DE102007017663A1

DE102007017663A1 - Anordnung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie

Info

Publication number: DE102007017663A1
Application number: DE200710017663
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. med. Euler; Ullrich Dietl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-14
Filing date: 2007-04-14
Publication date: 2008-10-16

Abstract

Eine Anordnung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie umfasst einen Stirlingmotor (2) mit zumindest zwei Zylindern (3), die mit einer Wärmepumpe (1) gekoppelt sind. Mindestens einer der Zylinder (3) oder ein Zylinderkopf ist in einem von der Wärmepumpe (1) erhitzten Wärmemedium (6) und mindestens ein weiterer Zylinder (3) oder ein Zylinderfuß in einem von der Wärmepumpe (1) gekühlten Kältemedium (7) gelagert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie mit Stirlingmotoren, die mit einer Wärmepumpe gekoppelt sind.
Die DE 103 12 137 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer in mechanische bzw. elektrische Energie, bei der unter anderem zwei chemische Feststoffwärmepumpen Zeolith/Wasser mit zwei Niedertemperatur-Stirlingmotoren zur Stromerzeugung zusammenwirken. Einem Verdampfer im Kältekreis der Feststoffwärmepumpe ist ein Kältetauscher zugeordnet, der an die Kälteseiten der Stirlingmotoren angeschlossen ist. Im Wärmekreis der Feststoffwärmepumpe befindet sich ein Hochtemperaturspeicher, der über eine Wärmeträgerflüssigkeit mit den Warmseiten der Stirlingmotoren gekoppelt ist.
Im Weiteren zeigt die DE 30 42 807 A1 mehrere in Reihe geschaltete Wärmepumpen zum Antrieb eines Stirlingmotors, wobei die warme Seite der ersten Wärmepumpe an die kalte Seite der zweiten Wärmepumpe angeschlossen ist usw., um eine möglichst hohe Antriebstemperatur für den Stirlingmotor durch die Erwärmung eines Arbeitsgases an der warmen Seite der letzten Wärmepumpe zu erzielen. Zur Kühlung des Stirlingmotors ist Umgebungsluft oder ein Gewässer vorgesehen.
Es ist Aufgabe dieser Erfindung, eine Anordnung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie der eingangs genannten Art zu schaffen, die gegenüber bekannten Anordnungen eine erhöhte Leistung aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens einer der Zylinder oder ein Zylinderkopf in einem von der Wärmepumpe erhitzten Wärmemedium und mindestens ein weiterer Zylinder oder ein Zylinderfuß in einem von der Wärmepumpe gekühlten Kältemedium gelagert ist.
Demnach ist der eine Zylinder in einem Heißgasraum und der andere Zylinder in einem Kaltbereich des Kältemittelkreislaufs der Wärmepumpe angeordnet, wobei im Fall der Aufnahme eines doppelt wirkenden Kolbens unter einem Zylinder im Sinne der Erfindung auch nur ein Abschnitt eines Zylinders bzw. ein Abschnitt einer Zylinderbohrung zu verstehen ist. Aufgrund dieser Maßnahmen wird nicht nur das Arbeitsgas des Stirlingmotors von der Wärmepumpe temperiert, sondern die gesamten Zylinder auf hohen oder niedrigen Temperaturen gehalten, weshalb der Stirlingmotor mindestens einen warmen und einen kalten Zylinder, respektive Zylinderkompartiment, umfasst, damit innerhalb der Anordnung eine Temperaturdifferenz (ΔT) von ca. 100 K erreicht wird. Zwischen der kalten Seite des α-Stirling und dessen warmer Seite wird eine relativ hohe Temperaturdifferenz erzielt, da der warme Zy linder keinen Temperaturverlust über seine Zylinderwände erfährt und der kalte Zylinder keine Erwärmung, was zu einer entsprechenden Expansion und Kompression des Arbeitsgases führt. Durch die Wärmepumpenarbeit stehen stets ein Wärmemedium mit einer relativ hohen Temperatur und ein Kältemedium mit einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur zur Temperierung der entsprechenden Zylinder über das Wärmemedium bzw. das Kältemedium zur Verfügung. Das Wärmemedium wird an einem Kompressorausgang und das Kältemedium hinter dem Expansionsventil der Wärmepumpe entnommen. Der Stirlingmotor läuft mittels der thermischen Energie der Wärmepumpe. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe findet bevorzugt Verwendung, da sie die Arbeitsmitteltemperatur auf relativ niedrige Temperaturen absenken kann.
Nach einer Weiterbildung ist der Stirlingmotor als α-Typ ausgebildet. Um einen Leerhub eines Kolbens zu vermeiden, ist vorzugsweise in jedem Zylinder ein doppelt wirkender Kolben gelagert. Sonach wird jeder Kolben sowohl von seiner Oberseite als auch von seiner Unterseite von dem Arbeitsgas zum Antrieb einer gemeinsamen Welle, die wiederum mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden ist, beaufschlagt. Vorzugsweise umfasst der α-Stirlingmotor zwei warme und zwei kalte Zylinder.
In Ausgestaltung ist ein zylinderkopfseitiger Auslass des warmen Zylinders mit einem zylinderkopfseitigen Einlass des kalten Zylinders strömungstechnisch verbunden. Das aus dem warmen Zylinder ausgestoßene Arbeitsgas expandiert in dem kalten Zylinder. In weiterer Ausgestaltung steht ein zylinderfußseitiger Auslass des kalten Zylinders mit einem zy linderfußseitigen Einlass des warmen Zylinders in Strömungsverbindung. Beim Ausschieben des Arbeitsgases aus dem kalten Zylinder wird dasselbe erwärmt und expandiert in dem warmen Zylinder auf der Unterseite des Kolbens.
