DE10229442A1

DE10229442A1 - Wärmetauscher zur Abkühlung des Arbeitsgases eines Stirlingmotors

Info

Publication number: DE10229442A1
Application number: DE2002129442
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr.habil. Pasemann
Original assignee: EPAS GmbH
Current assignee: REV RENEWABLE ENERGY VENTURES, INC., ALOHA, OREG.,
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-07-02
Also published as: DE10229442B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Kühlung des Arbeitsgases einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Maschine mittels Flüssigkeitskühlung. Der Wärmetauscher weist ein zylinderförmiges Ringkühler-Element auf, das von einer Stirnseite zur anderen führende Bohrungen aufweist, die so angeordnet sind, dass das zu kühlende Arbeitsmedium den Ringkörper von einer Stirnseite zu anderen durchströmt. Die Bohrungen sind in Lage und Durchmesser so ausgeführt, dass dabei Strömungsvorzugsrichtungen geschaffen oder kompensiert werden können. Das kühlende Medium umfließt die äußere Zylindermantelfläche. Hierbei wird mittels einer weiteren, den Kühler umschließenden Hülse, zwischen dieser und dem Ringkühler-Element ein Ringspalt gebildet, durch den das Kühlmedium geleitet wird. Gleichzeitig dient die innere Zylindermantelfläche des Ringkühler-Elements als Lauffläche des Verdrängerkolbens des Stirlingmotors.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Abkühlung eines Gases mittels Flüssigkeitskühlung, insbesondere zur Kühlung des Arbeitsgases einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Maschine.
Es ist bekannt, dass bei einem Stirlingmotor Wärmetauscher zur Kühlung eingesetzt werden, wobei das Arbeitsmedium zwischen einem heißen und einem kalten Raum hin- und hergeschoben wird. Durch eine entsprechende Mechanik wird dabei das Volumen des Arbeitsmediums expandiert und komprimiert, wobei mechanische Energie erzeugt wird. Durch diesen Prozess wird der heißen Seite Wärme entzogen und der kalten Seite Wärme zugeführt, was durch äußere Wärmeeinspeisung und durch einen oder mehrere Kühler ausgeglichen werden muss. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist in den meisten Fällen zusätzlich ein Regenerator vorgesehen, der die Wärme des Arbeitsmediums vor Eintritt in den kühlenden Teil zwischenspeichert, um sie bei Flussumkehr wieder an das vom Kühler zur heißen Seite strömenden Medium abzugeben.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher zur Abkühlung des Arbeitsmediums einer nach dem Stirlingprinzip betriebenen Wärmekraftmaschine, bei welcher in bekannter Weise mittels eines durch ein Getriebe gesteuerter oszillierender Verdrängerkolben die Verschiebvorgänge von heiß nach kalt und umgekehrt vornimmt, wobei die Strömungsführung so ausgeführt ist, dass das Arbeitsmedium von dem durch den Kolbenweg verkleinerten Volumen auf der einen Seite des Verdrängerkolbens hin zu dem durch den Kolbenweg im gleichen Maße vergrößerten Volumen auf der anderen Seite des Verdrängerkolbens fließt und dabei den Regenerator und einen um den Verdrängerkolben herum ringförmig angeordneten und der Abkühlung des Mediums dienenden Wärmetauscher durchströmen muss. Im Strömungsweg zwischen Kühler und der kalten Seite des Verdrängerkolbens besteht ein abzweigender Verbindungsweg zu einem Arbeitskolben, der seinerseits durch Expansions- und Kompressions-Vorgänge für den Antrieb der Maschine sorgt. Durch diese Aufteilung der Strömungswege entstehen zwangsläufig Vorzugsrichtungen des Arbeitsmediums, die jedoch in der bisher angewandten Kühlergeometrie nicht berücksichtigt werden.
Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist die thermische und widerstandsseitig angepasste Kompensation von Strömungs-Unsymmetrien. Darüber hinaus muss die Konstruktion des Kühlers so ausgelegt sein, dass die Kühleffizienz optimal im Verhältnis zum Strömungswiderstand steht, jedoch auch der Herstellungsprozess dabei nicht unangemessen hohen Aufwand erfordert und die Anzahl der nötigen Teile klein gehalten wird.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht in einem zylinderförmigen Ringkühler-Element aus gut wärmeleitendem Material, vorzugsweise Aluminium, das von einer Stirnseite zur anderen führende Bohrungen aufweist, die so angeordnet sind, dass das zu kühlende Arbeitsmedium, vorzugsweise Luft, den Ringkörper von einer Stirnseite zur anderen durchströmt, während das kühlende Medium, vorzugsweise Wasser, die äußere Zylindermantelfläche umfließt. Hierbei wird mittels einer weiteren, den Kühler umschließenden Hülse, zwischen dieser und dem Ringkühler-Element ein Ringspalt gebildet, durch den das Kühlmedium geleitet wird. Gleichzeitig dient die innere Zylindermantelfläche des Ringkühler-Elements als Lauffläche des Verdrängerkolbens, so dass zusätzliche Laufbüchsen eingespart werden können.
Die Vorteile der Erfindung bestehen in einer einfachen Herstellungweise des Kühlers aus Rohrmaterial, das von einer oder zwei Stirnseiten aus mit durchgehenden Bohrungen versehen ist, mit zweckentsprechender Wahl von Anzahl, Verteilung und Durchmesser. Dies erlaubt auch unsymmetrische Anordnungen zur Beeinflussung der Vorzugsrichtungen. Vorteilhaft ist auch, dass durch das zwischen den Bohrungen stehen bleibende massive Material die Kühlung sehr gut an die Lauffläche des Verdrängerkolbens geführt wird, und damit gleichzeitig auch die Außenwand der Kaltgaskammer eine optimale Kühlung erhält.
Durch Versuche stellte es sich als besonders vorteilhaft heraus, wenn ein vergrößerter Strömungsquerschnitt durch den Kühler an der dem abzweigenden Strömungsweg gegenüberliegenden Seite des Kühlers angebracht ist.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Stirlingmotor. Im Gehäuse 1 ist eine Kurbelwelle 2 gelagert, welche über die Pleuel 3 und 4 den Verdrängerkolben 5 und den Arbeitskolben 6 hin und her bewegt. Das Arbeitsmedium (Gas) fließt von der Heißkammer 12 durch den Erhitzerkopf 7 und dessen die äußere Wärme aufnehmenden Röhrchen 8, weiter durch den um den Verdrängerkolben 5 herum gelagerten Regenerator 9 und das den Verdrängerzylinder bildendes Ringkühler-Element 10 in die Kaltkammer 11 und auf gleichem Wege wieder zurück.
Am Boden der Kaltkammer 11 zweigt eine Leitung 13 ab, die eine Verbindung zum Hubraum des Arbeitskolbens 6 herstellt. Das kühlende Medium (Wasser) strömt durch den Eintritt 14 einer das Ringkühler-Element 10 umgebenden Hülse 15 zum Austritt 16 um das Ringkühler-Element 10 herum. Die Dichtungen 21 und 22 an dessen Stirnseiten verhindern einen Austritt des Kühlmediums in den Motor.
2 zeigt das Ringkühlerelement 10 einzeln im Querschnitt. Von einer Stirnseite zur anderen führen Bohrungen 17, durch die das Arbeitsmedium strömen kann.
3 zeigt einen parallel zur Stirnseite des Ringkühler-Elements 10 verlaufenden Querschnitt. Alle Bohrungen haben gleichen Durchmesser. Die Anzahl der Löcher ist auf der dem abzweigenden Strömungsweg gegenüberliegenden Seite dadurch erhöht, dass einige zusätzliche Bohrungen in zweiter Reihe 18 zu den auf einem Teilkreis gleichmäßig verteilten Bohrungen in erster Reihe 19 angebracht sind.
4 zeigt einen parallel zur Stirnseite des Ringkühler-Elements 10 verlaufenden Querschnitt. Alle Bohrungen sind auf einem Teilkreis gleichmäßig verteilt. Die Querschnitt ist auf der dem abzweigenden Strömungsweg gegenüberliegenden Seite dadurch erhöht, dass einige Bohrungen 20 in ihrem Durchmesser gegenüber den übrigen Bohrungen 19 vergrößert sind.
5 zeigt einen parallel zur Stirnseite des Ringkühler-Elements 10 verlaufenden Querschnitt. Alle Bohrungen 19 haben gleichen Durchmesser. Die Anzahl der Löcher ist auf der dem abzweigenden Strömungsweg gegenüberliegenden Seite dadurch erhöht, dass sie dort dichter zusammenstehend angebracht sind.
Natürlich sind auch Kombinationen der in 3 bis 5 gezeigten Anordnungsmuster möglich.

