DE102008050653B4 - Heat engine according to the pulse tube principle - Google Patents
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Abstract
Wärmekraftmaschine nach dem Pulsröhrenprinzip mit mindestens einem Expander (2), der einen Zylinder und einen Kolben oder eine Membran umfasst, sowie mindestens einem fluidisch an den Expander (2) angekoppelten thermischen Kopf, der aus der fluidischen Serienschaltung eines Kühlers (3 bzw. 4), einer Pulsröhre (7 bzw. 8), eines Heizers (9 bzw. 10) und eines Regenerators (11 bzw. 12) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (11 bzw. 12) des mindestens einen thermischen Kopfes fest mit der Pulsröhre (7 bzw. 8) verbunden ist.Heat engine according to the pulse tube principle with at least one expander (2), which comprises a cylinder and a piston or a membrane, and at least one fluidically coupled to the expander (2) thermal head, which consists of the fluidic series connection of a cooler (3 or 4) , a pulse tube (7 or 8), a heater (9 or 10) and a regenerator (11 or 12), characterized in that the regenerator (11 or 12) of the at least one thermal head fixed to the pulse tube (7 or 8) is connected.
Description
Die Erfindung betrifft eine schnell laufende Wärmekraftmaschine mit äußerer Beheizung, deren bewegte Teile sich ausschließlich auf der Seite des niedrigeren Temperaturniveaus befinden. Sie ist z. B. in Blockheizkraftwerken, zentralen Kraftwerken, Industrieanlagen und Kraftfahrzeugen einsetzbar und ermöglicht die Nutzung von Wärmeströmen auf einem Temperaturniveau von 150 bis 2000°C. Die Lebensdauer der Wärmekraftmaschine ist dadurch so hoch, wie die übliche Lebensdauer von Kraftwerken und Heizungsanlagen.The invention relates to a fast-running heat engine with external heating, whose moving parts are located exclusively on the side of the lower temperature level. It is z. As used in combined heat and power plants, central power plants, industrial plants and motor vehicles and allows the use of heat fluxes at a temperature level of 150 to 2000 ° C. The life of the heat engine is thus as high as the usual life of power plants and heating systems.
Zur Erzeugung von mechanischer oder elektrischer Energie aus Wärmeströmen werden vielfach komplex aufgebaute Wärmekraftmaschinen mit innerer Beheizung eingesetzt.For the generation of mechanical or electrical energy from heat flows, complex heat engines with internal heating are often used.
Bekannt sind auch Blockheizkraftwerke, bei denen die beim Betrieb erzeugte Wärme nicht ausschließlich zum Beheizen, sondern mit Hilfe von langsam laufenden Wärmekraftmaschinen mit äußerer Beheizung auch zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt wird. Die verwendeten Wärmekraftmaschinen basieren auf dem Stirling- bzw. Ericssen-Prinzip, und sind wenn auch einfacher, als Wärmekraftmaschinen mit innerer Beheizung, immer noch vergleichsweise kompliziert aufgebaut.Also known are combined heat and power plants, in which the heat generated during operation is not used exclusively for heating, but also with the help of slow-running heat engines with external heating for the generation of electrical energy. The heat engines used are based on the Stirling or Ericssen principle, and although simpler, as heat engines with internal heating, still constructed comparatively complicated.
Darüber hinaus sind aus
In
Bei beiden Lösungen wird eine nach dem Alpha-Stirling-Prinzip arbeitende Pulsröhre eingesetzt, wobei anstelle eines aktiven Kompressors ein passiver resonanter Kompressor verwendet wird, der funktionell vor dem Kühler angeordnet ist und mechanisch gedämpft wird. Aufgrund dessen sind diese Pulsröhren-Wärmekraftmaschinen nur bei Systemen mit kleiner Leistung (max. 50 W) und bei geringer Anforderung an die Leistungszahl einsetzbar.Both solutions employ a pulse tube operating on the alpha-stirling principle, wherein instead of an active compressor, a passive resonant compressor is used, which is functionally arranged in front of the cooler and mechanically damped. Because of this, these pulse tube heat engines are applicable only to low power systems (50 W max.) And low power count requirement.
