DE19538422A1

DE19538422A1 - Verfahren und Vorrichtungen für die einfache und schnelle Leistungsregelung von Stirlingmaschinen zur gleichzeitigen Bereitstellung von elektrischer Leistung, Wärme und Kälte

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Publication number: DE19538422A1
Application number: DE1995138422
Authority: DE
Original assignee: KRAUCH HELMUT PROF DR 69120 HEIDELBERG DE
Current assignee: KRAUCH HELMUT PROF DR 69120 HEIDELBERG DE
Priority date: 1995-10-16
Filing date: 1995-10-16
Publication date: 1997-04-17

Description

Problem

Bei Stirlingmaschinen ist ein großer Aufwand zur Regelung der abgegebenen Leistung erforderlich. Bei Anwendungen in der Energietechnik, wie z. B. einem Haushaltsenergiesystem wäre durch die Möglichkeit die Leistung zu regeln ein wesentlicher Fortschritt bei der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit durch längere jährliche Laufzeiten des Aggregates zu erreichen.

Stand der Technik Leistungsregelung

Es gibt bei Stirlingmotoren unterschiedliche Möglichkeiten, die an der Welle abgegebene Leistung zu regeln. Diese können anhand der einfachen Gleichung

P_eff = k · p_m · V_hub · n

erklärt werden. Die Gleichung beschreibt die Abhängigkeit der abgegebenen Leistung P_eff von der Drehzahl n, dem mittleren Druck p_m, dem Hubraum V_hub und einem Faktor k, in dem die Einflüsse von konstruktiv bedingten Eigenschaften und des Wirkungsgrades zusammengefaßt sind. Dabei muß beachtet werden, daß diese einfache lineare Abhängigkeit nur in einem engen Variationsbereich der Parameter verwendbar ist, da eine Kopplung des Faktors k mit p_m, V_hub und n vorliegt.

Drehzahlregelung

Die Drehzahlregelung wird häufig nicht zu den eigentlichen Regelungsmöglichkeiten für die Leistung gezählt. Nur bei wenigen Anwendungen ist die Anpassung der Motorleistung an die Last allein über eine Drehzahlregelung ausreichend.

Bei energietechnischen Anwendungen erscheint die Drehzahlregelung im allgemeinen ungeeignet da zum einen Generatoren in der Regel für eine konstante Drehzahl ausgelegt sind und darüber hinaus aus einer veränderlichen Arbeitsfrequenz erheblicher Aufwand z. B. bei der elektrischen Netzanbindung entstehen würde.

Druckpegelregelung

Die am meisten verbreitete Methode zur Regelung der Leistung von Stirlingmaschinen ist die Variation des mittleren Arbeitsdruckes. Dazu sind ein Verdichter und ein Vorratsbehälter für das Arbeitsmedium erforderlich. Mit der Druckpegelregelung ist ein guter Teillastwirkungsgrad erreichbar. Da bei doppeltwirkenden Maschinen großer Wert auf ausgeglichene mittlere Drücke in den einzelnen Systemen gelegt werden muß, ist zur technischen Verwirklichung einer Druckpegelregelung erheblicher Aufwand erforderlich.

Schadraumregelung

Die Leistung eines Stirlingmotors wird dabei dadurch verringert, daß durch zusätzliche, nicht am Arbeitsprozeß beteiligte Volumina die Druckänderungen im Zyklus und damit die Arbeit und die in den Wärmetauschern umgesetzte Wärme verringert wird. Praktische Verwirklichungen dieser Regelart sind bisher kaum bekannt geworden. Es erscheint schwierig, zuverlässige Maschinenelemente und Steuerungen zum Öffnen und Schließen der Verbindungskanäle zwischen den Arbeitsräumen und den zusätzlichen Toträumen zu finden.

Kurzschlußregelung

Die Kurzschlußregelung verringert die Leistung mit Hilfe eines einstellbaren Drosselventils, das die Arbeitsräume mit einem Pufferraum beim mittleren Arbeitsdruck verbindet. Dabei wird Arbeit in Wärme verwandelt, die im Pufferraum, im kalten Arbeitsraum und am Ventil abgeführt werden muß. Es handelt sich demnach hier um eine nur Verluste erzeugende Regelmethode, die für in Teillast zu betreibende Motoren nicht geeignet ist.