Claims

Wärmetauscher zur Abkühlung eines Gases mittels Flüssigkeitskühlung, insbesondere zur Kühlung des Arbeitsgases einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Maschine, gekennzeichnet dadurch, dass der Wärmetauscher in Form eines zylinderförmigen Ringkörpers ausgeführt ist, der von einer Stirnseite zur anderen führende Bohrungen aufweist, die so angeordnet sind, dass das zu kühlende Gas den Ringkörper von einer Stirnseite zur anderen durchströmt, während das kühlende flüssige Medium die äußere Zylindermantelfläche umfließt.
Wärmetauscher, nach 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Bohrungen unsymmetrisch angeordnet sind.
Wärmetauscher, nach 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Bohrungen unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Wärmetauscher, nach 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass sich durch die Verteilung der Bohrungen auf dem stirnseitigen Ringquerschnitt und/oder ihre unterschiedlichen Lochdurchmesser eine Vorzugsrichtung des durchströmenden Gases einstellt.
Wärmetauscher, nach 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Verteilung und Ausführung der Bohrungen so durchgeführt ist, dass sich auf der dem abzweigenden Strömungskanal gegenüberliegenden Seite ein größerer Querschnitt ergibt, als auf der dem abzweigenden Strömungskanal zugewandten Seite.
Wärmetauscher, nach 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass nach dem Einbau des Wärmetauschers in ein diesen umschließendes Zylinderrohr mittels Dichtungen an den Stirnseiten ein ringförmiger Spalt auf der Außendurchmesserseite des Moduls entsteht, durch den das Kühlmedium geleitet wird.