Der wesentliche Nachteil dieser Pulsröhren-Wärmekraftmaschinen besteht jedoch darin, dass sie, wie auch alle anderen gegenwärtig eingesetzten Wärmekraftmaschinen, mindestens zwei bewegte Teile besitzen, zwischen denen eine Kraftübertragung erfolgt. Eines der beweglichen Teile (Kolben oder Regenerator) ist Temperaturen ausgesetzt, die nahezu der Temperatur des Wärmestromes (typischerweise 600 bis 1200°C) entsprechen, während sich das andere bewegliche Teil auf der kalten Seite der Wärmekraftmaschine befindet.The main disadvantage of these pulse tube heat engines, however, is that they, like all other heat engines currently used, have at least two moving parts, between which a power transmission occurs. One of the moving parts (piston or regenerator) is exposed to temperatures close to the heat flow temperature (typically 600 to 1200 ° C) while the other moving part is on the cold side of the heat engine.
Die Kraftübertragung zwischen den beiden beweglichen Teilen ist problematisch, da einerseits große Kräfte auf die relativ weit voneinander entfernten Teile übertragen werden müssen, wozu Übertragungselemente (z. B. Kolbenstangen) mit großem Durchmesser erforderlich sind, andererseits jedoch, um die Verlustwärmeströme gering zu halten, der Wärmestrom zwischen beiden Teilen möglichst klein gehalten werden muss.The transmission of force between the two moving parts is problematic since, on the one hand, large forces have to be transmitted to the relatively widely separated parts, which requires transmission elements (eg piston rods) with a large diameter, but, on the other hand, in order to keep the loss heat flows low, the heat flow between the two parts must be kept as small as possible.
Auf der Seite mit der hohen Temperatur bereitet auch die Abdichtung und Schmierung Schwierigkeiten. Oft werden deshalb dort größere Toleranzen/Spalte zugelassen, die allerdings erhöhte Todvolumen, Shuttle- und Abströmverluste verursachen. Andererseits sind passgenaue Abdichtungen für hohe Temperaturen, wie z. B. mittels Flüssigmetallen (Blei) oder Feststoffschmierungen (z. B. Bornitrid), nur aufwendig und mit teuren Materialien herzustellen.On the high temperature side, sealing and lubrication also presents difficulties. Often, therefore, larger tolerances / gaps are allowed there, which, however, cause increased dead volumes, shuttle and outflow losses. On the other hand, precisely fitting seals for high temperatures, such. B. by liquid metals (lead) or solid lubricants (eg., Boron Nitride), only consuming and expensive materials.
Die bewegten Teile auf der Seite mit der hohen Temperatur unterliegen außerdem einem sehr hohen Verschleiß, wodurch die Standzeiten und Lebensdauern der Wärmekraftmaschinen stark verkürzt werden.The moving parts on the high temperature side are also subject to very high wear, which greatly reduces the life and durability of the heat engines.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Beheizung geschaffen werden, deren bewegte Teile sich ausschließlich auf der Seite mit dem niedrigeren Temperaturniveau befinden. Die Wärmekraftmaschine soll kompakt und schnell laufend ausgeführt sein. Außerdem sollen mit ihr hohe Lebensdauern erreichbar sein.The invention has for its object to eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, a heat engine with external heating is to be created, whose moving parts are located exclusively on the side with the lower temperature level. The heat engine should be made compact and fast running. In addition, it should be reachable with her high lifetimes.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen und Verwendungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 9.This object is achieved by the characterizing features of
Ausgegangen wird von einer Wärmekraftmaschine mit äußerer Beheizung nach dem Pulsröhrenprinzip, die aus mindestens einem Expander, der einen Zylinder und einen Kolben oder eine Membran umfasst, und mindestens einem fluidisch an den Expander angekoppelten thermischen Kopf besteht, der sich aus einer Serienschaltung eines Kühlers, einer Pulsröhre, eines Heizers und eines Regenerators zusammensetzt.It is based on a heat engine with external heating according to the pulse tube principle, which consists of at least one expander comprising a cylinder and a piston or a membrane, and at least one fluidically coupled to the expander thermal head, which consists of a series circuit of a radiator, a Pulse tube, a heater and a regenerator.
