DE202008001920U1

DE202008001920U1 - Stirlingmaschine mit Gegenstrom-Wärmeübertrager

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Publication number: DE202008001920U1
Application number: DE202008001920U
Authority: DE
Original assignee: Individual
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Priority date: 2008-02-11
Filing date: 2008-02-11
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2018-02-12
Also published as: WO2009100710A4; DE112009000903B3; WO2009100710A2; DE112009000903A5; EP2291583A2; WO2009100710A3

Abstract

Stirlingmaschine ohne das konventionelle Bauelement „Regenerator", bestehend aus einer Anzahl von zwei oder mehr Teilsystemen, die ein Arbeitsgas enthalten, und in denen bei idealem Prozessverlauf jeweils ein Stirling-Kreisprozess mit den Zustandsänderungen isotherme Kompression, isochore Erwärmung, isotherme Expansion und isochore Abkühlung durchführbar ist, gekennzeichnet dadurch, dass das erste Teilsystem derart mit dem letzten Teilsystem verbunden ist, und die übrigen Teilsysteme derart miteinander verbunden sind, dass im Betrieb das erste Teilsystem die für seine isochore Erwärmung nötige Wärmemenge über einen Gegenstrom-Wärmeübertrager von dem letzten Teilsystem erhält, das durch die Abgabe dieser Wärmemenge isochor abgekühlt wird, während die übrigen Teilsysteme dadurch isochor erwärmt werden, dass in sie das heiße Arbeitsgas des jeweils vorangestellten Teilsystems verschoben wird, und in das jeweils vorangestellte Teilsystem ihr eigenes kaltes Arbeitsgas verschoben wird, wodurch das jeweils vorangestellte Teilsystem isochor abgekühlt wird.

Description

Die Stirlingmaschine ist die Wärme-Kraft-Maschine, die bei idealem Arbeitsprozess den höchsten Wirkungsgrad hat. Um bei einer realen Stirlingmaschine einen Wirkungsgrad zu erreichen, der dem idealen Wirkungsgrad möglichst nahe kommt, ist es wichtig, dass die Stirlingmaschine ein Regulativ besitzt, so dass dem Arbeitsgas während des Arbeitsprozesses alternierend Wärme entzogen und möglichst verlustfrei wieder zur Verfügung gestellt wird.
Üblicherweise übernimmt der sog. „Regenerator" diese Aufgabe der Speicherung und Wiederbereitstellung der inneren Wärme in einer Stirlingmaschine. Nach dem Stand der Technik gibt es aber auch Stirlingmaschinen ohne das konventionelle Bauelement „Regenerator".
Die Erfindung betrifft eine Stirlingmaschine ohne konventionellen Regenerator, die wie die aus der Patentschrift DE 197 52 996 bekannte Maschine aus zwei oder mehreren Teilsystemen besteht, die ein Arbeitsgas enthalten, und in denen bei idealem Arbeitsprozess jeweils ein Stirling-Kreisprozess mit den Zustandsänderungen isotherme Kompression, isochore Erwärmung, isotherme Expansion und isochore Abkühlung durchführbar ist, und die derart miteinander gekoppelt sind, dass der Stirling-Kreisprozess nächst benachbarter Teilsysteme jeweils um 180° zueinander phasenverschoben ist, und dass alle Teilsysteme bis auf das erste Teilsystem im Betrieb dadurch isochor erwärmt werden, dass in sie das heiße Arbeitsgas des jeweils vorangestellten Teilsystems geschoben wird, und in das jeweils vorangestellte Teilsystem ihr eigenes kaltes Arbeitsgas gleich großen Volumens geschoben wird, wodurch das jeweils vorangestellte Teilsystem isochor abgekühlt wird.
Erfindungsgemäß erhält das erste Teilsystem die für seine isochore Erwärmung notwendige Wärmemenge über einen Gegenstrom-Wärmeübertrager vom letzten Teilsystem, und das letzte Teilsystem wird durch die Abgabe dieser Wärmemenge über den Gegenstrom-Wärmeübertrager an das erste Teilsystem isochor abgekühlt.
