DE19933575A1

DE19933575A1 - Heißluftmaschine

Info

Publication number: DE19933575A1
Application number: DE19933575A
Authority: DE
Inventors: Franz Brauers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2000-01-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heißluftmaschine mit externer Wärmezufuhr und geschlossenem Gaskreislauf. DOLLAR A Der vorzugsweise mit Helium als Arbeitsgas gefüllte Flügelzellenmotor folgt einem thermodynamischen Kreisprozeß, bestehend aus einer isothermen Verdichtung, einer isochorisobaren Erhitzung und einer adiabatischen Expansion. Einen Regenerator benötigt diese Maschine nicht. Im Vergleich zu Hubkolben-Stirling-Maschinen ist diese Maschine konstruktiv erheblich einfacher aufgebaut und verfügt über einen besseren thermischen Wirkungsgrad.

Description

Stand der Technik

Bei einer Heißluft-Brennkraftmaschine handelt es sich allgemein um eine Wärmekraft- Maschine mit äußerer Verbrennung.

Verläßt das arbeitsleistende Medium nach verrichteter Arbeit die Maschine, wird also der Prozeß offen geführt, so wird im allgemeinen von einem Heißgasmotor gesprochen.

Wird andererseits das arbeitsleistende Medium innerhalb der Maschine zyklisch geführt, wobei der Wärmestrom von außen durch Wärmeleitung erfolgt, so wird im allgemeinen von einer "Stirling-Maschine" gesprochen. Zu diesem Begriff ist allerdings anzumerken, daß mit "Stirling-Maschine" vor allgem eine Maschine gemeint ist, die einem bestimmten thermodynamischen Prozeß folgt, bestehend aus zwei Isothermen und zwei Isochoren.

Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung und geschlossener Prozeßführung, die nicht den thermodynamischen "Stirling-Prozeß" vollführen, werden daher als "Heißluft-Maschinen" bezeichnet. Dazu ist allerdings zu sagen, daß das Arbeitsmedium meistens Wasserstoff oder Helium ist und eben nicht Luft.

Bisherige Bauformen von "Stirling-Maschinen" sind überwiegend entsprechend dem Hubkolbenprinzip ausgeführt und in der einschlägigen Literatur ausführlich beschrieben. Diese verfügen sämtlich über einen Regenerator. Eine sinnvolle konstruktive Realisation ist ohne diesen nicht möglich.

Aus thermodynamischer Sicht ist ein Regenerator keinesfalls notwendig. Die Notwendigkeit ergibt sich lediglich da heraus, daß es bei einer Hubkolben-Maschine konstruktiv nicht einfach, wenn nicht gar unmöglich ist, den thermischen Kurzschluß von Heiß- und Kaltbereich der Maschinen über das Arbeitsgas zu vermeiden. Denn bei einem solchen Kurzschluß wird keine oder nur wenig Arbeit geleistet.

Der Verzicht auf den Regenerator ist prinzipiell bei einer Rotationskolbenmaschine möglich, weil bei einer solchen das Arbeitsgas nach der Wärmeaufnahme nicht an seinem Ort verbleiben muß. Ein Ansatz hierzu wurde mit der DE 12 64 866 bekannt, wobei ein Drehkolben in Form einer einbogigen Trochoide mit doppelter Drehzahl in einem etwa 8-förmigen Ringläufer läuft und beides zusammen in einem feststehenden Gehäuse. Diese Maschine vermeidet jedoch nicht, daß heißes Arbeitsgas ohne zuvor Arbeit auszuführen auf den Kühler gelangt. Dementsprechend sollte der Wirkungsgrad nur unbefriedigend bleiben. Das gleiche Manko hat die in DE 30 45 569 beschriebene Maschine, die einen Flügelzellenrotor nutzt. Neuere Ausführungen vermeiden diesen Nachteil zwar (DE 42 13 369) sind jedoch in der Konstruktion sehr aufwendig.

Ziel der Erfindung ist es, eine Heißluftmaschine anzugeben, die durch eine unaufwendige Konstruktion ebenso gekennzeichnet ist, wie durch einen im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten Wirkungsgrad.

Darstellung der Erfindung

Die Heißluftmaschine besteht aus einem Hohlzylinder 1 in dem exzentrisch ein Flügelzellenrotor 2 mit Drehschiebern 3 läuft (Fig. 1). Die Maschine ist mit Helium als Arbeitsgas 4 befüllt, das Verdichtungsverhältnis beträgt ca. 1 : 10.

In der Flügelzelle mit dem größtmöglichen Volumen (in Fig. 1 unterste Zelle) habe das Arbeitsgas 4 Raumtemperatur. Von dort läuft das Gas entlang dem Kühlbereich 5, der aus einem gut wärmeleitenden Material besteht, wobei es isotherm verdichtet wird (Linie 10 in Fig. 2) und seine Verdichtungswärme an das Kühlmedium abgibt (Q_ab). Im oberen Teil der Maschine, nach Durchschreiten des Minimalvolumens, strömt das Arbeitsmedium 4 gegen den Erhitzer 7, wobei es sich, weil sich das Volumen zunächst nur geringfügig ändert, erst isochor und danach in etwa isobar (11 in Fig. 2) aufheizt. Der Erhitzerbereich 7 ist vom Kühlerbereich 5 durch den thermischen Isolatorbereich 6 getrennt. Abschließend wird dem Gas erlaubt, sich im Rahmen einer adiabatischen Expansion (Abschnitt 8, wiederum ein thermisches Isolationsmaterial) wieder bis auf die Minimaltemperatur abzukühlen (12 in Fig. 2). In den Schritten 11 und 12 (Fig. 2) bzw. in den Sektionen 7 und 8 (Fig. 1) setzt die Maschine aufgenommene Wärme in Arbeit um.

