DE102010018616A1 - Device i.e. stirling engine, for converting heat into rotary motion, has rotor rotated vertically with respect to existence of difference in temperature, and turnstile rotatably mounted on pivots - Google Patents
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Abstract
Description
Einleitung und Zweck der Erfindung:Introduction and purpose of the invention:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer in rotatorische mechanische Energie auf Basis eines Stirling-Kreisprozesses unter Nutzung thermischer Aktuatoren. Der bisher wenig eingesetzte Stirlingmotor hat einige Vorteile, die sich vor allen Dingen bei der Erschließung unterschiedlicher regenerativer Energiequellen als günstig erweisen. Zum einen kann er mit einer beliebigen Heizquelle, z. B. Sonnenwärme, Geothermie oder auch Abwärme, betrieben werden, zum anderen erreicht er (zumindest theoretisch) einen relativ hohen Wirkungsgrad.The invention relates to a method for the conversion of thermal into rotational mechanical energy based on a Stirling cycle process using thermal actuators. The previously little used Stirling engine has some advantages that prove to be beneficial especially in the development of different renewable energy sources. For one thing, he can with any heat source, eg. As solar heat, geothermal or waste heat, operated, on the other hand he (at least theoretically) achieves a relatively high efficiency.
Zweck dieser Erfindung soll sein, diese Wärmekraftmaschine mittels thermischer Aktuatoren so zu modifizieren, dass sie zur wirtschaftlich sinnvollen Nutzung regenerativer Energiequellen beitragen kann.Purpose of this invention should be to modify this heat engine by means of thermal actuators so that they can contribute to the economically meaningful use of renewable energy sources.
Stand der Technik:State of the art:
Der Stirlingmotor wurde bereits 1816 durch Robert Stirling patentiert. Seine Vorzüge, wie Vielstofffähigkeit, die Nutzbarmachung von Niedertemperaturwärme, das geschlossene System, Schwingungsarmut und die Miniaturisierbarkeit haben seitdem immer neue Modifikationen hervorgebracht. Es gibt Typen mit einem oder mehreren Zylindern, einfach- oder doppelwirkend und einer Vielzahl unterschiedlicher Triebwerke. Ebenso existieren exotische Bauarten mit schwingenden Luft- oder Wassersäulen oder Schallwellen. Auch ungebündelte Sonnenstrahlung und damit Wärme mit geringer Temperatur kann nutzbar gemacht werden. Solche Niedertemperatur-Stirlingmotoren können in sonnenreichen Gegenden zum Fördern von Wasser u. a. aus Brunnen eingesetzt werden. Zum Einsatz kommen Hightech-Versionen des Stirlingmotors in Verbindung mit parabolförmigen Spiegeln, welche die Sonnenstrahlen fokussieren (Dish-Stirling). Damit der Motor viel Arbeit pro Umlauf umsetzen kann, wird das gasförmige Arbeitsmedium zum Teil auf bis zu 200 bar komprimiert. Damit ergeben sich wiederum technische Probleme bei der Abdichtung des Arbeitsraumes. Der notwendige Einsatz von einem Regenerator sowie Erhitzer und Kühler führen zu Toträumen, die den Wirkungsgrad des Motors herabsenken. Außerdem durchläuft das Arbeitsmedium bei den – sich einstellenden – hohen Drehzahlen den Kreisprozess so schnell, dass der Wirkungsgrad geringer wird.The Stirling engine was patented in 1816 by Robert Stirling. Its advantages, such as multi-fuel capability, the utilization of low-temperature heat, the closed system, low vibration and miniaturization, have since brought about ever new modifications. There are types with one or more cylinders, single or double acting and a variety of different engines. There are also exotic designs with oscillating air or water columns or sound waves. Also unbundled solar radiation and thus heat with low temperature can be harnessed. Such low-temperature Stirling engines can in sunny areas to promote water u. a. be used from wells. High-tech versions of the Stirling engine are used in conjunction with parabolic mirrors that focus the sun's rays (Dish-Stirling). In order for the engine to be able to do a lot of work per cycle, some of the gaseous working fluid is compressed up to 200 bar. This in turn results in technical problems in the sealing of the workspace. The necessary use of a regenerator as well as heater and radiator lead to dead spaces, which lower the efficiency of the engine. In addition, the working medium goes through the cycle at such high speeds that it sets itself up so fast that the efficiency is reduced.