Eine Variante ist die sog. intermittierende Kurzschlußregelung, bei der teilweise während eines Arbeitsspiels über Ventile eine Verbindung vom Arbeitssystem zu einem Pufferraum hergestellt wird, so daß die Kompression und die Expansion verkürzt werden können. Die variable Ventilsteuerung und die zusätzliche Regulierung des Drucks im Pufferraum muß als sehr aufwendig bezeichnet werden. Technische Realisierungen sind nicht bekannt geworden.

Hubregelung

Die Veränderung des Hubraumes zur Regelung der Leistung erfordert ein besonderes Triebwerk, das eine Variation des Kolbenhubes bei laufendem Motor gestattet. Hierzu kommen insbesondere Schiefscheiben- und Taumelscheibentriebwerke in Frage. Die Hubregelung vereinigt hohe Teillastwirkungsgrade mit schnellem Ansprechverhalten.

Phasenregelung

Bei dieser Regelung wird der Phasenversatz zwischen den Volumenänderungen in den beiden ein Arbeitssystem bildenden Räumen verändert. Dies bewirkt bei Maschinen in A-Bauweise auch eine Veränderung der Differenz zwischen maximalem und minimalem Volumen. Mit dieser Regelungsart ist sogar eine Umsteuerung der Drehrichtung eines Motors möglich. Hohe Teillastwirkungsgrade und schnelles Ansprechen sind hier ebenso wie bei der Hubregelung erreichbar.

Andere Regelmechanismen haben kaum Bedeutung erlangt. So wurde auch eine hydraulische Koppelung der beiden Kolbenbewegungen vorgeschlagen. Solche Systeme sind mit hohen Verlusten, einem beschränkten Betriebsbereich, hohen Kosten etc. behaftet, so daß nicht damit zu rechnen ist, daß sie in naher Zukunft an Bedeutung gewinnen werden.

Von großer Bedeutung ist in jedem Fall die Regelung der Erhitzetemperatur. Aufgrund der thermischen Trägheit der beteiligten Bauteile ist sie zur Regelung der Leistungsabgabe nicht geeignet. Die Forderung nach einem hohen, möglichst in allen Betriebsbereichen konstanten Wirkungsgrad erfordert aber eine Regelung des Wärmezufuhrsystems die eine konstante Temperatur des Erhitzerwärmetauschers sicherstellt. Dazu wird üblicherweise eine automatische Brennerregelung eingesetzt. Die Erhitzertemperatur wird i.d.R. mit Thermoelementen gemessen. Die Regelung der Gemischzufuhr erfolgt meist durch drehzahlgeregelte Brennergebläse. Die Regelung der Gemischzusammensetzung kann ähnlich wie in einem konventionellen Vergaser über einen pneumatischen Druckregler oder wie bei elektronischen Systemen (mittels Lambdasonde und/oder Luftmassenstrommesser) über elektronisch ansteuerbare Einspritzventile erfolgen. In Zukunft wird wegen der immer strenger werdenden Emissionsvorschriften für Verbrennungsmotoren auch bei Stirlingmotoren eine kontinuierliche Überwachung der Verbrennung unerläßlich sein.

Einfache Leistungsregelung für Stirlingmaschinen

Beim Entwurf eines für die Kraft-Wärme-Kopplung im Haushalt vorgesehenen Stirlingmotors müssen strengere Anforderungen, insbesondere hinsichtlich Kosten und Wartungsbedarf, erfüllt werden als bei anderen Anwendungsfällen. Die beschriebenen Methoden zur Leistungsregelung weisen alle Nachteile auf, die die Vorteile der regenerativen Wärmekraftmaschinen im Hinblick auf den praktischen Einsatz einschränken. Im folgenden soll eine Methode zur Leistungsregelung sowie Vorrichtungen zu ihrer Verwirklichung vorgeschlagen werden, die diese Nachteile umgeht. Diese Methode ist auf regenerative Wärmemaschinen anwendbar die mit getrennten Verdränger- und Arbeitskolben arbeiten (B- und Γ-Maschinen). Zum Zweck der Regelung ist die Maschine in einer sogenannten hybriden Freikolben-Bauweise (Ringbom-Maschine) ausgeführt in der der Verdrängerkolben von, aus der zeitlichen Schwankung des Arbeitsdruckes resultierenden Gaskräften bewegt wird. Der Arbeitskolben ist mit einem Triebwerk verbunden, das die Bewegung des Arbeitskolbens bestimmt und die Leistung der Wärmekraftmaschine nach außen abgibt.

