the heat convection over the metallic surfaces of the working space in the hot area or a sprinkling of the working gas with a hot liquid from the cylinder head, analogous to the technique of heat dissipation come into question. In the former case, the heat transfer from fuel gas to cylinder can be achieved by both direct contact of the hot region of the two cylinders ( 2a ) with the hot fuel gas or through an intermediate thermal oil circuit. A profiled surface of the upper cylinder frontals wall and an inverse training to the metallic displacement piston top allows by increasing the contact surface a good heat transfer to the working gas. Due to the direct contact of the cylinder front inner wall and displacer piston top during the isothermal compression phase (displacer is above), a heat transfer to the displacer top allows so that during the subsequent isothermal expansion phase, a heat transfer from Verdrängerkolbenoberseite can take place on the working gas. The working gas is thus heated over its entire, enlarged system boundary during the isothermal expansion phase.

Bei der Berieslung des Arbeitsgases mit heißer Flüssigkeit ist durch die große Gesamtoberfläche der Tröpfchen eine sehr gute Annäherung an einen isothermen Wärmeübergang bei niedriger Temperaturdifferenz am besten gegeben. Die Flüssigkeit wird während der Expansionsphase in den Arbeitsraum eingedüst und sammelt sich nach Durchfallen des Arbeitsraumes und Wärmeabgabe an das Arbeitsgas auf dem Verdrängerkolben. Von dort wird es dem Heizkreislauf über ein steuerbares Ventil in der Zylinderwand während der Stellung des Verdrängerkolbens im seinem oberen Totpunkt wieder zugeführt. Durch diese Art der Wärmezufuhr erübrigt sich eine künstliche Oberflächenvergrößerung des Arbeitsraumes. Die Oberfläche der Zylinder und der Verdrängerkolbenoberseiten werden bei dieser Variante zweckmäßigerweise durch ein thermisches Isolatormaterial gebildet. Ein weiterer Vorteil besteht bei dieser Wärmeübertragung in der Möglichkeit, den Zylinder in einem Stück zu fertigen, weil nun nicht abschnittsweise (2a) Wärme über die Zylinderwand übertragen werden muss. Während die Druckflüssigkeit (6) in den Zylindern und die kalte Berieslungsflüssigkeit (15) ein gemeinsames Reservoir bilden und dem zufolge aus dem gleichen Medium bestehen, ist dies bei der Wahl der heißen Berieselungsflüssigkeit nicht zwingend der Fall.When the working gas is sprinkled with hot liquid, a very good approximation to an isothermal heat transfer with a low temperature difference is best given by the large total surface of the droplets. The liquid is injected into the working space during the expansion phase and collects after falling through the working space and heat to the working gas on the displacer. From there, it is returned to the heating circuit via a controllable valve in the cylinder wall during the position of the displacer in its top dead center. By this type of heat supply, an artificial surface enlargement of the working space is unnecessary. The surface of the cylinder and the Verdrängerkolbenoberseiten are suitably formed in this variant by a thermal insulator material. Another advantage of this heat transfer in the ability to manufacture the cylinder in one piece, because now not in sections ( 2a ) Heat must be transferred through the cylinder wall. While the pressure fluid ( 6 ) in the cylinders and the cold irrigation fluid ( 15 ) form a common reservoir and therefore consist of the same medium, this is not necessarily the case with the choice of hot irrigation fluid.

Wirkungsgrad und Leistung des HydrostirlingEfficiency and performance of the hydrostirling