Viele Patentideen sehen eine rotationssymmetrische Anordnung vieler Zylinder vor, so dass mehr Arbeit pro Umlauf umgesetzt werden kann.Many patent ideas provide a rotationally symmetrical arrangement of many cylinders, so that more work per revolution can be implemented.
Es gibt bereits Versuche, thermische Aktuatoren in Wärmekraftmaschinen nutzbar zu machen. Im „Bimetallic solar engine” (
Formgedächtnislegierungen stellten kurz nach ihrer Entdeckung eine weitere Hoffnung auf neuartige Motoren dar. Die Möglichkeit, aus Abwärme, Geo- oder Solarthermie Strom zu erzeugen, ließ ein großes Interesse an „SMA heat engines” aufkommen. In der Lösung in Patent
Es existieren noch viele weitere ähnliche Patente, die letztendlich nie gewinnbringend eingesetzt werden konnten. Der Formgedächtnis-Effekt umschließt eine geringe Temperaturspanne, wodurch der Wirkungsgrad auf 5% limitiert ist. Außerdem wird dabei eine sprunghafte Formänderung vollzogen, welche die sensiblen Aktuatoren schneller ermüden lässt.There are many more similar patents that could never be used profitably. The shape memory effect encloses a small temperature span, whereby the efficiency is limited to 5%. In addition, a sudden change in shape is performed, which can tire the sensitive actuators faster.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, aus einem Wärmereservoir mittels einer Wärmekraftmaschine auf Basis thermischer Aktuatoren einen möglichst hohen Anteil Nutzenergie zu gewinnen. Um einen wirtschaftlich sinnvollen Einsatz zu ermöglichen, ist ein einfacher Aufbau, mit Verzicht auf aufwendige Dichtungen, Robustheit, die Fähigkeit zum Selbststart und ein Wirkungsgrad nahe dem Carnot-Wirkungsgrad zu realisieren.The invention is therefore based on the object of obtaining a maximum amount of useful energy from a heat reservoir by means of a heat engine based on thermal actuators. In order to enable economically viable use, a simple structure, with no need for elaborate seals, robustness, the ability to self-start and an efficiency close to the Carnot efficiency to realize.
Lösungsansätze und wesentliche Merkmale:Solution approaches and essential features:
Diverse Aufgaben werden durch eine Konstruktion mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Various objects are achieved by a construction with the features specified in
Die Erzeugung einer rotatorischen Bewegung wird erfindungsgemäß durch einen Rotor, welcher drehbar auf einer festen Achse gelagert ist, daran befestigte mehrere Formänderungselemente, welche auf eine Temperaturänderung mit einer Änderung ihrer Gestalt reagieren, einen, bezüglich der festen Achse exzentrisch und starr gelagerten, Drehzapfen, ein darauf drehbar gelagertes Drehkreuz und starre Verbindungen zwischen den Formänderungselementen und dem Drehkreuz realisiert.The generation of a rotational movement is inventively by a rotor which is rotatably mounted on a fixed axis, attached thereto several deformation elements, which react to a change in temperature with a change in their shape, one, with respect to the fixed axis eccentrically and rigidly mounted, pivot, a rotatably mounted thereon turnstile and rigid connections between the deformation elements and the turnstile realized.