Im Unterschied zur erfindungsgemäßen Maschine benötigt die aus der Patentschrift DE 197 52 996 bekannte Stirlingmaschine für die isochore Erwärmung des ersten Teilsystems und die isochore Abkühlung des letzten Teilsystems neben einem Wärmetauscher noch eine sog. Vorwärmkammer mit zugehörigem beweglichen Kolben, einem Erhitzer und einer durch ein Ventil verschließbaren Bypass-Leitung und eine sog. Vorkühlkammer mit zugehörigem beweglichen Kolben, einem Kühler und einer durch ein Ventil verschließbaren weiteren Bypass-Leitung, wobei die Vorwärmkammer derart über den Wärmetauscher mit dem ersten Teilsystem und die Vorkühlkammer derart über den Wärmetauscher mit dem letzten Teilsystem verbunden ist, dass im Betrieb das erste Teilsystem mindestens einen Teil der für seine isochore Erwärmung nötigen Wärmemenge von der Vorwärmkammer erhält und den restlichen Teil von dem Wärmetauscher, und dass im Betrieb das letzte Teilsystem mindestens einen Teil der für seine isochore Abkühlung nötigen Wärmemenge an die Vorkühlkammer und den restlichen Teil an den Wärmetauscher abgibt.
In den 1a bis 4b ist schematisch eine Ausführungsform einer aus zwei Teilsystemen bestehenden erfindungsgemäßen Stirlingmaschine in den unterschiedlichen Zuständen eines Kreisprozesses dargestellt. Bei dieser doppeltwirkenden Stirlingmaschine besteht das erste Teilsystem aus einem mit einem ersten Erhitzer 12 verbundenen Expansionszylinder 10 und einem bezüglich des Arbeitsgas-Raumes gleich großen Kompressionszylinder 11, und das zweite Teilsystem besteht aus einem mit einem ersten Kühler 23 verbundenen Kompressionszylinder 21 und einem bezüglich des Arbeitsgas-Raumes gleich großen Expansionszylinder 20. Die Volumina der Heißgasräume der Expansionszylinder des ersten und zweiten Teilsystems sind so zu wählen, dass das Volumen des heißen Arbeitsgases im Expansionszylinder 10 des ersten Teilsystems am Ende der isothermen Expansion gleich ist dem Volumen des heißen Arbeitsgases im Expansionszylinder 20 des zweiten Teilsystems zu Beginn der isothermen Expansion, und die Volumina der Kaltgasräume der beiden Kompressionszylinder sind so zu wählen, dass das Volumen des kalten Arbeitsgases im Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems am Ende der isothermen Kompression gleich ist dem Volumen des kalten Arbeitsgases im Kompressionszylinder 11 des ersten Teilsystems zu Beginn der isothermen Kompression. Darüber hinaus sind die Arbeitsgasmengen und die Kompressionsverhältnisse der beiden Teilsysteme gleich groß zu wählen, wobei das Kompressionsverhältnis jeweils aus dem Verhältnis der Volumina des kalten Arbeitsgases zu Beginn und am Ende der Kompression gebildet wird.
Der Expansionszylinder 10 des ersten Teilsystems ist mit dem ersten Erhitzer 12 und mit dem Kompressionszylinder 11 des ersten Teilsystems durch eine erste Verbindungsleitung 14 verbunden, und der Expansionszylinder 20 des zweiten Teilsystems ist mit dem ersten Kühler 23 und dem Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems durch eine zweite Verbindungsleitung 24 verbunden, wobei die beiden Verbindungsleitungen 14 und 24 durch ein Ventil V1 verschließbar sind und derart aneinander vorbeigeführt werden, dass sie einen Gegenstrom-Wärmeübertrager 30 bilden.
Eine durch ein Ventil V2 versschließbare erste Bypass-Leitung 31 verbindet den Expansionszylinder 20 des zweiten Teilsystems mit einem zweiten Erhitzer 22 und weiter mit dem Expansionszylinder 10 des ersten Teilsystems und überbrückt damit die Verbindungsleitungen 14 und 24 auf der Heißgasseite vor dem Gegenstrom-Wärmeübertrager 30, und eine durch ein Ventil V3 verschließbare zweite Bypass-Leitung 32 verbindet den Kompressionszylinder 11 des ersten Teilsystems mit einem zweiten Kühler 13 und weiter mit dem Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems und überbrückt damit die Verbindungsleitungen 14 und 24 auf der Kaltgasseite vor dem Gegenstrom-Wärmeübertrager 30.