Die Regelung der Leistung erfolgt durch Beschränkung des freien Weges des Verdrängerkolbens, vorzugsweise in Richtung des Expansionsraumes. Dabei wird zweckmäßigerweise unter Vollast, der größte Hub des Verdrängers freigegeben. Durch Festhalten des Verdrängerkolbens (Bei B- Maschinen Bewegung mit dem Arbeitskolben zusammen, bei Γ-Maschinen Stillstand des Verdrängers) kann der Regelmechanismus zum Abstellen der Maschine genutzt werden.

Das Prinzip der Leistungsregelung besteht darin, daß durch Verringerung des Verdrängerhubes auch die Menge des, bei jedem Arbeitsspiel, durch die Wärmetauscher bewegten Arbeitsmediums und damit auch die zu- und abgeführte Wärmemenge verringert wird.

Der Expansionsvorgang läuft während der gemeinsamen Bewegung von Verdränger und Arbeitskolben, nach dem Überschieben in den heißen Arbeitsraum ab. Der Kompressionsvorgang nach dem Überschieben in den kalten Raum.

Dabei kann der thermodynamische Prozeß dem erreichbaren Optimum weiter angenähert werden als bei der Verwendung von Triebwerken die kinematisch bestimmte Bewegungen beider Kolben erzwingen.

Wenn zur Verringerung der Abgabeleistung der Hub des Verdrängerkolbens, in Richtung des heißen Raumes beschränkt wird, läuft ein Teil der Kompressionsprozesses in dem, noch im heißen Raum befindlichen, Arbeitsmedium ab.

Bei Beschränkung des Verdrängerhubes in beiden Richtungen werden beide Prozesse, in näher am optimalen und weiter davon entfernte Vorgänge, aufgeteilt.

Zur Verwirklichung des beschriebenen Verfahrens kommen verschiedene Mechanismen in Betracht.

Bei Ringbom-Maschinen müssen die Bewegungen des Verdrängerkolbens durch Anschläge begrenzt werden. Diese Anschläge können so konstruiert sein, daß die überschüssige Bewegungsenergie des Verdrängers dissipiert wird, oder so, daß diese z. T. gespeichert und zum richtigen Zeitpunkt dem Verdränger wieder zugeführt wird. Im letzteren Falle besteht der Anschlag aus einem visko-elastischen Glied das auf den Frequenzbereich in dem es seine beste Wirkung zeigen soll sorgfältig abgestimmt sein muß (Top-End-Tuning). Ein Mechanismus zur Verwirklichung der beschriebenen Regelungsmethode hat nun die Aufgabe einen oder beide dieser Anschläge (unabhängig davon ob diese als Dämpfer oder Feder-Dämpfer-Kombination wirken) dem Leistungsbedarf entsprechend zu verschieben und so den Hub des Verdrängerkolbens zu beschränken.

Dies muß durch einen äußeren Regeleingriff geschehen. Abhängig von der Bauweise der Maschine kann das mechanisch (Spindel-, Hebel-, Exzenter-Mechanismus) oder hydraulisch geschehen. Dabei kann eine Beeinflussung der Bewegungen des Verdrängers vom Arbeitskolben durch eine Kopplung des Regelmechanismus an das Triebwerk erreicht werden.

Die beschriebene Methode zur Leistungsregelung ist auf eine Vielzahl von möglichen Bauformen von regenerativen Wärmemaschinen für die verschiedensten Einsatzgebiete anwendbar. Ihre besonderen Vorteile liegen in der Einfachheit ihrer technischen Verwirklichung und in ihrem schnellen Ansprechen.

