DE102008004075A1 - Stirlingmotor - Google Patents

Abstract

Gegenüber den gebräuchlichen Stirlingmotoren mit translatorischen Verdrängern sind fünf Merkmale zu verbessern: a) das Arbeitsgas dicht an den Kühl- oder Heizflächen entlangführen, b) die Kühl- und Heizflächen vergrößern, c) kürzere Wege zum Regenerator, d) eine Vergrößerung des Regeneratorvolumens und e) Abschirmen der Kühlfläche während der Heizphase sowie Abschirmen der Heizfläche während der Kühlphase. Die Lösung ist ein oszillierend reversierender Rotationsverdränger (4), der das Gas bei seinen Drehrichtungswechseln durch einen Regenerator (3) zwischen einer Kühlerhalbschale (1) und einer Erhitzerhalbschale (2) hin- und herschiebt. Durch die Wirkungsgradverbesserung wird die Anwendung in Großkraftwerken möglich.

Description

• Stirlingmotor, Wärmekraftmaschine für die Nutzung von Sonnenenergie, Niedertemperaturwärme, Verbrennungswärme zur Stromerzeugung, als Antrieb für Wasserpumpen oder als Kältemaschine. Systematisch gehört die hier beschriebene Erfindung in die Familie der Gammatyp-Stirlingmaschinen. Das heißt es gibt einen Verdrängerkolben, der auch als interner Regenerator fungieren kann, und einen Arbeitskolben, wobei beide Kolben in getrennten Zylindern untergebracht sind. Obwohl der Stirlingprozeß zum Standardlehrstoff der Thermodynamik gehört, konnte er sich seit seinem 192 jährigen Bestehen nicht in dem Maße durchsetzen, wie er es verdient hätte.
• 1.0 Stand der Technik, Nachteile der bestehenden translatorischen Verdränger
• Die bekannten Verdränger in Stirlingmaschinen führen meist als Kolben in einem Zylinder eine translatorische Bewegung aus, wobei das Arbeitsmedium Luft, Helium, Wasserstoff etc. axial in Richtung der Kolbenbewegung ausgeschoben wird. Sofern die Wandungen der Zylindermantelflächen als Kühl- oder Heizflächen genutzt werden sollen, werden die Moleküle des Arbeitsmediums beim Ausschieben unkontrolliert verwirbelt, was sich zwar ein wenig positiv auf den konvektiven Wärmeübergang auswirkt. Sie werden aber nicht gezwungen dicht an den Heiz- und Kühlflächen entlang zu streifen um Wärme auf- bzw. abzugeben. Moleküle, die also nicht permanent dicht an den Kühl- bzw. Heizflächen entlang geführt werden, wirken sich daher als Totraum aus.
• 1.1 Stirlingmotore mit translatorisch bewegten Verdrängerkolben, die die Mantelflächen des Verdrängerzylinders erst gar nicht als Kühler oder Erhitzer nutzen, sondern externe Erhitzer und Kühler verwenden, sind noch weitaus stärker benachteiligt., weil die Heiz- und Kühlflächen beständig Wärme zu- bzw. abführen. Daraus ergibt sich ein fortwährender Fehlerwärmestrom.
• 1.2 Die mechanisch abgeführte Nutzarbeit der Stirlingmaschine ist zwar proportional zur Drehzahl. Leider hilft aber eine Erhöhung der Drehzahl nicht, wenn nicht gleichzeitig die Kühl- und Heizflächen vergrößert werden. An dieser physikalischen Barriere sind die meisten historischen Stirlinganwendungen gescheitert. Wenn die Heiz- und Kühlflächen mit doppelter Drehzahl durchlaufen werden steht ihnen auch nur die halbe Zeit zur Wärmeübertragung zur Verfügung. D. h. die Effekte heben sich gegenseitig auf. Durch die dabei erhöhte Windgeschwindigkeit wird der Wärmeübergang zwar verbessert, aber leider nicht proportional. In axialer Bewegungsrichtung des translatorischen Verdrängers d. h. Verlängerung des Zylinders sind aus kinematischen Gründen des Antriebs, meist Kurbeltrieb, Grenzen gesetzt, so das die Heiz- und Kühlflächen nicht beliebig vergrößert werden können. Einer Vergrößerung von Kolben- und Zylinderdurchmesser, mit dem Ziel, die Heiz- und Kühlflächen zu vergrößern, sind aus Gründen der erhöhten Kräfte auf das Triebwerk Grenzen gesetzt.
• 1.3 Die Erfindung sollte daher fünf Hauptziele verfolgen: a) das Arbeitsmedium dicht an den Kühl- oder Heizflächen entlangführen, b) die Kühl- und Heizflächen vergrößern, c) kürzere Wege zum Regenerator, d) eine Vergrößerung des Regeneratorvolumens und e) Abschirmen der Kühlfläche während der Heizphase sowie, Abschirmen der Heizfläche während der Kühlphase.
• 2.0 Die Lösung: Ein oszillierend reversierender Rotationsverdränger (fest, flüssig und in jeder morphologischen Gestalt)
