DE10319806A1

DE10319806A1 - Wärmekraftmaschine nach dem idealen Stirlingprinzip

Info

Publication number: DE10319806A1
Application number: DE2003119806
Authority: DE
Inventors: Raimund Krauser
Original assignee: Kraußer Raimund
Current assignee: Kraußer Raimund
Priority date: 2003-04-26
Filing date: 2003-04-26
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2023-04-27
Also published as: DE10319806B4

Abstract

Stirlingmotoren werden mit separatem Erhitzer, Kühler und Regenerator gebaut, dies führt zu Wirkungsgradverlusten und Nutzung Einschränkungen. Der neue Stirlingmotor soll diese Wirkungsgradverluste nicht und damit einen höheren Wirkungsgrad erreichen. DOLLAR A Erhitzer (1) und Expansionszylinder (5) bilden zusammen den Expansionsraum (7), Kühler (2) und Kompressionszylinder (8) den Kompressionsraum (10). Der Expansionskolben (2) verdrängt das Arbeitsgas aus Erhitzer (1) und Expansionszylinder (5) und der Kompressionskolben (9) aus Kühler (2) und Kompressionszylinder (8). Der Ablauf des idealen Stirlingprozesses wird durch einen ventilgesteuerten Auslasskanal (17) am Expansionszylinder (5) erreicht, das Arbeitsgas strömt beim Komprimieren aus dem Kompressionsraum (10) über den Überströmkanal (18) in Erhitzer (1) und Expansionsraum (7), vom Expansionsraum (7) durch offenes Auslassventil (17) und Überströmkanal (18) in Kühler (2) und Kompressionsraum (10). DOLLAR A Die Wärmekraftmaschine nach dem idealen Stirlingprinzip kann zur Energiegewinnung aus Sonnenlicht, regenerativen und fossilen Brennstoffen überall eingesetzt werden und umweltschädigende Motoren un Anlagen ersetzen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine entsprechend dem idealen Stirlingprinzip mit Erhitzer, Expansionszylinder und Expansionskolben, Kühler, Kompressionszylinder, Kompressionskolben und Regenerator, so beschrieben unter http://www-ifkm.mach.unikarlsruhe.de/Html/Project/Stirling/stirling.html Bild 4, in dem das Arbeitsgas durch Expansions-(6) und Kompressionskolben(9) fast vollständig aus Expansions-(8) und Kompressionszylinder(5), Erhitzer(1) und Kühler(2) verdrängt wird. Dem Stand der Technik nach sind Stirlingmotoren meist mit separaten Erhitzer(1), Kühler(2) und Regenerator(20) ausgelegt, der dadurch unvermeidbare Totraum und der aufbaubedingte, zwangsweise nicht korrekte Ablauf des Stirlingprozesses wirken sich negativ auf Wirkungsgrad und Leistungsdichte aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Wärmekraftmaschine bereit zu stellen, die über grossflächige Wärmetauscher in Expansions- und Kompressionszylinder verfügt, keinen Regenerator benötigt, weniger Totraum aufweist als dem Stand der Technik nach bekannt ist und der Arbeitsprozessablauf dem idealen Stirlingprinzip entspricht.
Diese Aufgabe wird bei einer Wärmekraftmaschine (1) mit Erhitzer(1), Expansionszylinder(5) und Expansionskolben(6), Kühler(2), Kompressionszylinder(8), Kompressionskolben(9) dadurch gelöst, dass der Expansionszylinder(5) mit dem Erhitzer(1) den Expansionsraum(7) und der Kompressionszylinder(8) mit dem Kühler(2) den Kompressionsraum(10) bildet. Das Arbeitsgas vom Expansionskolben(6) aus Expansionszylinder(5) und Erhitzer(1) und vom Kompressionskolben(9) aus Kompressionszylinder(8) und Kühler(2) fast vollständig verdrängt wird. Wobei der Kompressionskolben(9) das komprimierte kalte Arbeitsgas nicht durch den Kühler(2) wie nach dem Stand der Technik bekannt sondern durch den Erhitzer(1) in den Expansionszylinder(5)und der Expansionskolben(6) das expandierte Arbeitsgas nicht durch den Erhitzer(1) sondern durch den Kühler(2) in den Kompressionszylinder(8) schiebt. Im Grundaufbau sind Erhitzer(1) und Kühler(2) (4) baugleich, sie bestehen vorzugsweise aus gleichlangen konischen Rohren(4), die axial zu einander, mit gleichem, geringst möglichen Abstand zu einander, in grösst möglichster Anzahl, mit ihrem grösseren und kleineren Durchmesser je in einer entsprechend durchbohrten Scheibe(3), die dem Durchmesser des Expansions-(5) bzw. Kompressionszylinder(8) entspricht, druckfest verbunden sind. Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit sind die konischen Rohre(4) zwischen den Scheiben(3) mit Wärmeleitblechen(13) versehen. Erhitzer(1) und Kühler(2) sind druckfest zwischen Expansions-(5) und Kompressionszylinder(8) und jeweiligen Zylinderkopf(12) befestigt, wobei die im Durchmesser grösseren Öffnungen, der konischen Rohre(4) zum Kolben und kleineren Öffnungen zum jeweiligen Zylinderkopf(12) zeigen. Der Zylinderkopf(12) bildet mit dem Wärmetauscher einen Holraum als Arbeitsgas Verteiler- bzw. Sammelraum. Im Gegensatz zu den konischen Rohren(4) bilden in Anzahl, Anordnung und Grösse dem Innenmass der konischen Rohre(4) entsprechend, konische Zapfen, Kolbenzapfen(11) (5) mit ihrem grösseren Durchmesser mit Expansions-(6) und Kompressionskolben-(9) Boden eine Einheit, so dass die Kolbenzapfen(11) im Arbeitstakt Reibungsfrei in die konischen Rohre des Wärmetauschers eintauchen können. Im Bereich oberer Kolbentotpunkt sind Expansions-(5) und Kompressionszylinder(8) seitlich mit Auslasskanälen(16) versehen, wobei der Auslasskanal(16) des Expansionszylinders(5) ein Auslassventil(17) aufweist, das so gesteuert wird, das es während der Expansionsphase geschlossen und der Kompressionsphase geöffnet ist. Expansions-(5) und Kompressionszylinder(8) sind über die Auslasskanäle(16) durch Überströmkanäle(18), die mit Rückschlagventilen(19), welche dafür sorgen, dass das Arbeitsgas entsprechend dem idealen Stirlingprozess strömt, ausgerüstet sind, mit dem Zylinderkopf(12) des jeweils anderen Wärmetauschers verbunden. Vorzugsweise sind Expansions-(5) und Kompressionszylinder(8) entsprechend dem Stirlingmotor Alphatyp parallel mit geringst möglichen Abstand, gegeneinander isoliert, angeordnet. Dadurch weisen die Überströmkanäle(18), die als Wärmetauscherflächen genutzt werden, eine geringe Länge auf was zur Verringerung von Totraum führt. Die Bewegung von Expansions-(6) und Kompressionskolben(9) läuft um 90 Kurbelwinkelgrad versetzt ab. Ventil-, Kolbensteuerung, Kraftübertragung, Verkleidungen zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit und Abdichtungen entsprechen dem Stand der Technik und werden deshalb nicht näher beschrieben. Die oben beschriebene Ausführung einer Wärmekraftmaschine ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise mit Verbrennungsmotor ähnlichen Verdichtungsverhältnissen. Weiterhin kann die Wärmekraftmaschine als doppeltwirkende Maschine gebaut werden, wobei in doppeltwirkenden Maschinen auch im Raum unterhalb des Kolbens der Stirlingprozess abläuft und noch kompaktere und leichtere Maschinen mit geringeren Reibungsverlusten im Verhältnis zur Nutzarbeit entstehen.
Einsatzmöglichkeiten für die erfindungsgemässen Wärmekraftmaschinen bieten sich in der Blockheizkrafttechnik, als Solarantrieb für Generatoren zur Herstellung von Wasserstoff, zum Antrieb von Wasserpumpen, in Hybridfahrzeugen usw..
Funktionsablauf 1
1 zeigt den Schnitt durch die erfindungsgemässe Wärmekraftmaschine bei einer Kurbelwinkelstellung von 0°/360°.
Kurbelwinkel 0°/360° der Expansionskolben(6) hat den oberen Totpunkt erreicht, das Auslassventil(17) am Expansionszylinder(5) ist geschlossen, der Kompressionskolben(9) bewegt sich nach oben komprimiert und schiebt das abgekühlte Arbeitsgas durch den Überströmkanal(18) des Kompressionszylinder(8) in den Erhitzer(1)des Expansionszylinder(5), das Arbeitsgas expandiert der Expansionskolben(6) bewegt sich nach unten.
Kurbelwinkelstellung 90° der Kompressionskolben(9) hat seinen oberen Totpunkt erreicht, bis auf die Gasmenge in Überströmkanal(18) und Zylinderkopf(12) des Kompressionszylinder(8) befindet sich das gesamte Arbeitsgas in Erhitzer(1) und Expansionszylinder(5), kann durch das Rückschlagventil(19) nicht zurückströmen, expandiert und treibt den Expansionskolben(6) nach unten.
Kurbelwinkelstellung 180° der Expansionskolben(6) hat den unteren Totpunkt erreicht, das expandierte Arbeitsgas strömt über das jetzt geöffnet Auslassventil(17) des Expansionszylinder(5) durch den Überströmkanal(18) über den Kühler(2) in den Kompressionszylinder(8), in dem, durch die bisher geschlossene Ventile(17) und (19) kein Arbeitsgas einströmen konnte und sich durch den nach unten bewegenden Kompressionskolben(9) der Kompressionsraum(10) vergrössert hat, ein Unterdruck herrscht.
Kurbelwinkel 270° der Kompressionskolben(9) hat den unteren Totpunkt erreicht der Expansionskolben(6) bewegt sich nach oben und schiebt heisses Arbeitsgas durch das geöffnete Auslassventil(17) und den Überströmkanal(18) des Expansionszylinder(5) über den Kühler(2) in den Kompressionszylinder(8).
Kurbelwinkel 360°/0° der Expansionskolben(6) hat den oberen Totpunkt erreicht, das Auslassventil(17)1 am Expansionszylinder(5) schliesst, der Kompressionskolben(9) bewegt sich nach oben komprimiert und schiebt das abgekühlte Arbeitsgas durch den Überströmkanal(18) über den Erhitzer(1) in den Expansionszylinder(5), das Arbeitsgas expandiert der Expansionskolben(6) bewegt sich nach unten der Prozess wiederholt sich.
2 zeigt den Schnitt einer weitere Ausbildung einer Wärmekraftmaschine nach dem idealen Stirlingprinzip, in der Kurbelwinkelstellung 0°/360°, diese ist ausser folgenden Abweichungen baugleich mit der Wärmekraftmaschine wie unter 1 gezeigt und beschrieben.