Nach Maßgabe der Erfindung ist der Regenerator fest mit der Pulsröhre verbunden. Hierdurch kann die Wärmekraftmaschine, im Gegensatz zu allen anderen gegenwärtig eingesetzten Wärmekraftmaschinen, ohne bewegliche Teile auf der heißen Seite ausgeführt werden. Das einzige bewegliche Teil der Wärmekraftmaschine, nämlich der Kolben bzw. die Membran des Expanders, befindet sich im kalten Bereich. Der Betrieb der Maschine wird durch Erzeugung eines Arbeitsintegrals mittels einer Temperaturwelle ermöglicht. Die Wärmekraftmaschine ist schnell laufend und arbeitet nach dem Druckkammerprinzip (analog wie Stirlingmotoren), also nicht thermoakustisch.According to the invention, the regenerator is firmly connected to the pulse tube. As a result, the heat engine, in contrast to all other heat engines currently in use, be carried out without moving parts on the hot side. The only moving part of the heat engine, namely the piston or the membrane of the expander, is located in the cold area. The operation of the machine is made possible by generating a working integral by means of a temperature wave. The heat engine is fast running and works on the pressure chamber principle (analogous to Stirling engines), ie not thermoacoustically.
Der Funktionsprozess der Wärmekraftmaschine besteht aus den beiden Arbeitstakten Kompression und Expansion. Bei der Kompression wird das Arbeitsfluid (typischerweise Arbeitsgas) mittels des Kolbens/der Membran aus dem Expander hinaus und über den Kühler, die Pulsröhre und den Heizer in den Regenerator geschoben. Bei der Expansion erfolgt der umgekehrte Vorgang.The functional process of the heat engine consists of the two working cycles of compression and expansion. During compression, the working fluid (typically working gas) is pushed out of the expander via the piston / membrane and into the regenerator via the radiator, pulse tube and heater. Expansion is the reverse process.
Mit der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine werden die eingangs beschriebenen Probleme, die bei die Führung, Abdichtung und Schmierung auftreten, vermieden. Außerdem treten weder der sonst übliche starke mechanische Verschleiß der bewegten Teile bei hohen Temperaturen noch die Wirkungsgradeinbußen durch Verlustwärmeströme, die von den mechanischen Kopplungselementen verursacht werden, auf. Mit der Wärmekraftmaschine können deshalb im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen wesentlich höhere Lebensdauern erreicht werden. Außerdem ist es möglich, die Wärmekraftmaschine sehr kompakt aufzubauen.With the heat engine according to the invention, the problems described above, which occur in the guide, sealing and lubrication, are avoided. In addition, neither the usual high mechanical wear of the moving parts at high temperatures nor the loss of efficiency due to loss of heat flows caused by the mechanical coupling elements occur. With the heat engine therefore much longer lifetimes can be achieved compared to conventional machines. In addition, it is possible to build the heat engine very compact.
Der Kolben bzw. die Membran können zudem mit vergleichsweise geringer Masse hergestellt werden; somit können ohne großen technischen Aufwand schnell laufende Wärmekraftmaschinen hergestellt werden.The piston or the membrane can also be made with relatively low mass; Thus, without much technical effort quickly running heat engines can be produced.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Wärmekraftmaschine ist vorgesehen, dass der Regenerator des mindestens einen thermischen Kopfes nicht, wie sonst üblich, auf einem konstanten Temperaturniveau gehalten wird, sondern im Regenerator ein Temperaturgradient eingestellt wird. Hierzu ist an der dem Heizer abgewandten Seite des Regenerators ein Kühler angebracht, wodurch ein Temperaturabbau längs des Regenerators bewirkt wird. Die Temperatur des Regenerators nimmt folglich mit zunehmender Entfernung vom Heizer stetig ab. Ein in Richtung des Regenerators längs des Erhitzers abfallendes Temperaturprofil ist nachweislich vorteilhaft für den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine.To increase the efficiency of the heat engine is provided that the regenerator of the at least one thermal head is not, as usual, maintained at a constant temperature level, but in the regenerator, a temperature gradient is set. For this purpose, a cooler is mounted on the side facing away from the heater of the regenerator, whereby a temperature reduction along the regenerator is effected. The temperature of the regenerator consequently decreases steadily with increasing distance from the heater. A falling in the direction of the regenerator along the heater temperature profile is proven to be advantageous for the efficiency of the heat engine.