Die Formänderungselemente sind vorzugsweise mit einem Fluid oder Wachs oder sonstigem Formänderungsmittel gefüllte Hohlkörper, welche die Volumenänderung des Formänderungsmittels bei Temperaturänderung über einen Arbeitskolben in einen Bereich außerhalb des Zylinders übertragen – im Folgenden Dehnstoffarbeitselemente genannt. Andere mögliche Elemente bestehen aus Formgedächtnislegierungen, Bimetallen oder sonstigen Festkörpern mit einem nutzbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Vorteilhafte Eigenschaften sind ein hohe, auf das Volumen bezogene Arbeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Formänderungsmittels. In einem möglichen Lösungsansatz werden Dehnstoffarbeitselemente verwendet, welche mit Paraffin gefüllt sind. Das Paraffin vergrößert während des Phasenwechsels von fest nach flüssig sein Volumen um ca. 15%. Wird diese Änderung blockiert, können dabei sehr große Kräfte aufgebaut werden. Die zum Schmelzen von Paraffin benötigte Wärmemenge ist recht groß (ca. 200 KJ/kg). Daher sind diese Dehnstoffarbeitselemente mechanisch recht träge.The deformation elements are preferably hollow bodies filled with a fluid or wax or other shape-changing agent, which transfer the change in volume of the shape-changing agent when the temperature changes via a working piston into an area outside the cylinder - referred to hereinafter as expansion work elements. Other possible elements consist of shape memory alloys, bimetals or other solids with a useful coefficient of thermal expansion. Advantageous properties are high volume work and high thermal conductivity of the forming agent. In one possible approach, expansion work elements filled with paraffin are used. During the phase change from solid to liquid, the paraffin increases its volume by about 15%. If this change is blocked, very large forces can be built up. The amount of heat needed to melt paraffin is quite high (about 200 KJ / kg). Therefore, these Dehnstoffarbeitselemente mechanically quite sluggish.
Der Rotor ist ein rotationssymmetrischer Körper und besteht vorzugsweise aus einem festen, schlecht die Wärme leitenden Material. Die Verbindung zwischen dem Rotor und den Formänderungselementen kann starr oder beweglich ausgeführt werden, aber in jedem Fall so, dass die durch die Formänderung entstehenden Kräfte aufgenommen werden können. Idealerweise wird keine Wärme vom oder auf den Rotor übertragen, was näherungsweise durch eine zusätzliche Isolationsschicht realisiert werden kann.The rotor is a rotationally symmetrical body and preferably consists of a solid, poorly heat-conducting material. The connection between the rotor and the deformation elements can be made rigid or movable, but in any case so that the forces resulting from the change in shape can be absorbed. Ideally, no heat is transferred from or to the rotor, which can be approximately realized by an additional insulating layer.
Der Drehzapfen und das darauf gelagerte Drehkreuz sind exzentrisch und starr zur Achse des Rotors gelagert und so mit dem Formänderungsmittel verbunden, dass die durch die Formänderung entstehenden Kräfte aufgenommen werden können. Idealerweise sind Drehkreuz, Drehzapfen und Verbindungen ebenfalls bezüglich der Formänderungselemente und ihrem umgebenden Medium thermisch isoliert.The pivot and the turnstile mounted thereon are eccentric and rigidly mounted to the axis of the rotor and connected to the forming means so that the forces resulting from the change in shape can be absorbed. Ideally, turnstile, pivots and joints are also thermally insulated with respect to the strain elements and their surrounding medium.
Durch diese gesamte mechanische Konstruktion wird realisiert, dass bei einer Temperaturerhöhung in einem bestimmten Bereich die dort befindlichen Formänderungselemente entsprechend reagieren, sich also ausdehnen oder zusammen ziehen, was aber, durch die Befestigung an Rotor und Drehkreuz, nur durch eine Drehung des Rotors ausgeführt werden kann – es entsteht ein Drehmoment am Rotor. Währenddessen werden die nächsten auf dem Rotor befestigten Formänderungselemente in den Bereich höherer Temperatur befördert und durchlaufen den gleichen Zyklus. Inzwischen werden alle bereits erhitzten Formänderungselemente wieder gekühlt und in den Zustand vor der Erhitzung zurückgeführt. Es wird demzufolge ein Kreisprozess ausgeführt.Through this entire mechanical construction is realized that at a temperature increase in a certain area there located the deformation elements react accordingly, so expand or pull together, but which, by attachment to the rotor and turnstile, can only be performed by rotation of the rotor - There is a torque on the rotor. Meanwhile, the next forming elements mounted on the rotor are conveyed to the higher temperature region and undergo the same cycle. Meanwhile, all already heated strain elements are cooled again and returned to the state before heating. As a result, a cyclic process is carried out.