Wichtig ist, daß es sich bei dem Arbeitsgas um ein Edelgas - aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise Helium - handelt, weil nur monoatomische Gase den hohen adiabatischen Expansionskoeffizienten von 1.67 haben. Ansonsten ist ein Expansionsverhältnis von ca. 1 : 7, wie in der erfindungsgemäßen Maschine, nicht hinreichend dafür, daß das Gas im Rahmen der adiabatischen Expansion sich bis auf die Minimaltemperatur abkühlt. (Bei Wasserstoff oder Luft wäre ein Expansionsverhältnis von größer 1 : 15 notwendig, was konstruktiv nur noch schwierig zu realisieren ist.) Ist das Expansionsverhältnis zu gering, wird zuviel Wärme vom Wärmereservoir zum Kältereservoir geschleppt, ohne daß diese zur Arbeitsleistung ausgenutzt würde, und dies gilt es zu vermeiden, wenn ein möglichst guter Wirkungsgrad erzielt werden soll.

Damit das Expansionsverhältnis von 1 : 7 realisiert werden kann, bei dem das Arbeitsgas 4 keine weitere Wärme mehr aufnehmen soll, muß der Flügelzellenrotor über mindestens 6, besser noch 8 Sektoren verfügen. Dies bedeutet außerdem, daß die Oberfläche für die Wärmezufuhr ins System nur relativ klein sein kann, was die Maximal-Leistung einer solchen Maschine einschränkt. Alternativ besteht jedoch die Möglichkeit, das Arbeitsgas vom Sektor des Minimalvolumens aus der Maschine herauszuführen, durch einen großflächigen externen Erhitzer 9 zu leiten und danach wieder in die Maschine zur Expansion zurückzuleiten (Fig. 3).

Durch die vorstehenden Merkmale werden die Ziele der Erfindung, einfacher konstruktiver Aufbau und verbesserter thermischer Wirkungsgrad, erreicht. Die Maschine verfügt über keinen Regenerator und in ihrer einfachsten Ausführung (Fig. 1) noch nicht einmal über einen Wärmetauscher. Ein verbesserter thermischer Wirkungsgrad ergibt sich zum einem, weil dem Arbeitsgas 4 nach der Wärmeaufnahme erlaubt wird, im Rahmen der adiabatischen Expansion thermische Energie in mechanische umzusetzen, und zum anderen, weil der Energieinhalt der Heizgase (insofern der Heizer ein Brenner ist) effektiver genutzt werden kann als bei Hubkolben-Stirling-Motoren. Denn bei diesen kann immer nur der Energieinhalt der Heizgase oberhalb der Erhitzungstemperatur ausgenutzt werden, was deren Wirkungsgrad einschränkt. Bei dem in dieser Schrift beschriebenen System jedoch, können die Heizgase im Gegenstrom zum Arbeitsgas 4 geführt werden, wodurch die Heizgase, zumindest theoretisch, bis auf die Temperatur des Arbeitsgases 4 nach dessen Verdichtung (etwa 500 K) heruntergekühlt werden können.

Ein weiterer Vorteil im Vergleich zu Stirling-Maschinen mit Regenerator besteht darin, daß das Arbeitsgas 4 im gekühlten Zustand auf den Erhitzer trifft und nicht zuvor durch einen Regenerator geführt wrid, wo es sich bereits auf eine mittlere Temperatur aufheizt. Dadurch sind bei der erfindungsgemäßen Maschine die Temperaturgradienten bedeutend größer und damit der Wärmeeintrag verbessert.

Da der Ruhedruck des Arbeitsgases 4 lediglich 2 bar beträgt (der hohe Arbeitsdruck von <15 bar wird durch Verdichtung (1 : 10) und Erhitzung (1 : 3) im Betrieb erst erzeugt) bleibt die Helium-Leckage gering, bzw. kann durch Kapselung vollständig vermieden werden.

Claims

1. Heißluftmaschine mit externer Wärmezufuhr und geschlossenem Gaskreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß in einem kreisförmigen Hohlzylinder (1) exzentrisch ein Flügelzellenrotor (2) sich bewegt, in dem das Arbeitsgas (4) unter Kühlung (5) isotherm verdichtet, danach auf einen Erhitzer (7) geleitet wird und nach der Erhitzung adiabatisch bis auf die Temperatur des Kühlers expandiert, wobei das Expansionsverhältnis etwa 1 : 7 beträgt und das Arbeitsgas ein Edelgas ist.

2. Heißluftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas (4) im Zustand der größten Verdichtung aus der Maschine heraus geführt und durch einen Wärmetauscher (9) geleitet wird, wo es dort aufgrund der größeren Erhitzerfläche effektiv thermische Energie aufnimmt und danach wieder zur adiabatischen Expansion in die Maschine zurückgeleitet wird.

3. Heißluftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizgase am Erhitzer (7) im Gegenstrom zum Arbeitsgas (4) geführt werden und dadurch der Energieinhalt der Heizgase nahezu vollständig ausgenutzt und als Wärme in die Maschine eingetragen werden kann.

4. Heißluftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhitzer (7) mit solarthermisch gewonnenem Heißöl beaufschlagt wird, das entsprechend Anspruch 3 im Gegenstrom zum Arbeitsgas (4) über die Erhitzerfläche geleitet wird.