Die Erzielung eines höheren thermischen Wirkungsgrades durch den Hydrostirling ist durch seine höhere Temperaturfestigkeit gegenüber klassischen Stirlingkonzeptzen möglich. Vor allem die Passgenauigkeiten und die Notwendigkeit einer Schmierung von bewegten Teilen setzen hier dem kurbelgeführten Stirlingmotor enge Grenzen. Beim Hydrostirling begrenzen die Werkstoffeigenschaften des Heißbereichs der beiden Zylinder, bzw. die Temperaturfestigkeit der heißen Berieselungsflüssigkeit das oberer Temperaturniveau. Die bei klassischen Stirlingmotoren starke Abweichung von einer isothermen Wärmeübertragung während der Arbeitsphasen ist beim Hydrostirling durch eine deutliche Verlangsamung des Phasenwechsels, sowie durch die Berieselung des Arbeitsgases mit Flüssigkeit bzw. Oberflächenprofilierung des Heißbereichs weitgehend umgangen. Der Wirkungsgrad des Hydrostirling wird vor allem durch Wärmeübergänge am Arbeitsgas vorbei beeinträchtigt. Diese bestehen im Wärmeübergang längs der Zylinderwand, Pendelverlusten durch die Verdrängerkolben, sowie Strahlungsverlusten. Obgleich diese Wärmeströme bei Auskopplung von Nutzwärme prinzipiell noch als Wärme genutzt werden können, beeinträchtigen sie doch den mechanischen Wirkungsgrad des Hydrostirling. Beste thermische Isolationseigenschaften der verwendeten Materialen ersetzen im Hydrostirling die Anforderungen an mechanische Passgenauigkeiten in etablierten Verbrennungskraft- oder Stirlingmaschinen. Die starke Verlangsamung der Drehzahl (oder „Wechsel der Phasen des Kreisprozesses") führt zu einer proportionalen Abnahme der spezifischen Leistung gegenüber dem klassischen Stirlingmotor. Dieser Nachteil wird beim Hydrostirling durch einen größeren Hubraum, erhöhten Druck des Arbeitsgases und nicht zuletzt den verbesserten Wirkungsgrad selbst, kompensiert. So ist mit dem Hydrostirling, durch den Wegfall eines Kurbeltriebes, ein bedeutend höheres Volumen der Arbeitsräume bei vergleichbarer Baugröße erzielbar. Beträgt ein Lastwechsel (isotherme + isochore Phase) z.B. fünf Sekunden (12 U/min), der Hubraum fünf Liter und die mittlere Druckdifferenz 50 bar, wird eine durchschnittliche Strömungsleistung von fünf Kilowatt erzielt.The Achieving a higher one thermal efficiency through the hydrostirling is through its higher Temperature resistance compared classic Stirling conceptions possible. Especially the accuracy of fit and the need for lubrication Moving parts set narrow limits here for the crank-operated Stirling engine. Hydrostirling limits the material properties of the hot zone the two cylinders, or the temperature resistance of the hot irrigation liquid the upper temperature level. The strong in classic Stirling engines Deviation from an isothermal heat transfer during the Work phases in Hydrostirling are due to a significant slowdown the phase change, as well as by the sprinkling of the working gas with liquid or surface profiling of the hot area largely bypassed. The efficiency of the hydrostirling will prevail All by heat transfer on the working gas over impaired. These consist in the heat transfer along the Cylinder wall, pendulum losses due to the displacers, as well as radiation losses. Although these heat flows at decoupling of useful heat principally as heat can be used impair they are the mechanical efficiency of the hydrostirling. Best thermal Insulation properties of the materials used replace in the hydrostirling the requirements for mechanical accuracy of fit in established Combustion or Stirling engines. The strong slowdown the speed (or "change of Phases of the cycle ") leads to a proportional decrease of the specific power over the classic stirling engine. This disadvantage is the Hydrostirling through a larger cubic capacity, increased Pressure of the working gas and not least the improved efficiency itself, compensated. So with the hydrostirling, by eliminating it a crank mechanism, a significantly higher volume of work spaces Comparable size achievable. is a load change (isothermal + isochoric phase) e.g. five seconds (12 rpm), the displacement five Liter and the mean pressure difference 50 bar, will be an average flow Rate of five Kilowatt scored.

„Hubraum" ist nun definiert als Volumen der pro Arbeitszyklus über den Hydraulikmotor zwischen den Zylindern verschobenen Druckflüssigkeit und entspricht der Volumenänderung der Arbeitsgase."Displacement" is now defined as the volume of the per cycle over the hydraulic motor between the Cylinders shifted pressure fluid and corresponds to the volume change the working gases.

Claims

Two-cylinder hydrostirling machine with hydraulic motor, comprising two separate cylinders ( 2 ), in whose upper area in each case by heat supply, heat dissipation and freely controllable displacement piston ( 4 ) is maintained at a 180 ° stirling cyclic process, wherein the pressure differences of the working gases ( 5 ) directly on the working chambers of the cylinder down limiting pressure fluid columns ( 6 ), characterized in that: a) these pressure differences lead to an alternating current flow ( 1 ) between the two cylinders ( 2 ) which drives a hydraulic motor; b) this hydraulic motor ( 3 ) is connected directly or via a gear to a generator, said mechanical connection includes a switchable freewheeling connection; c) the liquid flow is interrupted during the isochoric phases by a hydraulic check valve or a lock of the hydraulic motor, so that the isochoric state changes of Ar beitsgases done at standstill of the engine; d) the isothermal phases of the working gases each run in opposite directions; e) the isochoric phases of the working gases through one each along the cylinder ( 2 ) displaceable displacer piston ( 4 ), which is sealed against the cylinder wall; f) at least one regenerator each ( 9 ) is integrated for the heat exchange with the working gas in the displacer; g) the overflow channels ( 10 ) by the displacement piston ( 4 ) / Regenerators ( 9 ) are closable by means of controllable valves; h) the upper cylinder front inner walls and the upper metallic end faces of the displacers have a compatible surface profiling, these surfaces contacting during the isothermal compression phase of the working gas of the respective cylinder; i) the working gas by direct injection of cooled pressure fluid from a tube bundle ( 11 ) on the lower end face of the displacement piston ( 4 ) is cooled during the isothermal compression phase, wherein these after passing the working gas to the pressure fluid level ( 7 ), j) the direct contact surface of pressure fluid and working gas may be limited by floating supports on the surface of the pressure fluid levels; k) the position control of the displacement piston ( 4 ) by means of a linear control ( 14 ) via a sliding rod ( 8th ), which is sealed against the lower cylinder end wall and a supply channel for the hydraulic fluid for sprinkling of the working gas ( 15 ) contains; l) the height of the displacement piston ( 4 ) a spatial separation between hot area ( 2a ) and cold area ( 2 B ) The cylinder accomplished, with a heat transfer along the cylinder wall is largely prevented by thermal insulation measures; m) a subsequent modulation of the current generated in the generator takes place; n) the hot area of the cylinder ( 2a ) is heated either by direct fuel gas contact or an intermediate fluid circuit, wherein the intake air / fuel gas is preheated before combustion via a countercurrent heat exchanger (recuperator) from the exhaust gas.

Two-cylinder hydrostirling machine according to claim 1, characterized by the features a to m, characterized in that the heat supply during the isothermal expansion phase of the working gas by injection of hot irrigation liquid in the hot region of the cylinder ( 2a ), which is supplied to the heating circuit again after collection by the displacer during the subsequent isothermal compression phase.