Dieses Prinzip mehrerer radialsymmetrisch angeordneter Formänderungselemente und die durch die Verbindung mit einem starren Exzenter bei Drehung erreichte zyklische Formänderung wird bereits in
Erfindungsgemäß befindet sich zwischen diesen beiden Bereichen ein Regenerator, also ein Wärmeträger mit geringer vertikaler und hoher horizontaler Wärmeleitung. Ist der Drehzapfen in Bezug auf die Achse des Rotors nur in horizontaler Richtung versetzt, so wird während einer Drehung ein Stirling-Kreisprozess ausgeführt. Die vier Zustandsänderungen, isotherme Expansion im heißen Bereich – isochore Kühlung – isotherme Kompression im kalten Bereich und isochore Erhitzung, verlaufen (wie auch beim Stirlingmotor) mit den Einschränkungen, dass sich der Hub sinusförmig ändert und deswegen alle Prozesse nur an das Ideal angenähert werden. Das langsame Durchlaufen der Prozesse hingegen ist ein Vorteil gegenüber dem Stirlingmotor mit Gas als Arbeitsmedium, denn so bleibt für die Übertragung von Wärme mehr Zeit.According to the invention, there is a regenerator between these two regions, that is to say a heat carrier with low vertical and high horizontal heat conduction. If the pivot is only offset in the horizontal direction with respect to the axis of the rotor, a Stirling cycle is carried out during one rotation. The four state changes, isothermal expansion in the hot region - isochoric cooling - isothermal compression in the cold region and isochoric heating, run (as with the Stirling engine) with the limitations that the stroke changes sinusoidally and therefore all processes are approximated only to the ideal. On the other hand, running through the processes slowly is an advantage over the Stirling engine with gas as the working medium, as this leaves more time for the transfer of heat.
Der erhitzende und der kühlende Wärmeträger berühren die Formänderungselemente, so dass es zur Wärmeübertragung kommt. Vorteilhaft sind eine hohe volumenspezifische Wärmekapazität und hohe Wärmeleitfähigkeit des Wärmeträgers, so dass an der Kontaktstelle viel Wärme übertragen werden kann. In einem ersten Lösungsansatz ist die Verwendung einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, vorgesehen. Das Problem der Durchmischung von heißen und kalten Bereichen wie in
In einem weiteren Lösungsansatz kann die Trennung von erhitzendem und kühlendem Wärmeträger durch die Verwendung von zwei oder mehr nicht mischbaren Flüssigkeiten, z. B. Öl und Wasser, noch besser verhindert werden. Das heiße Öl schwimmt auf dem Wasser und befindet sich somit – getrennt vom kälteren Bereich – oben.In another approach, the separation of heating and cooling Heat transfer fluid through the use of two or more immiscible liquids, eg. As oil and water, even better prevented. The hot oil floats on the water and is thus - separated from the colder area - above.
Noch ein Lösungsansatz beinhaltet die Verwendung von Festkörpern ausschließlich oder zusätzlich zu einem Fluid als Wärmeträger. Gut wärmeleitende Materialien, wie vorzugsweise Aluminium oder Kupfer, werden im Schichtaufbau mit thermischen Isolatoren so angeordnet, dass die horizontale Wärmeleitung verbessert und die vertikale Wärmeleitung verschlechtert wird.Another approach involves the use of solids exclusively or in addition to a fluid as a heat transfer medium. Good heat conducting materials, such as preferably aluminum or copper, are arranged in the layer structure with thermal insulators so that the horizontal heat conduction is improved and the vertical heat conduction is deteriorated.