1a zeigt schematisch diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stirlingmaschine zu Beginn der isothermen Expansion des ersten Teilsystems und zu Beginn der simultan ablaufenden isothermen Kompression des zweiten Teilsystems, und in 1b ist das Ende dieser isothermen Zustandsänderungen gezeigt. Die Ventile V2 und V3 der ersten 31 bzw. zweiten Bypass-Leitung 32 sind geschlossen und verhindern damit eine Durchmischung des Arbeitsgases des ersten und zweiten Teilsystems. Außerdem ist das Ventil V1 der Verbindungsleitungen 14 und 24 geschlossen, so dass das Arbeitsgas des aus Expansionszylindern und Erhitzern bestehenden Heißraums keinen Zugang zu dem aus Kompressionszylindern und Kühlern bestehenden Kaltraum der Maschine hat und umgekehrt. Dadurch expandiert im Betrieb ausschließlich das Arbeitsgas im Expansionszylinder 10 des ersten Teilsystems – und zwar im Idealfall isotherm – durch die über den ersten Erhitzer 12 zugeführte äußere Wärme und verschiebt den Expansionskolben K11 um den Hub des ersten Teilsystems. Gleichzeitig wird das kalte Arbeitsgas im Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems durch die Bewegung des Kompressionskolbens K22 um den Hub des zweiten Teilsystems komprimiert – und zwar im Idealfall isotherm – durch die über den ersten Kühler 23 abgeführte Wärme. Auf diese isothermen Zustandsänderungen folgen isochore Änderungen in den Teilsystemen. In 2a ist der Beginn der isochoren Erwärmung des zweiten Teilsystems und der simultane Beginn der isochoren Abkühlung des ersten Teilsystems gezeigt, und 2b zeigt das Ende dieser isochoren Zustandsänderungen. Das Ventil V1 der Verbindungsleitungen 14 und 24 ist während dieser Zustandsänderungen geschlossen, und die Ventile V2 und V3 der beiden Bypässe 31 und 32 sind geöffnet. Der Kolben K11 des Expansionszylinders 10 des ersten Teilsystems und der Kolben K21 des Expansionszylinders 20 des zweiten Teilsystems werden derart simultan bewegt, dass das heiße Arbeitsgas aus dem Expansionszylinder 10 des ersten Teilsystems isochor über den Bypass 31 in den zweiten Erhitzer 22 und von dort in den Expansionszylinder 20 des zweiten Teilsystems geschoben wird, und der Kolben K22 des Kompressionszylinders 21 des zweiten Teilsystems und der Kolben K12 des Kompressionszylinders 11 des ersten Teilsystems werden derart simultan bewegt, dass das kalte Arbeitsgas aus dem Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems isochor über den Bypass 32 in den zweiten Kühler 13 und von dort in den Kompressionszylinder 11 des ersten Teilsystems geschoben wird.
Auf die isochore Abkühlung des ersten Teilsystems und der simultanen isochoren Erwärmung des zweiten Teilsystems folgen die in 3a und 3b dargestellten isothermen Zustandsänderungen. 3a zeigt den Beginn der isothermen Expansion des zweiten Teilsystems und den Beginn der simultan ablaufenden isothermen Kompression des ersten Teilsystems, und 3b zeigt das Ende dieser Zustandsänderungen. Die Ventile V2 und V3 der Bypässe 31 und 32 und das Ventil V1 der Verbindungsleitungen 14 und 24 sind geschlossen, so dass im Betrieb ausschließlich das Arbeitsgas im Expansionszylinder 20 des zweiten Teilsystems durch die über den zweiten Erhitzer 22 zugeführte äußere Wärme expandiert – und zwar im Idealfall isotherm – und den Expansionskolben K21 um den Hub des zweiten Teilsystems verschiebt. Gleichzeitig wird das kalte Arbeitsgas im Kompressionszylinder 11 des ersten Teilsystems im Betrieb durch die Bewegung des Kompressionskolbens K12 um den Hub des ersten Teilsystems komprimiert – und zwar im Idealfall isotherm – durch die über den zweiten Kühler 13 abgeführte Wärme.
Auf diese isothermen Zustandsänderungen folgen die isochoren Zustandsänderungen, deren Beginn in 4a und deren Ende in 4b schematisch dargestellt ist, und mit deren Beendigung der Kreisprozess der Stirlingmaschine abgeschlossen ist.