Das Füllmaterial des Regenerators besteht aus Filz, Siebgewebe oder offenporigem Metallschaum. In Abhängigkeit vom Arbeitsfluid und der Arbeitstemperatur wird Edelstahl, Kupfer oder Aluminium verwendet.The filler material of the regenerator consists of felt, mesh or open-pored metal foam. Depending on the working fluid and the working temperature stainless steel, copper or aluminum is used.
In einer bevorzugten Ausführung wird der Kolben (oder die Membran) des Expanders freischwingend im Zylinder gelagert und jeder der beiden durch den Kolben/die Membran gebildeten Arbeitsräume fluidisch an jeweils die Kühlerseite eines separaten thermischen Kopfs angekoppelt. Somit ist bei der Verwendung nur eines Expanders die Arbeitsleistung pro Zyklus verdoppelt. Je nach Aufbau des Expanders kann die Maschine entweder als resonante oder als nicht resonante Wärmekraftmaschine ausgeführt werden.In a preferred embodiment, the piston (or the membrane) of the expander is mounted in the cylinder in free-swinging fashion and each of the two working spaces formed by the piston / membrane is fluidically coupled to the respective cooler side of a separate thermal head. Thus, using only one expander, the workload per cycle is doubled. Depending on the design of the expander, the machine can be designed either as a resonant or a non-resonant heat engine.
Die beiden thermischen Köpfe sind identisch aufgebaut und werden im Gegentakt betrieben, d. h. wenn in einem thermischen Kopf die Kompression erfolgt, erfolgt im anderen die Expansion.The two thermal heads are constructed identically and are operated in push-pull, d. H. if the compression takes place in one thermal head, the expansion takes place in the other.
Eine weitere Leistungssteigerung wird mit einer Ausführungsform erreicht, bei der jeweils an der dem Heizer abgewandten Seite der Regeneratoren der beiden thermischen Köpfe ein Kühler, der vom Arbeitsfluid durchströmt werden kann, angebracht ist und beide Kühler mittels einer Drossel fluidisch verbunden sind. Da die beiden thermischen Köpfe im Gegentakt betrieben werden, wird erreicht, dass jeweils das Volumen des einen thermischen Kopfes, dem anderen thermischen Kopf als Gasballast zur Verfügung steht.A further increase in performance is achieved with an embodiment in which, in each case on the side facing away from the heater of the regenerators of the two thermal heads, a radiator, which can be flowed through by the working fluid, is mounted and both radiators are fluidly connected by means of a throttle. Since the two thermal heads are operated in push-pull, it is achieved that in each case the volume of one thermal head, the other thermal head is available as a gas ballast.
Zur Erhöhung der Leistung unter Erhaltung der Schnellläufigkeit können mehrere solcher aus einem Expander mit zwei thermischen Köpfen aufgebaute Wärmekraftmaschinen in Form eines Mehrzylindersystems kaskadiert werden. Denkbar sind auch Systeme, bei denen zur Steigerung der Leistung mehrere thermische Köpfe an einen Expander oder mehrere Expander an einen thermischen Kopf fluidisch angekoppelt werden.To increase the performance while maintaining the high-speed operation, several of such heat engines constructed from an expander with two thermal heads can be cascaded in the form of a multi-cylinder system. Also conceivable are systems in which a plurality of thermal heads are fluidically coupled to an expander or a plurality of expanders to a thermal head to increase the power.