Insbesondere sind dabei Wärmekraftmaschinen kleiner mechanischer Leistung (P < 1 kW) und einfachster Bauart anzusprechen.

Daneben ist ein Baukasten-System vorstellbar, das eine besondere Freiheit in der Gestaltung der Bauform und damit besonders gute Anpaßbarkeit an verschiedene Anwendungszwecke besitzt. Dabei kann ein Triebwerk mit einem oder mehreren Arbeitskolben verbunden sein, wobei von jedem dieser Kolben zwei kalte Arbeitsräume bildet, die mit je einer Zylinder-Verdrängerkolben- Einheit verbunden sind die in geeigneter nicht durch etwaige Rücksichten auf die Getriebeausführung eingeschränkter, Weise angeordnet sind.

Besonders günstige Anordnungen können durch Anwendung von Kurbelschleifentriebwerken erreicht werden.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Leistung einer Wärmekraftmaschine oder einer Kältemaschine oder einer Maschine zur kombinierten Bereitstellung von mechanischer Arbeit und Wärmepumpleistung, gekennzeichnet dadurch, daß die Bewegung eines von Gaskräften bewegten Verdrängerkolbens (Freikolben) an einem oder beiden Enden seines Hubes von verschieblichen Anschlägen begrenzt wird, die zum Zwecke der Regelung der Leistungsabgabe von außen verstellt werden.

2. Verfahren nach 1 gekennzeichnet dadurch, daß bei Vollast der maximale Hub des Verdrängers zugelassen wird.

3. Verfahren nach 1 und/oder 2 gekennzeichnet dadurch, daß die Anschläge die Bewegung des Verdrängerkolbens durch Dämpfung zum Stillstand bringen.

4. Verfahren nach 1 und/oder 2 gekennzeichnet dadurch, daß die Anschläge Dämpfer- und Federwirkung kombinieren.

5. Mechanismus zur Verwirklichung der Verfahren nach 1, 2, 3 oder 4 gekennzeichnet dadurch, daß der äußere Regeleingriff durch Bewegung eines oder beider Anschläge mittels einer Spindel geschieht.

6. Mechanismus zur Verwirklichung der Verfahren nach 1, 2, 3 oder 4 gekennzeichnet dadurch, daß der äußere Regeleingriff durch Bewegung eines oder beider Anschläge mittels eines oder mehrerer Hebel geschieht.

7. Mechanismus nach 6 gekennzeichnet dadurch, daß der oder die Hebel die Anschläge durch geeignet angebrachte Fenster im Arbeitskolben betätigen.

8. Mechanismus zur Verwirklichung der Verfahren nach 1, 2, 3 oder 4 gekennzeichnet dadurch, daß der äußere Regeleingriff durch Bewegung eines oder beider Anschläge mittels eines oder mehrerer Exzenter geschieht.

9. Mechanismus zur Verwirklichung der Verfahren nach 1, 2, 3 oder 4 gekennzeichnet dadurch, daß der äußere Regeleingriff durch Bewegung eines oder beider Anschläge hydraulisch durch eine geeignete Flüssigkeit geschieht.

10. Maschine gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 gekennzeichnet dadurch, daß ein Kurbelschleifengetriebe mindestens einen Kolben bewegt der zwei kalte Arbeitsräume bildet . .
11. Kombimaschine gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 gekennzeichnet dadurch, daß durch einen mit dem Arbeitskolben fest verbundenen Lineargenerator elektrischer Strom erzeugt wird, während gleichzeitig von einem mit dem Arbeitskolben fest verbundenen oder in diesen integrierten (etwa in der Art eines Stufenkolbens), einfach- oder doppeltwirkenden Kolben ein Kältemittelverdichter (z. B. zur Verdichtung von CO₂ als Kältemittel) betrieben wird der wahlweise eine Wärmepumpe oder eine Kältemaschine betreibt, so daß je nach Bedarf, in einstellbaren Anteilen Strom Wärme und/oder Kälte zur Verfügung gestellt werden.