DE102014000163B4

DE102014000163B4 - Stirlingmotor mit Gaskühlung im Kreislauf

Info

Publication number: DE102014000163B4
Application number: DE102014000163.6A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2034-01-08
Also published as: DE102014000163A1

Abstract

Nach dem Merkmal Wirkungsgrad ist Stirlingmotor einem Ottomotor oder Dieselmotor unterlegen. Gemäß dem theoretischen Stirling-Zyklus kann ein Stirlingmotor fast den Carnot-Wirkungsgrad erreichen. Um den tatsächlichen Arbeitszyklus eines Stirlingmotors dem theoretischen naher zu bringen sind im vorgeschlagenen Stirlingmotor zwei Maßnahmen umgesetzt. Im geschlossenen Kreislauf des Arbeitsgases sind Wärmetauschern angebracht um das Gas auf möglich niedrige untere Prozesstemperatur zu kühlen. Im geschlossenen Kreislauf des Arbeitsgases wird Gasdruckdifferenz erzeugt um beim unteren Totpunkt des Kolbens das Arbeitsgas im Arbeitszylinder möglich rasch durch gekühltes Gas zu ersetzen. Zur Beförderung des Arbeitsgases im Kreislauf ist ein Beförderungszylinder vorgesehen.

Description

Zur Erzeugung mechanischer Energie benötigen alle Wärmekraftmaschinen eine Wärmequelle und einen Kühler für die Aufnahme der Abwärme. Hubkolbenmotoren verrichten ihre Arbeit in Zyklen: Zunächst wird Arbeitsgas von der Wärmequelle erhitzt, danach wird am Kolben mechanische Arbeit verrichtet, anschließend wird der Rest der aufgenommenen Wärmeenergie an den Kühler übertragen. Nach der Art des Kolbenmotors sind entsprechende Zyklen benannt: Otto-Zyklus, Diesel-Zyklus, Stirling-Zyklus. Das pV-Diagramm eines theoretischen Stirling-Zyklus' ist auf der gezeigt. Vier thermodynamische Prozesse bilden einen Stirling-Zyklus: zwei Isothermen und zwei Isochoren. Im Punkt (1) des pV-Diagramm hat Arbeitsgas die obere Prozesstemperatur (T_o); der Arbeitskolben befindet sich im oberen Totpunkt. Es folgt die isotherme Ausdehnung vom Punkt (1) bis (2), bei der das Arbeitsgas mechanische Arbeit am Kolben verrichtet und als Energieausgleich eine bestimmte Wärmemenge von der Wärmequelle aufnimmt. Ein Teil der Wärmeenergie wird bei dieser Expansion-Isotherme beim konventionellen Stirlingmotor von einem Wärmeregenerator geliefert. Im Umkreis zum unteren Totpunkt hat der Kolben eine geringe Geschwindigkeit, entsprechend gering ist die Volumenänderung; insofern folgt im pV-Diagramm die isochore Abkühlung des Arbeitsgases vom Punkt (2) bis (3), die entsprechende Wärmemenge wird vom Gas an den Kühler übertragen, das Arbeitsgas bekommt die untere Prozesstemperatur (T_u). Zwischen den Punkten (3) und (4) im pV-Diagramm leistet der Kolben eine isotherme Kompression des Arbeitsgases, dementsprechende Wärmemenge wird weiterhin an den Kühler übertragen. Ein Teil der Wärmeenergie wird bei dieser Kompression-Isotherme beim konventionellen Stirlingmotor von einem Wärmeregenerator aufgenommen. Im Umkreis zum oberen Totpunkt wird das Arbeitsgas erneut zur oberen Prozesstemperatur (T_o) erhitzt, was im pV-Diagramm als ein isochorer Prozess zwischen den Punkten (4) und (1) gezeigt ist. Somit ist der Stirling-Zyklus geschlossen. Die in einem Zyklus verrichtete Nutzarbeit (W_St) entspricht im dargestellten pV-Diagramm der vom Graphen umschlossener Fläche mit den Eckpunkten (1-2-3-4-1).