• Ein oszillierend reversierender Rotationsverdränger (4) ist in einer Röhre drehbar gelagert. Die Röhre besteht der Länge nach aus zwei Halbschalen, von denen eine Halbschale als Kühler (1) und eine Halbschale als Erhitzer (2) dient. 3 zeigt den Verdränger (4) in der Startposition großer Durchmesser oben, ausgefräßter kleinerer Durchmesser unten. Dadurch befindet sich das Arbeitsmedium in dem freien Sektor, der aus Verdränger (4) und Erhitzerhalbschale (2) gebildet wird. Der Arbeitskolben (5) expandiert und führt isotherm kinetische Energie an das äußere Getriebe (6) ab. Dann dreht sich der Verdränger (4) um 165° gegen den Uhrzeiger und schiebt das Gas gegen den Anschlag (7) durch eine Vielzahl Auslaßbohrungen (10) in den Regenerator (3), wobei es Wärme an den Regenerator abgibt, um den Betriebsdruck weiter zu senken. Gleichzeitig strömt das Gas durch eine Vielzahl obere Auslaßbohrungen (9) in das obere Segmet, das sich nunmehr zwischen Verdränger (4) und Kühlerhalbschale (1) bildet. Das Gas führt Wärme über die Kühlerhalbschale (1) ab, und wird isotherm durch den Arbeitskolben (5) komprimiert. Während dieses Vierteltakts sorgt ein äußeres Getriebe (6) dafür, dass der Verdränger (4) möglichst lange still steht.
• Im nächsten Vierteltakt dreht sich der Verdränger (4) im Uhrzeigersinn zurück in die Startposition. Das Gas strömt durch die oberen Auslaßbohrungen (9) in den Regenerator (3) und nimmt die zuvor gespeicherte Wärme wieder auf, um weiter verdichtet zu werden. Aus dem Regenerator (3) strömt es durch die unteren Auslaßbohrungen (10) zurück zur Erhitzerhalbschale (2). Die weitere Wärmeaufnahme dient der isothermen Arbeitsabgabe durch den Arbeitskolben (5), wodurch der Kreisprozeß von neuem beginnt. Auch während dieses Vierteltakts sorgt das äußere Getriebe (6) dafür, dass der Verdränger (4) möglichst lange still steht.
• Der Verdränger (4) und auch die Halbschalen können jede Gestalt haben, fest oder flüssig, zum Beispiel in der Form eines elektrischen Scheibendrehkondensators. Wichtig ist nur, das der Verdränger (4) alternierend die Heiz- und Kühlflächen abschirmt (verdeckt), und das er das Arbeitsmedium durch seine oszylierend reversierende Drehung durch den Regenerator (3) schiebt. Egal ist dabei, ob der Verdränger das Arbeitsmedium durch einen externen Regenerator schiebt, wie 1, oder ob der Drehkolben selber als Regenerator dient (interner Regenerator) siehe 5.
• 3.0 Vorteile der neuen Lösung
• 3.1 Durch die Geometrie des Verdrängers werden die Molekühle des Arbeitsmediums jetzt dicht an den Heiz- und Kühlflächen vorbeigeführt. Dadurch ergibt sich ein verbesserter kontrollierter Wärmeübergang.
• 3.2 Die Heiz- und Kühlflächen werden alternierend durch den rotatorisch reversierenden Verdrängerkolben abgeschirmt (abgedeckt). Daraus folgt im Vergleich zu vielen anderen Stirlingmaschinen eine Verminderung des schädlichen unbeabsichtigten Fehlerwärmestroms.
• 3.3 Regenerator, Erhitzer und Kühler lassen sich wie ein Strangußprofil axial beliebig verlängern, z. B. 50 Meter lang. Eine Begrenzung der Länge ergibt sich lediglich aus Verdrängertorsion und der unterschiedlichen Wärmedehnung von heißer- und kalter Röhrenschalenhälfte. Diese Probleme lassen sich aber konstruktiv weit reichend umgehen. Durch die der Länge nach nahezu frei steigerbare Flächenvergrößerung für Erhitzer, Regenerator und Kühler kann der thermodynamisch optimale Wärmefluß abgestimmt werden.
• 3.4 Durch die Panelengeometrie eignet sich dieser Stirling für Modulbauweise. Anwendungen sind Großkraftwerke wo die Panelmodule wie ein Fußballfeld zu einer Fläche zusammengesetzt werden. Möglich ist es auch, die Panelmodule ringförmig zu einem z. B. Hexagon oder Oktagon, regelmäßigem Vieleck. zusammenzusetzen. Nutzungen für Großkraftwerke dieser Bauart sind Kraft-Wärmekopplung, Stromgeneratoren, Solarpumpkraftwerke, Solarkühlung insbesondere die Nutzung von Niedertemperaturwärme. In einer Solarparabolrinne können die Panelen ohne den Umweg über ein Wärmeträgerfluid direkt von der Sonne erhitzt werden um höhere Prozeßemperaturen zu ermöglichen. Außerdem ist im Gegensatz zur bekannten Parabolrinnentechnik ein autarker Betrieb ohne Wartungspersonal möglich. Durch den dreifach an Erhitzer, Regenerator und Kühler verbesserten Wärmeübergang, sowie der Möglichkeit, dem Regenerator entlang der langen Panelachse die „nötige Masse" zu verleihen, ist ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad zu erwarten, so das mit dem Stirlingprozess endlich der lange erwartete Durchbruch gelingt, insbesondere zur Verbesserung der Umweltbedingungen.

