DE19928202A1 - Stirling- oder Vuilleumier-Maschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stirling- oder Vuilleumier-Maschine mit mindestens vier Teilsystemen, die ein Arbeitsmedium enthalten und in denen jeweils ein Gaskreisprozeß durchführbar ist, wobei jedes Teilsystem mindestens einen Zylinder und einen Kolben aufweist, der den Zylinderraum in einen oberen und einen unteren Arbeitsraum unterteilt und daß die Arbeitsräume der Teilsysteme über Wärmeübertrager miteinander in Verbindung stehen, sowie mit einer Steuerung für die Kolben. Es wird vorgeschlagen, daß mindestens zwei durch die Steuerung der Kolben um 180 DEG phasenverschobene Teilsysteme über einen Gegenstrom-Wärmeübertrager (74, 76) miteinander verbunden sind, so daß die Wärmeaufnahme des einen Teilprozesses zeitgleich mit der Wärmeabgabe des anderen Teilprozesses erfolgt. DOLLAR A Die Vorteile der Erfindung liegen einerseits in einem erheblich geringeren Druckverlust bei geringerem Totvolumen durch den Gegenstrom-Wärmeübertrager im Vergleich zu einer Stirling- oder Vuilleumier-Maschine mit Regenerator, zum anderen im Fortfall des vergleichsweise teuren Regeneratormaterials.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Stirling- oder Vuilleumier- Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs. Nach dem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Maschinen, wie zum Beispiel der Stirling-Motor, sind seit langem Stand der Technik. Allen nach dem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Maschinen ist gemeinsam, daß der Arbeitsprozeß aus einer quasi isothermen Verdichtung, einer isochoren Wärmezufuhr, einer quasi isothermen Expansion und einer isochoren Wärmeabfuhr besteht. Wird dieser Kreisprozeß rechts herum durchlaufen, so arbeitet die Maschine als Motor, wird der Kreisprozeß links herum durchlaufen, kann die Maschine als Kälteanlage zum Kühlen oder als Wärmepumpe zum Heizen eingesetzt werden. So arbeiten beispielsweise moderne Stirling-Maschinen als doppelwirkende Motoren mit zum Beispiel vier Zylindern und vier Kolben, die mit einer geeigneten Phasenverschiebung von vorzugsweise 90° durch eine Kurbelwelle miteinander verbunden sind. Die für den Gaskreisprozeß erforderlichen Bauteile wie Kühler, Regenerator und Erhitzer sind zwischen den Zylindern angeordnet. Das charakteristische Bauteil einer Stirling- Maschine ist der Regenerator, der bei einem Stirling-Motor in der Phase zwischen der Expansion und der Kompression Wärme vom Arbeitsgas aufnimmt, und in der Phase zwischen der Kompression und der Expansion wieder an das Arbeitsgas abgibt, während bei einer Wärmepumpe die Wärme zwischen der Kompression und Expansion vom Arbeitsgas an den Regenerator abgegeben wird und in der Phase zwischen Expansion und Kompression wieder vom Arbeitsgas aufgenommen wird. Bei den meisten Ausführungsformen konventioneller Maschinen, die nach dem regenerativen Gaskreisprozeß arbeiten, besteht der Regenerator aus Drahtsiebgewebe, Folien, Metallfaservlies oder Glasfaservlies. Alle im Stand der Technik verwendeten Regeneratoren stellen aber in der Auslegung nur einen Kompromiß dar, da zum Teil gegenläufige Anforderungen erfüllt werden müssen. Insbesondere sind dies die Anforderungen eines geringen Gasvolumens und geringen Druckverlusts für das durchströmende Arbeitsmedium bei möglichst hoher Wärmespeicherkapazität und gutem Wärmeübergang. Der Strömungswiderstand und das Gasvolumen sind dabei um so größer, je größer die Wärmespeicherkapazität und die wärmeübertragenden Flächen sind. Der Regenerator verursacht üblicherweise den größten Anteil des Druckverlusts, was zu einer erheblichen energetischen Verschlechterung solcher Maschinen führt. Das je nach verwendetem Regeneratormaterial erhebliche gasseitige Volumen des Regenerators wird als Totraum bezeichnet und verschlechtert zusätzlich zum Druckverlust die energetische Effizienz des Prozesses.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den bei diesen Maschinen verwendeten Regenerator zu ersetzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, indem mindestens zwei durch die Steuerung der Kolben um 180° phasenverschobene Teilsysteme über einen Gegenstrom-Wärmeübertrager miteinander verbunden werden, so daß die Wärmeaufnahme des einen Teilprozesses zeitgleich mit der Wärmeabgabe des anderen Teilprozesses zusammenfällt. Die erfindungsgemäße Lösung weist die Vorteile auf, daß durch den Gegenstrom-Wärmeaustausch eine sehr weitgehende Annäherung der Temperaturen der Ströme der beiden Arbeitsmedien erreicht werden kann, die der eines Regenerators entspricht. Da zudem die Richtung des Temperaturgefälles und das Temperaturniveau in beiden Wärmeübertragungsvorgängen der beteiligten Prozesse gleich sind, entstehen keine zusätzlichen Verluste durch Aufwärmung und Abkühlung des Wärmeübertragers selbst. Im Vergleich zu einem Regenerator werden die Druckverluste insgesamt reduziert, das beim Regenerator vorhandene Totvolumen entfällt weitgehend, darüber hinaus können Gegenstrom- Wärmetauscher kostengünstiger gefertigt werden, als die mit teuren Materialien gefertigten Regeneratoren.