Der praktische Zyklus eines Stirlingmotors kann nur bedingt mit einem theoretischen Stirling-Zyklus verglichen werden. Die praktischen Prozesse laufen fließend ohne die Eckpunkte (1, 2, 3, 4), die es im theoretischen Zyklus gibt. Außerdem, gibt es praktisch kaum reine isotherme und isochore Prozesse. Gemäß des theoretischen Stirling-Zyklus' kann ein Stirlingmotor fast den Carnot-Wirkungsgrad erreichen: η = 1 – (T_u/T_o). Der tatsächliche Zyklus des Stirlingmotors entspricht nie dem theoretischen Stirling-Zyklus, zudem entstehen Reibungs- und Wärmeverluste, wodurch sich ein weit geringerer Wirkungsgrad ergibt. Nach dem Merkmal Wirkungsgrad ist der Stirlingmotor einem Ottomotor oder Dieselmotor unterlegen: Die Verbrennungsmotoren können eine erfolgreichere Entwicklungsgeschichte vorweisen. Wegen dieses Nachteils findet der Stirlingmotor im Vergleich zu den Verbrennungsmotoren eine beschränkte Anwendung. Durch Erhöhung des Wirkungsgrades könnte diese Balance zugunsten des Stirlingmotors verschoben werden. Aus den Patentschriften sind einige Ausführungen des Stirlingmotors bekannt. Die Schrift US 5 317 874 A offenbart einen Stirlingmotor mit einer zusätzlichen Verbindung 50 zwischen Verdränger- und Arbeitskolben, wobei über die Verbindung 50 lediglich ein Kompensationsgasstrom pulsiert. Die Schrift DE 10 2008 050 653 A1 offenbart eine Wärmekraftmaschine mit zwei parallelen Pulsröhren in denen ein Arbeitsgas zwischen Kalt- und Warmbereichen verschoben wird und wobei die Kühler 3, 4 direkt an den Pulsröhren 7, 8 angeordnet sind. Die Schrift DE 21 48 842 A zeigt einen Stirlingmotor mit geschlossenem Arbeitsmedienkreislauf und zwei parallelen Zylindern, in denen ein Arbeitskolben 2 bzw. ein Beföderungskolben 13 phasenverschoben bewegt werden. Das Arbeitsmedium wird im geschlossenen Kreislauf durch zwei externe Wärmetauscher 33, 34 geführt. Im Unterschied zum Erfindungsgegenstand erfolgt jedoch kein Gaswechsel im Bereich des unteren Totpunkts. Dies beschreibt im Kurzen den Stand der Technik.
Beim konventionellen Stirlingmotor wird Arbeitsgas in einem geschlossenen Raum mit Hilfe eines Verdrängerkolbens zwischen Erhitzer und Kühler hin und her geschoben. Hier wird ein Stirlingmotor vorgeschlagen bei dem Arbeitsgas mit Hilfe eines Beförderungskolbens in einem geschlossenen Kreislauf befördert und in externen Wärmetauschern gekühlt wird. Das Funktionsschema des Motors ist auf der dargestellt. Der Motor besteht aus einem Arbeitszylinder (Z_a) mit Arbeitskolben (K_a) und einem Beförderungszylinder (Z_b) mit Beförderungskolben (K_b), der zur Beförderung des Arbeitsgases im geschlossenen Kreislauf vorgesehen ist. Die Hubbewegung beider Kolben ist parallel zueinander ohne Phasenverschiebung geordnet. Arbeitsgas wird im Erhitzer (E) erhitzt. Zur Reduzierung unmittelbarer Wärmeverluste ist ein Isolierkörper (I) vorgesehen, der im gewissen Maße auch die Funktion eines Wärmeregenerators erfüllt. Die Kühlung des Arbeitsgases erfolgt zweistufig in zwei externen Wärmetauschern (W_a, W_b), dabei dient zweiter gleichzeitig als Druckbehälter für das gekühlte Arbeitsgas. Der Kreislauf vom Arbeitsgas wird von drei Ventilen (V₁, V₂, V_2a) gesteuert.