Zweckmäßigerweise sind die Zylinder unter Zwischenschaltung von Regeneratoren miteinander verbunden. Hier können übliche Regeneratoren Verwendung finden.
In alternativer Ausgestaltung ist der Stirlingmotor als β-Typ ausgebildet. Diese Bauform des Stirlingmotors eignet sich aufgrund der räumlichen Trennungsmöglichkeit in warme und kalte Zylinderkompartimente analog zum α-Typ. Bevorzugt sind zwei Zylinder mit Verdrängerkolben und ein Zylinder mit einem doppelt wirksamen Arbeitskolben vorgesehen, wobei die Verdrängerkolben mit dem Arbeitskolben gekoppelt sind.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Anordnung sind Heißkompartimente mit Abschnitten der Zylinder mit den Verdrängerkolben durch eine thermische Isolationsschicht von Kaltkompartimenten mit weiteren Abschnitten der Zylinder getrennt. Zweckmäßigerweise sind die Verdrängerkolben mittels einer geeigneten nockenbetriebenen Mechanik zur Übermittenstellung angetrieben, die die zur Wärmeleitung verfügbare Zeit verlängert. Vorzugsweise sind sämtliche am Wärmeaustausch beteiligten Flächen zur maximalen Vergrößerung ihrer Oberflächen vergütet. Bei einer solchen Vergütungstechnik zur Oberflächenvergrößerung kann es sich beispielsweise um ein Fließpressverfahren oder eine Nanotechnologie handeln. Aus dem Katalysatorenbau sind dem Fachmann viele Maßnahmen zur Oberflächenvergrößerung bekannt, die auch hier zur Anwen dung kommen können.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung aus doppelt wirksamen Kompressionsund Arbeitskolben zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie und
2 eine schematische Schnittdarstellung der Anordnung nach 1 in alternativer Ausgestaltung aus einem doppelt wirksamen Arbeitskolben mit zwei Verdrängerkolben, die thermisch getrennte Kompartimente aufweisen.
Die Anordnung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie umfasst eine Wärmepumpe 1, die mit einem Stirlingmotor 2, der gemäß 1 als α-Typ ausgebildet ist, in Verbindung steht, wobei Überschusswärme zur Rücklauftemperaturanhebung einer Heizung oder Brauchwassererwärmung dient und der Stirlingmotor 2 mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist. Der Stirlingmotor 2 umfasst vier Zylinder 3, in denen jeweils ein über Schwungscheiben 4 verbundener, beidseitig beaufschlagbarer Kolben 5 verschiebbar gelagert ist. Zwei der Zylinder 3 sind in einem Wärmemedium 6 in einem Heißgasbereich der Wärmepumpe 1 und zwei Zylinder 3 in einem Kältemedium 7 in einem Kaltbereich hinter einem Expansionsventil des Kältekreislaufs gelagert. Zur Durchströmung des Stirlingmotors 2 ist unter Zwischenanordnung eines Regenerators 9 ein zylinderkopfseitiger Auslass 10 des warmen Zylinders 3 mit einem zylinderkopfseitigen Einlass 11 des kalten Zylinders strömungstechnisch verbunden. Im Weiteren ist ebenfalls unter Zwischenschaltung eines Regenerators 12 ein zylinderfußseitiger Auslass 13 des kalten Zylinders 3 mit einem zylinderfußseitigen Einlass 14 des warmen Zylinders 3 gekoppelt.
Zwischen der kalten Seite des Stirlingmotors, die durch die gekühlten Zylinder 3 repräsentiert wird, und dessen warmer Seite wird eine relativ hohe Temperaturdifferenz erzielt, da der warme Zylinder 3 keinen Temperaturverlust über seine Zylinderwände 8 erfährt und der kalte Zylinder 3 keine Erwärmung. Das Wärmemedium 6 wird an einem Kompressorausgang 9 und das Kältemedium 7 hinter einem Expansionsventil 20 der Wärmepumpe 1 entnommen.
Die Anordnung mit definierten, stabilen Heiß- und Kaltzylindern 3 lässt sich auch bei einem Stirlingmotor 2 des β-Typs realisieren, bei dem die Zylinder 3 mit ihrem Kopfbereich in einem so genannten Heißkompartiment 17 und, abgetrennt durch eine thermische Isolationsschicht 16, mit einem unteren Zylinderteil in einem so genannten Kaltkompartiment 18 gelagert sind. Das Heißkompartiment 17 wird aus dem Heißgasbereich der Wärmepumpe 1 gespeist. Das Kaltkompartiment 18 wird durch die Einbeziehung der Kaltseite der Wärmepumpe 1 dort erhalten, wo hinter dem Expansionsventil 20 Druck und Temperatur fallen, um aus der Umgebung Energie in Form von Wärme aufnehmen zu können.
Die beiden Verdrängerkolben 15 können in einer weiteren Ausbildung als Regenerator ausgelegt werden. Stets sind die beiden Verdrängerkolben 15 über Kolbengestänge 19 oder entsprechende Übermittenstellungsmechaniken mit einem doppelt wirksamen Arbeitskolben 21 im Zylinder 3 des Stirlingmotors gekoppelt. Die Strömungsverläufe der Arbeitsgase bleiben stirlingtypisch.
Sämtliche am Wärmeaustausch beteiligten Außenflächen des als α-Typ ausgebildeten Stirlingmotors 2 bzw. die Kompartimentaußenflächen und -innenflächen des als β-Typ ausgebildeten Stirlingmotors 2 sind derart vergütet, dass ihre Oberflächen maximal vergrößert sind. Solche Oberflächenvergrößerung ist durch die Anwendung von Fließpressverfahren oder Nanopartikel-Beschichtungen möglich und dem Fachmann beispielsweise aus der Katalysatortechnik bekannt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10312137 A1 [0002]
- DE 3042807 A1 [0003]