4a zeigt den Beginn der isochoren Erwärmung des ersten Teilsystems und den Beginn der simultan ablaufenden isochoren Abkühlung des zweiten Teilsystems, und 4b zeigt den Endpunkt dieser Zustandsänderungen. Die Ventile V2 und V3 der Bypässe 31 und 32 sind geschlossen, d. h., die beiden Teilsysteme sind bezüglich des Arbeitsgases voneinander getrennt. Das Ventil V1 der Verbindungsleitungen 14 und 24 ist geöffnet ist, so dass es im Betrieb über den Gegenstrom-Wärmeübertrager 30 einen Wärmeaustausch zwischen den beiden Teilsystemen gibt. Das geschieht dadurch, dass
der Kompressionskolben K12 und der Expansionskolben K11 des ersten Teilsystems derart simultan bewegt werden, dass das kalte Arbeitsgas isochor aus dem Kompressionszylinder 11 des ersten Teilsystems durch die erste Verbindungsleitung 14 in die eine Stirnseite des Gegenstrom-Wärmeübertragers 30 und von dort über den ersten Erhitzer 12 in den Expansionszylinder 10 des ersten Teilsystems geschoben wird,
und gleichzeitig durch die simultane Bewegung des Expansionskolbens K21 und des Kompressionskolbens K22 des zweiten Teilsystems das heiße Arbeitsgas isochor aus dem Expansionszylinder 20 des zweiten Teilsystems durch die zweite Verbindungsleitung 24 in die gegenüberliegende Stirnseite des Gegenstrom-Wärmeübertragers 30 geschoben wird und von dort über den ersten Kühler 23 in den Kompressionszylinder 21 des zweiten Teilsystems, wobei das kalte Arbeitsgas des ersten Teilsystems die für seine isochore Erwärmung notwendige Wärmemenge von dem im Gegenstrom-Wärmeübertrager 30 entgegenströmenden heißen Arbeitsgas des zweiten Teilsystems dadurch erhält, dass es eine für den Gegenstrom-Wärmeübertrager 30 charakteristische, besonders enge thermische Kopplung der ersten 14 und der zweiten Verbindungsleitung 24 miteinander gibt.

Claims

Stirlingmaschine ohne das konventionelle Bauelement „Regenerator", bestehend aus einer Anzahl von zwei oder mehr Teilsystemen, die ein Arbeitsgas enthalten, und in denen bei idealem Prozessverlauf jeweils ein Stirling-Kreisprozess mit den Zustandsänderungen isotherme Kompression, isochore Erwärmung, isotherme Expansion und isochore Abkühlung durchführbar ist, gekennzeichnet dadurch, dass das erste Teilsystem derart mit dem letzten Teilsystem verbunden ist, und die übrigen Teilsysteme derart miteinander verbunden sind, dass im Betrieb das erste Teilsystem die für seine isochore Erwärmung nötige Wärmemenge über einen Gegenstrom-Wärmeübertrager von dem letzten Teilsystem erhält, das durch die Abgabe dieser Wärmemenge isochor abgekühlt wird, während die übrigen Teilsysteme dadurch isochor erwärmt werden, dass in sie das heiße Arbeitsgas des jeweils vorangestellten Teilsystems verschoben wird, und in das jeweils vorangestellte Teilsystem ihr eigenes kaltes Arbeitsgas verschoben wird, wodurch das jeweils vorangestellte Teilsystem isochor abgekühlt wird.
Stirlingmaschine nach Anspruch 1, umfassend ein erstes Teilsystem, bestehend aus einem ersten Expansionszylinder (10) mit zugehörigem Kolben (K11) und aus einem ersten Kompressionszylinder (11) mit zugehörigem Kolben (K12), und ein zweites Teilsystem, bestehend aus einem zweiten Expansionszylinder (20) mit zugehörigem Kolben (K21) und einem zweiten Kompressionszylinder (21) mit zugehörigem Kolben (K22), wobei die Volumina der Expansionszylinder (10, 20) des ersten und zweiten Teilsystems sich so zueinander verhalten, dass das Volumen des Arbeitsgases im expandierten Zustand am Ende der isothermen Expansion des ersten Teilsystems gleich dem Volumen des Arbeitsgases vor Beginn der isothermen Expansion des zweiten Teilsystems ist, und die Volumina der Kompressionszylinder (11, 21) des ersten und zweiten Teilsystems sich so zueinander verhalten, dass das Volumen des kalten Arbeitsgases im komprimierten Zustand am Ende der isothermen Kompression des zweiten Teilsystems gleich dem Volumen des kalten Arbeitsgases vor Beginn der isothermen Kompression des ersten Teilsystems ist, gekennzeichnet dadurch, dass die Gasmenge in beiden Teilsystemen gleich groß ist und das Kompressionsverhältnis des ersten Teilsystems gleich dem Kompressionsverhältnis des zweiten Teilsystems ist, wobei das Kompressionsverhältnis jeweils aus dem Verhältnis der Volumina des kalten Arbeitsgases zu Beginn und am Ende der Kompression gebildet wird, und dass der Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems durch eine erste Verbindungsleitung (14) mit einem ersten Erhitzer (12) und mit