Ein druckfester Kühler(2) ist ausserhalb des Kompressionszylinder(8) angeordnet, der Kompressionszylinder(8) weist ventilgesteuerte Einlasskanäle(14) auf. Der Expansionszylinder(5) ist über den ventilgesteuerten Auslasskanal(16) und der Kompressionszylinder(8) über den ventilgesteuerten Einlasskanal(14) mit dem separaten Kühler(2) verbunden. Expansions-(5) und Kompressionszylinder(8) sind am Zylinderkopf(12) durch einen Überströmkanal verbunden, der mit einem Rückschlagventil(19) ausgerüstet ist, welches das Zurückströmen des expandierenden Arbeitsgases in den Kompressionszylinder(8) verhindert,. Beide Zylinder sind als Erhitzer ausgelegt bzw. werden erhitzt und sind ohne Wärmeisolierung direkt aneinander angeordnet,. Die Anordnung des Kühlers(2) ausserhalb des Kompressionszylinder(8) bietet die Möglichkeiten den Kühler(2) entsprechend grossflächig auszulegen und dort zu installieren, wo es in der Gesamtanlage Wärmetausch- und/oder Platzmässig am Effektivsten ist. Die Bewegung von Expansions-(6) und Kompressionskolben(9) läuft um 90 Kurbelwinkelgrad versetzt ab, wobei ein Versatz grösser als 90° sinnvoll erscheint, dies aber erst im praktischen Versuch festgelegt werden kann. Ventil-, Kolbensteuerung, Kraftübertragung, Verkleidungen und Abdichtungen entsprechen dem bisherigen Stand der Technik und werden deshalb nicht näher beschrieben. Aus oben beschriebenen Prozessablauf ergeben sich gegenüber den unter 1 genannten, folgende Vorteile, der separate Kühler(2) kühlt das Arbeitsgas weiter herunter, weil er entsprechend gross ausgelegt werden kann und mehr Zeit zum Kühlen verbleibt, der Erhitzer(1) ist doppelt so gross, das Arbeitsgas strömt über grössere Heizflächen hat mehr Zeit und wird stärker erhitzt. In Folge erhöht sich die Leistung der Wärmekraftmaschine bei gleicher Zylindergrösse und ermöglicht den spezifische Einsatz z.B. in Fahrzeugen, Motorseglern, Booten usw..
Funktionsablauf 2
Kurbelwinkel 0°/ 360° der Expansionskolben(6) hat den oberen Totpunkt erreicht, das Auslassventil(17) am Expansionszylinder(5) schließt, der Kompressionskolben(9) bewegt sich nach oben, komprimiert und schiebt das abgekühlte Arbeitsgas durch den Erhitzer(1) des Kompressionszylinder(8) in den Erhitzer(1) des Expansionszylinder(5), das Arbeitsgas expandiert der Expansionskolben(6) bewegt sich nach unten.
Kurbelwinkelstellung 90° der Kompressionskolben(9) hat seinen oberen Totpunkt erreicht das Einlassventil(15) des Kompressionszylinder(8) öffnet, bis auf die Gasmenge im Zylinderkopf(12) des Kompressionszylinder(8) befindet sich das gesamte Arbeitsgas in Erhitzer(1) und Expansionszylinder(5), expandiert und treibt den Expansionskolben nach unten.
Kurbelwinkelstellung 180° der Expansionskolben(6) hat den unteren Totpunkt erreicht das expandierte Arbeitsgas strömt jetzt über das geöffnet Auslassventil(17) des Expansionszylinder(5) in den Kühler(2). Der Kompressionskolben(9) bewegt sich nach unten, der Kompressionsraum (10) füllt sich weiter mit kaltem Arbeitsgas.
Kurbelwinkel 270° der Kompressionskolben(9) hat den unteren Totpunkt erreicht, das Einlassventil(15) des Kompressionszylinder(8) schliesst, die Kompression des kalten Arbeitsgases beginnt, der Expansionskolben(6) bewegt sich nach oben und schiebt heisses Arbeitsgas durch das geöffnete Auslassventil(17) des Expansionszylinder(5) in den Kühler(2). Kurbelwinkel 360°/0° der Expansionskolben(6) hat den oberen Totpunkt erreicht, das Auslassventil(17) am Expansionszylinder(5) ist geschlossen, der Kompressionskolben(9) bewegt sich nach oben komprimiert und schiebt das abgekühlte Arbeitsgas durch den Erhitzer(1) des Kompressionszylinder(8) in den Erhitzer(1) des Expansionszylinder(5), das Arbeitsgas expandiert der Expansionskolben(6) bewegt sich nach unten der Prozess wiederholt sich.
3 zeigt den Schnitt durch eine Wärmekraftmaschine als doppeltwirkende Maschine nach dem Stirlingprinzip.
Diese Wärmekraftmaschine entspricht in Aufbau und Funktionsweise dem Stand der Technik, weist aber durch den Einsatz von Erhitzer(1) und Kühler(2) (4) wie unter 1 beschrieben, trotz eines Regenerator(20) weniger Totraum auf, als dem Stand der Technik nach bekannt, erreicht eine höhere Verdichtung und ist entsprechend Leistungsfähiger. Steuerung, Kraftübertragung, Regenerator und Stirlingprozessablauf entsprechend dem Stand der Technik und werden hier nicht näher beschrieben.
Einsatzmöglichkeiten für die erfindungsgemässen Wärmekraftmaschinen bieten sich in der Blockheizkrafttechnik, als Solarantrieb für Generatoren zur Herstellung von Wasserstoff, zum Antrieb von Wasserpumpen, in Hybridfahrzeugen usw..