Claims

Anordnung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie mit einem Stirlingmotor (2), der zumindest zwei Zylinder (3) umfasst, die mit einer Wärmepumpe (1) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Zylinder (3) oder ein Zylinderkopf in einem von der Wärmepumpe (1) erhitzten Wärmemedium (6) und mindestens ein weiterer Zylinder (3) oder ein Zylinderfuß in einem von der Wärmepumpe (1) gekühlten Kältemedium (7) gelagert ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor (2) als α-Typ ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Zylinder (3) ein doppelt wirkender Kolben (5) gelagert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der α-Stirlingmotor zwei warme und zwei kalte Zylinder (3) umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zylinderkopfseitiger Auslass (10) des warmen Zylinders (3) mit einem zylinderkopfseitigen Einlass (11) des kalten Zylinders (3) strömungstechnisch verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zylinderfußseitiger Auslass (13) des kalten Zylinders (3) mit einem zylinderfußseitigen Einlass (14) des warmen Zylinders (3) in Strömungsverbindung steht.
Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (3) unter Zwischenschaltung von Regeneratoren (9, 12) miteinander verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor (2) als β-Typ ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Zylinder (3) mit Verdrängerkolben (15) und ein Zylinder (3) mit einem doppelt wirksamen Arbeitskolben (21) vorgesehen sind, wobei die Verdrängerkolben (15) mit dem Arbeitskolben (21) gekoppelt sind.
Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Heißkompartimente (17) mit Abschnitten der Zylinder (3) mit den Verdrängerkolben (15) durch eine thermische Isolationsschicht (16) von Kaltkompartimenten (18) mit weiteren Abschnitten der Zylinder (3) getrennt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerkolben (15) mittels einer geeigneten nockenbetriebenen Mechanik zur Übermittenstellung angetrieben sind, die die zur Wärmeleitung verfügbare Zeit verlängert.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche am Wärmeaustausch beteiligten Flächen zur maximalen Vergrößerung ihrer Oberflächen vergütet sind.