Auf der befinden sich beide Kolben (K_a, K_b) im oberen Totpunkt. Das Arbeitsgas ist im Erhitzer (E) komprimiert und auf die obere Prozesstemperatur (T_o) erhitzt; dies entspricht dem Punkt (1) im pV-Diagramm des Stirling-Zyklus'. Das Ventil (V₁) schließt und beide Kolben machen ihren Hub nach unten. Das Arbeitsgas verrichtet mechanische Arbeit am Kolben (K_a); dies entspricht im pV-Diagramm dem isothermen Prozess vom Punkt (1) bis (2). Derweilen wird im oberen Teil des Zylinders (Z_b) Unterdruck erzeugt. Das gekühlte Arbeitsgas aus dem unteren Teil der beiden Zylinder (Z_a, Z_b) wird durch das Ventil (V_2a) im Wärmetauscher (W_b) komprimiert.
Auf der sind beide Kolben (K_a, K_b) beim unteren Totpunkt angelangt. Kurz vor dem unteren Totpunkt wurden die Einlass- und Auslassfenster in der Zylinderwand (Z_a) geöffnet. Wegen der Druckdifferenz zwischen Wärmetauscher (W_b) und Beförderungszylinder (Z_b) wird „gebrauchtes” Arbeitsgas rasch aus dem Zylinder (Z_a) in den Zylinder (Z_b) verdrängt; somit wird Arbeitsgas im Zylinder (Z_a) durch gekühltes Gas ersetzt. Dank sorgfältiger zweistufiger Kühlung des Arbeitsgases in externen Wärmetauschern (W_a, W_b) wird eine niedrigere Prozesstemperatur (T_u) im Vergleich zum konventionellen Stirlingmotor im unteren Totpunkt erzielt; dies entspricht im pV-Diagramm dem isochoren Prozess vom Punkt (2) bis (5). Der Punkt (5) liegt im pV-Diagramm unterhalb des Punktes (3) des konventionellen Stirlingmotors.
Im unteren Totpunkt der beiden Kolben (K_a, K_b) schließt das Ventil (V_2a), um den Rücklauf des gekühlten Gases aus dem Wärmetauscher (W_b) zu verhindern. Die Ventile (V₁, V₂) öffnen und beide Kolben machen ihren Hub nach oben. Das „gebrauchte” Arbeitsgas wird vom Kolben (K_b) durch den Wärmetauscher (W_a) in den unteren Teil der beiden Zylinder (Z_a, Z_b) befördert. Das „gebrauchte” Arbeitsgas besitzt vor dem Wärmetauscher (W_a) noch ausreichend Energie, um eventuell die Luft vor der Verbrennungskammer des Erhitzers (E) zu erwärmen. Derweilen leistet Arbeitskolben (K_a) eine Arbeit für das Komprimieren des Arbeitsgases. Wegen des besser gekühlten Gases fällt diese Arbeit kleiner aus als beim konventionellen Stirlingmotor, weshalb am Ende des Vorgangs Punkt (6) im pV-Diagramm unterhalb des Punktes (4) bleibt. Wenn beide Kolben (K_a, K_b) den oberen Totpunkt erreicht haben, ist das Arbeitsgas im Erhitzer (E) komprimiert und wird erneut auf die obere Prozesstemperatur (T_o) erhitzt; dies entspricht im pV-Diagramm dem isochoren Prozess vom Punkt (6) bis (1); der Stirling-Zyklus ist geschlossen. In allen Bereichen des geschlossenen Kreislaufes ist Arbeitsgas zum Ausgangszustand gekommen; der neue Zyklus kann beginnen.
Der Arbeitszyklus der vorgeschlagenen Wärmekraftmaschine kurz zusammengefasst:

– im Erhitzer (E) wird Arbeitsgas erhitzt;
– in Wärmetauschern (W_a, W_b) wird Arbeitsgas gekühlt;
– am Arbeitskolben (K_a) wird mechanische Energie gewonnen;
– ein Teil mechanischer Energie wird durch den Beförderungskolben (K_b) verbraucht;
– eine höhere Effizienz des vorgeschlagenen Motors wird durch raschen Austausch des Gases im Arbeitszylinder (Z_a) erzielt, sowie durch zweistufige Kühlung des Arbeitsgases in Wärmetauschern (W_a, W_b);
– die bessere Ausbeutung von Nutzarbeit in einem Zyklus (W_St) ist anschaulich im pV-Diagramm des Stirling-Zyklus' auf der dargestellt: Die umschlossene Fläche im Zyklus (1-2-5-6-1) ist größer als die Fläche im Zyklus (1-2-3-4-1) des konventionellen Stirlingmotors.

Der Kreislauf des Arbeitsgases wird von Ventilen (V₁, V₂, V_2a) gesteuert. Das Ventil (V₁) dient dem Zweck, das Gas stets in einer Richtung aus dem Zylinder (Z_b) in den Wärmetauscher (W_a) zu befördern. Mit beiden Kolben (K_a, K_b) wird Gas durch die Ventile (V₂, V_2a) aus dem Wärmetauscher (W_a) im Wärmetauscher (W_b) komprimiert. Die Ventile (V₂, V_2a) besitzen eine gegenseitige Sperre: Eines öffnet sobald Zweites geschlossen ist und umgekehrt, damit zu keinem Zeitpunkt beide geöffnet sind, um den Rücklauf des gekühlten Gases aus dem Wärmetauscher (W_b) in den Wärmetauscher (W_a) zu verhindern. Schließt das Ventil (V_2a) im unteren Totpunkt der beiden Kolben (K_a, K_b), funktioniert der Motor wie es höher von Ziffer [0004] bis [0006] beschrieben ist. Je früher das Ventil (V_2a) schließt, desto weniger Gasdruck wird im Wärmetauscher (W_b) erzeugt, entsprechend bekommt der Arbeitszylinder (Z_a) weniger Zufluss vom gekühlten Gas. Der mittlere Gasdruck im Arbeitszylinder (Z_a) sinkt, entsprechend weniger Wärmeenergie wird dem Erhitzer (E) entnommen und die Motorleistung wird geringer. Sollte das Ventil (V_2a) durchgehend geschlossen sein, bekommt der Arbeitszylinder (Z_a) keinen Zufluss vom gekühlten Gas und der Motor bleibt stehen. Durch Änderung des Schließpunktes des Ventils (V_2a) wird Arbeitsgas im Wärmetauscher (W_a) zurückgehalten, dafür muss der Wärmetauscher (W_a) ausreichend Volumen haben. Im Betrieb kann es vorkommen, dass dem Motor schnell seine Höchstleistung abverlangt wird, bzw. der Motor schnell entlastet wird. Die hervorgerufenen Druckwellen im geschlossenen Kreislauf des Arbeitsgases sollen vom Wärmetauscher (W_a) aufgenommen werden, damit im Gas möglichst keine Resonanzerscheinungen auftreten.

Claims

Ein Stirlingmotor, der aus mindestens einem Arbeitszylinder mit Arbeitskolben und mindestens einem Beförderungszylinder mit Beförderungskolben besteht, dessen höhere Effizienz durch die Zusammenwirkung folgender Merkmale erzeugt wird: – das Arbeitsgas wird vom Beförderungskolben im geschlossenen Kreislauf befördert; – der Beförderungs- und Arbeitszylinder sind Bestandteile vom geschlossenen Kreislauf des Arbeitsgases; – im geschlossenen Kreislauf des Arbeitsgases sind Wärmetauscher angebracht, um das Gas auf möglichst niedrige untere Prozesstemperatur zu kühlen; – im geschlossenen Kreislauf des Arbeitsgases wird durch Hubbewegung des Beförderungs- und Arbeitskolbens eine Gasdruckdifferenz erzeugt, um beim unteren Totpunkt des Kolbens das Arbeitsgas im Arbeitszylinder möglichst rasch durch gekühltes Gas zu ersetzen – die Kühlung des Arbeitsgases erfolgt zweistufig in externen Wärmetauschern