In einer bevorzugten Variante wird die Wärmekraftmaschine zum Antrieb eines elektrischen Lineargenerators verwendet. Als Generatoren können Systeme mit bewegtem Magneten, mit bewegter Spule, mit bewegter Spule und Magnetkern, piezoelektrische oder sonstige Generatoren eingesetzt werden. Auch ist es möglich, die Wärmekraftmaschine als linearen mechanischen Antrieb, z. B. für den Betrieb einer Pumpe, zu verwenden.In a preferred variant, the heat engine is used to drive an electric linear generator. As generators systems with moving magnet, moving coil, moving coil and magnetic core, piezoelectric or other generators can be used. It is also possible, the heat engine as a linear mechanical drive, for. B. for the operation of a pump to use.
Möglich ist auch der Einsatz der Wärmekraftmaschine als rotatorischer Antrieb, wobei z. B. ein Pleuel oder die Öse einer Kurbelschleife mittig am Kolben befestigt wird. Allerdings treten bedingt durch Kippmomente höhere Kräfte zwischen Kolben und Zylinderwand auf, sodass es erforderlich ist, die Wärmekraftmaschine mit höheren Mitteldrücken zu betreiben. Höhere Mitteldrücke sind zwar prinzipiell vorteilhaft, da bei höheren Mitteldrücken größere Arbeitsintegrale (höhere Leistungen) erreicht werden, bei zu hohen Mitteldrücken besteht jedoch die Gefahr, dass Komponenten der Wärmekraftmaschine Schaden nehmen.It is also possible to use the heat engine as a rotary drive, wherein z. B. a Connecting rod or the eye of a crank loop is mounted centrally on the piston. However, occur due to tilting moments higher forces between the piston and cylinder wall, so it is necessary to operate the heat engine with higher center pressures. Although higher mid-pressures are in principle advantageous, since at higher mean pressures greater work integrals (higher powers) are achieved, with too high mean pressures, however, there is a risk that damage components of the heat engine.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert; hierzu zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to three embodiments; show:
Wie aus
Der Kolben des Expanders
Die Kühler
Während der Kompression wird das Arbeitsfluid (Arbeitsgas) in einem der Arbeitsräume des Expanders verdichtet und jeweils über den Kühler
Zu Beginn der Expansion nimmt das Arbeitsgas zunächst Wärme vom Regenerator
Aufgrund der Asymmetrie der Eintrittsbedingungen des Arbeitsgases in den Heizer bzgl. der Kompression und der Expansion wird eine Asymmetrie des Arbeitsintegrals bzgl. der beiden Arbeitstakte bewirkt, d. h. von der Wärmekraftmaschine wird unter Wärmeaufnahme aus dem Heizer
Beim Betrieb der Wärmekraftmaschine mit Regeneratoren
Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmekraftmaschine kann erreicht werden, wenn die Enden der Regenerator-Kühler
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Generatorgenerator
- 22
- Expanderexpander
- 33
- Kühler des ersten thermischen KopfsRadiator of the first thermal head
- 44
- Kühler des zweiten thermischen KopfsRadiator of the second thermal head
- 55
- Regenerator-Kühler des ersten thermischen KopfsRegenerator cooler of the first thermal head
- 66
- Regenerator-Kühler des zweiten thermischen KopfsRegenerator cooler of the second thermal head
- 77
- Pulsröhre des ersten thermischen KopfsPulse tube of the first thermal head
- 88th
- Pulsröhre des zweiten thermischen KopfsPulse tube of the second thermal head
- 99
- Heizer des ersten thermischen KopfsHeater of the first thermal head
- 1010
- Heizer des zweiten thermischen KopfsHeater of the second thermal head
- 1111
- Regenerator des ersten thermischen KopfsRegenerator of the first thermal head
- 1212
- Regenerator des zweiten thermischen KopfsRegenerator of the second thermal head
- 1313
- Abgaskanalexhaust duct
- 1414
- Drosselleitungchoke line
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