Claims (2)

1. Stirlingmotor (Gammatyp) bestehend aus: – einem Kühler (1), – einem Erhitzer (2), – einem Regenerator (3), – einem Verdrängerkolben (4), der das Arbeitsmedium (Luft, Helium) zwischen Kühler und Erhitzer durch den Regenerator hin- und herschiebt, – einem Arbeitskolben (5) für die Abgabe der gewonnenen kinetischen Energie und einem Getriebe (6) für die Synchronisierung der Verdränger- und Arbeitskolbenbewegungen sowie Energiezwischenspeicherung, in einer Schwungmasse oder einem anderem Energiepuffer. dadurch gekennzeichnet, dass a) der Verdrängerkolben als Drehkolben ausgeführt ist, b) Kühler und Erhitzer als Halbschalen ausgebildet sind, zwischen denen der Verdrängerkolben drehbar gelagert ist, c) der Verdrängerkolben in einer Aussparung das Arbeitsmedium durch reversierend, oszillierende Drehbewegungen dicht an den Kühl- und Heitzflächen, der Kühler- und Erhitzerhalbschalen entlang führt, um einen effektiven Wärmeübergang zu bewirken, d) das der Verdrängerkolben durch reversierend, oszillierende Drehbewegungen das Arbeitsmedium durch den Regenerator zwischen Kühler- und Erhitzerhalbschale hin- und herschiebt. e) das der Verdrängerkolben bei seinen Drehbewegungen alternierend mit seiner, dem Arbeitsmedium abgewandten Seite, die Heitz- und Kühlflächen abschirmt, um einen ungewollten Wärmestrom zum Arbeitsmedium zu verhindern. f) der Regenerator parallel zur gemeinsamen Kühler-Erhitzer-Verdrängerachse angeordnet ist, und radial vom Verdränger angeströmt wird.
2. Stirlingmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass g) als Getriebe jede Kombination bekannter Getriebe wie Schrittgetriebe, Hebelgetriebe, Hydraulikgetriebe Kurbeltrieb zur diskontinuierlichen Verdrängersteuerung verwendet werden kann, h) er als Panelmodule in einer Ebene oder ringförmig als Hexgon, Oktagon, regelmäßiges Vieleck zu einem Mehrzylindermotor zusammengesetzt werden kann, j) er in einer Parabolspiegelwanne oder mit Fresnelkollektoren zur Solarstromgewinnung verwendet werden kann, k) der Verdränger jede Form haben kann auch flüssig z. B. in Form eines elektrischen Scheibendrehkondensators bei Erfüllung Merkmale a bis e. l) der Arbeitskolben zur Verminderung von Reibung und Undichtigkeit als Membran- oder Balgzylinder ausgeführt werden kann, wobei die Membranen und Balge aus elastischem Kunststoff oder Metall bestehen können. m) der Verdränger selbst in einer hohlen mit Wärmespeichermaterial gefüllten Ausführung als interner Regenerator verwendet werden kann. 5