Durch die in dem Unteranspruch aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der nach dem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Maschine nach dem Hauptanspruch möglich.

Das Ersetzen der Regeneratoren durch jeweils zwei über einen Gegenstromwärmetauscher gekoppelten Teilprozesse bietet sich insbesondere bei Stirling-Maschinen in Siemens-Anordnung an. Dabei sind vier Teilprozesse in einer Maschine miteinander verbunden, so daß die sonst dafür üblicherweise notwendigen vier Regeneratoren durch jeweils zwei Gegenstrom- Wärmetauscher ersetzt werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt schematisch eine Stirling-Maschine in Siemens-Anordnung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist und Fig. 2 schematisch die erfindungsgemäße regeneratorlose Stirling-Maschine in Siemens-Anordnung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Wie in Fig. 1 dargestellt, weist der Stirlingmotor in Siemensanordnung vier Zylinder 10, 12, 14, 16 auf, in denen vier bewegliche Kolben 18, 20, 22, 24 angeordnet sind. Die Kolben 18, 20, 22, 24 sind über Kolbenstangen 26, 28, 30, 32 mit einer nicht dargestellten Abtriebswelle verbunden, die gleichzeitig die Bewegung der Kolben 18, 20, 22, 24 unter Einhaltung einer Phasenverschiebung von jeweils 90° steuert. Die Kolben 18, 20, 22, 24 unterteilen die Zylinderräume jeweils in einen oberen Raum, im folgenden als Expansionsraum 34, 36, 38, 40 bezeichnet, und in einen unteren Raum, im folgenden als Kompressionsraum 42, 44, 46, 48 bezeichnet, wobei die Kolben 18, 20, 22, 24 mit ihrer oberen Seite Arbeitskolben und mit ihrer unteren Seite Verdränger für den nachfolgenden Zylinder sind. Das charakteristische bei der Siemens- Anordnung ist, daß die Expansionsräume 34, 36, 38, 40 der Zylinder 10, 12, 14, 16 über Erhitzer 56, 50, 52, 54, Regeneratoren 64, 58, 60, 62 und Kühler 72, 66, 68, 70 mit den Kompressionsräumen 48, 42, 44, 46 der Zylinder 16, 10, 12, 14 verbunden sind, wobei die Lage der Kolben 18, 20, 22, 24 in den jeweils benachbarten Zylindern 10, 12, 14, 16 um 90° phasenverschoben ist. Bei dieser aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung mit vier Stirling- Teilsystemen, bei der in jedem der vier Zylinder 10, 12, 16, 18 bei einer vollständigen Umdrehung der Abtriebswelle von 360° jeweils ein Stirling- Kreisprozeß (isotherme Kompression, isochore Wärmeaufnahme, isotherme Expansion und isochore Wärmeabgabe) durchlaufen wird, dienen die Erhitzer 50, 52, 54, 56 dazu, daß das Arbeitsgas in den Expansionsräumen 34, 36, 38, 40, d. h. auf der heißen Seite, Wärme aufnehmen kann. Auf der kalten Seite, d. h. in den Kompressionsräumen 42, 44, 46, 48, gibt das Arbeitsgas mit Hilfe der Kühler 66, 68, 70, 72 entsprechende Wärmemengen nach außen ab. Damit die dem Arbeitsgas entzogene Wärmemenge nicht verlorengeht, wird sie in den Regeneratoren 58, 60, 62, 64 gespeichert und bei der nächsten Wärmeaufnahme dem Arbeitsgas über die Regeneratoren 58, 60, 62, 64 wieder zugeführt. Die Wärmeaufnahme und -abgabe in einem Regenerator erfolgt dabei zeitlich versetzt um eine halbe Zyklusdauer oder entsprechend einer 180° Drehung der Abtriebswelle zur Steuerung der Kolbenbewegungen.