1: Erhitzer
2: Kühler
3: Scheibe
4: Konische Rohre
5: Expansionszylinder
6: Expansionskolben
7: Expansionsraum
8: Kompressionszylinder
9: Kompressionskolben
10: Kompressionsraum
11: Kolbenzapfen
12: Zylinderkopf
13: Wärmeleitblech
14: Einlasskanal
15: Einlassventil
16: Auslasskanal
17: Auslassventil
18: Überströmkanal
19: Rückschlagventil
20: Regenerator

Claims

Wärmekraftmaschine nach dem Stirlingprinzip zur Energiegewinnung aus Sonnenlicht, regenerativen und fossilen Brennstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass 1. der Prozessablauf dem idealen Stirlingprozess entspricht. 1.1. das Arbeitsgas vom Kompressionszylinder durch den Erhitzer in den Expansionszylinder strömt. 1.2. das Arbeitsgas vom Expansionszylinder durch den Kühler in den Kompressionszylinder strömt. 2. der Erhitzer mit dem Expansionszylinder den Expansionsraum bildet. 2.1. der Erhitzer eine Vielzahl, parallel zu einander angeordnete rohrförmige Öffnungen, die axial zum Expansionszylinder verlaufen, aufweist. 3. der Expansionskolben in seiner Form so ausgebildet ist, dass er im Arbeitstakt die rohrförmigen Öffnungen des Erhitzers formschlüssig ausfüllt. 4. der Expansionszylinder ein oder mehrere ventilgesteuerte Ein- oder Auslassöffnungen aufweist. 5. der Erhitzer mit dem Kompressionszylinder den Kompressionsraum bildet. 5.1. der Kühler mit dem Kompressionszylinder den Kompressionsraum bildet. 5.2. der Kühler eine Vielzahl, parallel zu einander angeordnete rohrförmige Öffnungen, die axial zum Kompressionszylinder verlaufen, aufweist. 6. der Kompressionskolben in seiner Form so ausgebildet ist, dass er im Arbeitstakt die rohrförmigen Öffnungen des Kühlers formschlüssig ausfüllt. 7. der Kompressionszylinder ein oder mehrere ventilgesteuerte Ein- oder Auslassöffnungen aufweist.