dem Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems verbunden ist, und dass der Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems durch eine zweite Verbindungsleitung (24) mit einem ersten Kühler (23) und mit dem Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems verbunden ist, wobei die beiden Verbindungsleitungen (14, 24) durch ein Ventil (V1) verschließbar sind und derart aneinander vorbeigeführt werden, dass sie einen Gegenstrom-Wärmeübertrager (30) bilden, und das Ventil (V1) nur geöffnet ist während der isochoren Erwärmung des ersten Teilsystems, bei der das kalte Arbeitsgas aus dem Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems über den Gegenstrom-Wärmeübertrager (30), wo es erwärmt wird, und den ersten Erhitzer (12) in den Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems geschoben wird, und während der simultan ablaufenden isochoren Abkühlung des zweiten Teilsystems, bei der das heiße Arbeitsgas aus dem Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems über den Gegenstrom-Wärmeübertrager (30), wo es abgekühlt wird, und den ersten Kühler (23) in den Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems geschoben wird, und dass es eine durch ein Ventil (V2) verschließbare erste Bypass-Leitung (31) gibt, die den Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems, einen zweiten Erhitzer (22) und den Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems miteinander verbindet und damit die erste Verbindungsleitung (14) und die zweite Verbindungsleitung (24) auf der Heißgas-Seite vor dem Gegenstrom-Wärmeübertrager (30) überbrückt, und dass es eine durch ein Ventil (V3) verschließbare zweite Bypass-Leitung (32) gibt, die den Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems, einen zweiten Kühler (13) und den Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems miteinander verbindet und damit die erste Verbindungsleitung (14) und die zweite Verbindungsleitung (24) auf der Kaltgas-Seite vor dem Gegenstrom-Wärmeübertrager (30) überbrückt, wobei die Ventile (V2, V3) der ersten (31) und zweiten Bypass-Leitung (32) nur geöffnet sind während der isochoren Erwärmung des zweiten Teilsystems, bei der das heiße Arbeitsgas aus dem Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystems durch die erste Bypass-Leitung (31) über den zweiten Erhitzer (22) in den Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems geschoben wird, und während der simultan ablaufenden isochoren Abkühlung des ersten Teilsystems, bei der das kalte Arbeitsgas aus dem Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems durch die zweite Bypass-Leitung (32) über den zweiten Kühler (13) in den Kompressionszylinder (11) des ersten Teilsystems geschoben wird, und der Expansionszylinder (10) des ersten Teilsystem während der isothermen Expansion des Arbeitsgases nur mit dem ersten Erhitzer (12) verbunden ist, und der Kompressionsyzylinder (11) des ersten Teilsystems während der isothermen Kompression des Arbeitsgases nur mit dem zweiten Kühler (13) verbunden ist, und der Expansionszylinder (20) des zweiten Teilsystems während der isothermen Expansion des Arbeitsgases nur mit dem zweiten Erhitzer (22) verbunden ist, und der Kompressionszylinder (21) des zweiten Teilsystems während der isothermen Kompression des Arbeitsgases nur mit dem ersten Kühler (23) verbunden ist.
Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Stirlingmaschine derart mit einem mit Gas, Heizöl oder Festbrennstoff betriebenen Heizkessel gekoppelt ist, dass sie über ihre Erhitzer von der Verbrennungswärme des Brennstoffes beheizt und über ihre Kühler vom Wasser der Heizungsanlage gekühlt wird.
Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass eine oder mehrere Stirlingmaschinen derart mit dem Abgaskanal eines Blockheizkraftwerkes gekoppelt sind, dass sie über ihre Erhitzer von dem im Abgaskanal strömenden heißen Auspuffgas beheizt werden.
Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Stirlingmaschine derart mit einem Sonnenkollektor gekoppelt ist, dass sie über ihre Erhitzer von der Wärmestrahlung der Sonne beheizt wird.
Stirlingmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die mit einer Heizquelle verbundene Stirlingmaschine derart mit einem elektrischen Strom erzeugenden Generator gekoppelt ist, dass das aus Heizquelle, Stirlingmaschine und Generator gebildete System im Betrieb Wärme in elektrische Energie umwandelt.
Stirlingsystem nach Anspruch 6 zur dezentralen Stromversorgung von Haushalten und Gehöften.