In Fig. 2 ist ein Stirling- Motor in Siemens- Anordnung dargestellt, bei dem gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Gegensatz zur Anordnung nach Fig. 1 sind die vier Regeneratoren durch zwei Gegenstrom- Wärmetauscher 74, 76 ersetzt worden, dergestalt, daß die jeweils um 180° phasenverschobenen Teilsysteme der Siemensanordnung über die Gegenstrom- Wärmetauscher 74, 76 miteinander verbunden sind. Genauer gesagt, ist die eine Seite des ersten Gegenstrom- Wärmetauschers 74 zwischen dem Expansionsraum 34 des Zylinders 10 und dem Kompressionsraum 48 des Zylinders 16 und die andere Seite des ersten Gegenstrom- Wärmetauschers 74 zwischen dem Kompressionsraum 44 des Zylinders 12 und dem Expansionsraum 38 des Zylinders 14 angeordnet. Die eine Seite des zweiten Gegenstrom- Wärmetauschers 76 ist zwischen dem Kompressionsraum 46 des Zylinders 14 und dem Expansionsraum 40 des Zylinders 16 und die andere Seite des zweiten Gegenstrom- Wärmetauschers 76 zwischen dem Kompressionsraum 42 des Zylinders 10 und dem Expansionsraum 36 des Zylinders 12 angeordnet. Mit dieser Anordnung wird erreicht, daß die Wärmeaufnahme des einen Teilprozesses mit der Wärmeabgabe des anderen Teilprozesses zeitgleich erfolgt, so daß eine Zwischenspeicherung der durch das Arbeitsgas in einem Teilprozeß abgegebenen Wärmemenge nicht mehr erforderlich ist. Nach einer weiteren Kurbelwellendrehung um 180° tauschen die miteinander verbundenen Teilprozesse die Wärmemenge in umgekehrter Richtung wieder aus. Durch den Gegenstrom- Wärmeaustausch kann eine sehr weitgehende Annäherung der Temperaturen der beiden Arbeitsgasströme erreicht werden, die der eines Regenerators entspricht. Da zudem die Richtung des Temperaturgefälles und das Temperaturniveau in beiden Wärmeübertragungsvorgängen der beteiligten Prozesse gleich sind, entstehen keine zusätzlichen Verluste durch Aufwärmung und Abkühlung der Wärmeübertrager.

Der Vorschlag, die bei Stirling Maschinen verwendeten Regeneratoren durch Gegenstrom- Wärmetauscher zu ersetzen, ist nicht auf den beschriebenen Stirling-Motor in Vier- Zylinder- Anordnung eingeschränkt, sondern auf jede Maschine in Siemens- Anordnung mit einer geraden Anzahl von Zylindern und damit einer geraden Anzahl von Teilprozessen anwendbar. Darüberhinaus kann die Stirling- Maschine auch als Kältemaschine oder Wärmepumpe betrieben werden, indem der Gaskreisprozeß links herum durchlaufen wird.

Die vorgeschlagene regeneratorlose Anordnung ist ebenfalls auf sogenannte Vuilleumier- Wärme- oder Kältemaschinen anwendbar. Das Prinzip des Vuilleumier-Prozesses entspricht im Prinzip zwei miteinander gekoppelten, auf unterschiedlichen Temperaturniveaus ablaufenden Stirling- Prozessen, bei denen die hohe Temperatur des einen gleichzeitig die untere Temperatur des zweiten Prozesses ist. Die beiden Prozesse sind dabei auch durch das Arbeitsmedium miteinander verbunden. Die für den Vuilleumier- Gaskreisprozeß erforderlichen Bauteile, wie z. B. Wärmetauscher und Regeneratoren entsprechen dabei weitgehend der Stirling-Maschine.

Claims (2)

1. Stirling- oder Vuilleumier- Maschine mit mindestens vier Teilsystemen, die ein Arbeitsmedium enthalten und in denen jeweils ein Gaskreisprozeß durchführbar ist, wobei jedes Teilsystem mindestens einen Zylinder und einen Kolben aufweist, der den Zylinderraum in einen oberen und einen unteren Arbeitsraum unterteilt und daß die Arbeitsräume der Teilsysteme über Wärmeübertrager miteinander in Verbindung stehen, sowie mit einer Steuerung für die Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei durch die Steuerung der Kolben um 180° phasenverschobene Teilsysteme über einen Gegenstrom- Wärmeübertrager (74, 76) miteinander verbunden sind, so daß die Wärmeaufnahme des einen Teilprozesses zeitgleich mit der Wärmeabgabe des anderen Teilprozesses erfolgt.

2. Stirling- oder Vuilleumier- Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anordnung mit vier Zylindern (10, 12, 14, 16), vier Kolben (18, 20, 22, 24) und zwei Gegenstrom- Wärmetauschern (74, 76), wobei die eine Seite der beiden Gegenstrom- Wärmeübertrager (74, 76) zwischen den oberen Räumen (34, 40) der Zylinder (10, 16) und den unteren Räumen (46, 48) der Zylinder (14, 16) angeordnet ist und die andere Seite der beiden Wärmeübertrager (74, 76) zwischen den oberen Räumen (36, 38) der Zylinder (12, 14) und den unteren Räumen (42, 44) der Zylinder (10, 12) angeordnet ist.