Der Bereich mit heißem Wärmeträger sollte gegenüber der Umgebung thermisch isoliert sein, was durch verschiedene Arten von Dämmung realisiert werden kann. Der kühlende Bereich kann entweder mit einem guten Wärmeleiter ummantelt und durch die Umgebung (passive Kühlung), oder durch einen zusätzlichen Kühlkreislauf und/oder Ventilatoren (aktive Kühlung) gekühlt werden.The hot heat transfer area should be thermally insulated from the environment, which can be realized by various types of insulation. The cooling area can either be covered with a good heat conductor and cooled by the environment (passive cooling), or by an additional cooling circuit and / or fans (active cooling).
Darstellung der Lösungsvorteile:Presentation of the solution advantages:
Der erfindungsmäßige Vorteil liegt in der Fähigkeit der Wärmekraftmaschine, einem Wärmereservoir potentiell den höchst möglichen Anteil an Nutzenergie zu entziehen. Der theoretische Stirling-Kreisprozess wird sehr gut angenähert, was insbesondere durch die langsame Drehung und der sich daraus ergebenden langen Zeit zur Wärmeübertragung sowie geringer Reibungsverluste gewährleistet wird. Außerdem entsteht während des Ablaufes kein Totvolumen, welches den Wirkungsgrad mindern würde.The advantage according to the invention lies in the ability of the heat engine to potentially extract the highest possible proportion of useful energy from a heat reservoir. The theoretical Stirling cycle is approximated very well, which is ensured in particular by the slow rotation and the resulting long time for heat transfer and low friction losses. In addition, there is no dead volume during the process, which would reduce the efficiency.
Der einfache, preiswerte Aufbau kann in verschiedenen Baugrößen realisiert werden. Es sind nur geringe Wartungsarbeiten notwendig, denn Kolbendichtungen werden nicht benötigt. Die Umwandlung von rotatorischer Energie in elektrischen Strom kann über eine zusätzliche Übersetzung und einen Generator geschehen.The simple, inexpensive construction can be realized in different sizes. There are only minor maintenance required, because piston seals are not needed. The conversion of rotational energy into electrical current can be done via an additional translation and a generator.
Der Motor benötigt, wie jeder andere Stirlingmotor, keine bestimmte Heizquelle und eignet sich damit zur Nutzung regenerativer Energien. Des Weiteren ist die Nutzung von Niedertemperaturwärme ein Vorteil des Systems. Somit kann das Spektrum möglicher Heizquellen um Abwärme, Geothermie und unkonzentrierte Sonnenstrahlen erweitert werden. Der Wärmeträger kann ohne zusätzliche Wärmeübertrager direkt in das System eingebracht werden.The engine, like any other Stirling engine, does not require a specific heat source and is therefore suitable for the use of renewable energies. Furthermore, the use of low temperature heat is an advantage of the system. Thus, the spectrum of possible heat sources can be extended to waste heat, geothermal energy and unconcentrated sun rays. The heat transfer medium can be introduced directly into the system without additional heat exchangers.
Die Wärmekraftmaschine startet ab einer bestimmten Temperaturdifferenz von selbst, was eine aufwendige Startautomatik überflüssig macht. Somit sind autark arbeitende Systeme realisierbar.The heat engine starts from a certain temperature difference by itself, which makes a complex automatic start superfluous. Thus self-sufficient systems can be realized.
Ausführungsbeispiele:EXAMPLES
Alle nachfolgenden Beschreibungen einer Ausführung der Erfindung besitzen nur beispielhaften Charakter, wonach alle aufgeführten Merkmale in dieser Form nicht zwingend zur Realisierung der Erfindung notwendig sind.All subsequent descriptions of an embodiment of the invention have only exemplary character, according to which all listed features in this form are not necessarily necessary for the realization of the invention.
Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Lösungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsmöglichkeit sowie den beiliegenden Zeichnungen. Darin zeigt:Further features of the solutions according to the invention will become apparent from the dependent claims, the following description of an exemplary embodiment and the accompanying drawings. It shows:
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- WO 2008/064614 A1 [0015, 0015] WO 2008/064614 A1 [0015, 0015]
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