DE202023001898U1

DE202023001898U1 - Wärmetauscherheissluftmotor mit niedrig verdrängenden Abdeckschiebern anstelle von Verdrängerkolben

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Publication number: DE202023001898U1
Application number: DE202023001898.6U
Authority: DE
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Priority date: 2023-09-07
Filing date: 2023-09-07
Publication date: 2024-03-12
Anticipated expiration: 2033-09-08

Abstract

Wärmetauscherheissluftmotor mit niedrig verdrängenden Abdeckschiebern (9), anstelle von Verdrängerkolben, dadurch gekennzeichnet, dass sich in mindestens einer, mit dem Arbeitsgas gefüllten Kammer (6; 10), mindestens zwei großflächige, flache und gut wärmeleitende Wärmetauscherrohre (7; 8) befinden, welche jeweils das kalte und das warme Medium führen.

Description

Stand der Technik und Problem
Heissluftmotoren, die im Bereich niedriger Temperaturunterschiede arbeiten, haben naturgemäß einen geringen Wirkungsgrad. Um relevante Leistungen zu erzeugen, müssen sie große Wärmemengen verarbeiten. Sofern sie als Flachplatten-Stirlingmotoren oder ähnlich ausgeführt sind, sind die durch die Maschinen durchleitbaren Wärmemengen allerdings stark begrenzt. Außerdem verbraucht der Verdrängerkolben eines Flachplatten-Stirlingmotors relativ viel mechanische Energie, da er bei jedem Zyklus zweimal mit maximaler Angriffsfläche durch das Arbeitsgas geschoben wird.
Problemlösung und Vorteile
Der hier vorgestellte Heissluftmotor versucht diesen beiden Problemen entgegenzutreten, indem er zum einen in Form eines Wärmetauschers ausgeführt ist, um große Wärmemengen zu verarbeiten und indem zum anderen, der Verdrängerkolben in Form von mehreren Abdeckschiebern 9 ausgeführt ist. Die Abdeckschieber 9 können mit minimaler Angriffsfläche für das Arbeitsgas durch die Kammern 6; 10 geschoben werden, so dass eher zwischen kalt und warm umgeschaltet wird, anstatt das Arbeitsgas zwischen kalt und warm zu verschieben. Dadurch ist es möglich die grossen Wärmemengen im Bereich niedriger Temperaturunterschiede, die in Industrie und Natur ungenutzt vorhanden sind, direkt in mechanische- bzw. elektrische Energie zu wandeln und die Effizienz dieses Prozesses bis hin zur Wirtschaftlichkeit zu steigern. Die hier vorgestellte Bauweise mit zwei Verdrängerkammern bietet zusätzlich den Vorteil, dass sich alle beweglichen Teile komplett im Inneren der Anlage befinden. Der Arbeitszylinder 5 ist als Linearmotor ausgeführt, um die Verluste bei der Stromerzeugung weiter zu minimieren. Die Anlage kann leicht auf beliebige Grössen hochskaliert werden.
Erläuterungen zur Zeichnung
Dargestellt ist der Querschnitt durch zwei, mit einem Arbeitsgas, wie zum Beispiel Luft, gefüllte quaderförmige Kammern 6; 10. Darin sehen wir den Querschnitt von Wärmetauscherrohren 7; 8. Weiterhin dargestellt ist der Querschnitt durch die, horizontal nach links und rechts beweglichen, Abdeckschieber 9 mit Regeneratorfunktion 12; 13. Sie bestehen aus Profilleisten, die aus einem wärmeisolierenden Material, wie zum Beispiel Styropor, bestehen, die an den temporären Kontaktflächen zu den Wärmetauscherrohren mit einem wärmeleitenden Material mit grosser Oberfläche, wie zum Beispiel Kupferwolle, den Wärmeleitern 13, beschichtet ist, um die Kontaktoberfläche zum Arbeitsgas zu maximieren.
Im Übergangsbereich zwischen der kalten und der warmen Kontaktfläche enthält der Abdeckschieber 9 einen Regenerator 12, in Form eines, mit zum Beispiel Kupferwolle gefüllten Durchlasses.
Im oberen Bereich der Darstellung befinden sich die Anschlüsse für den Wärme- und Kältekreislauf 1; 2 sowie der Arbeitszylinder 5 in Form eines Linearmotors mit einem Permanentmagneten als Arbeitskolben 3. Um den Arbeitskolben 3 herum befinden sich die Generatorspulen 4, die den Ertrag, in Form von elektrischer Energie, liefern.
Figur 1: Takt 1 (Expansion in Kammer 2)
Es ist zu sehen, dass die Abdeckschieber 9 in der linken Kammer 10 die kalten Rohre 8 freigelegt haben, so dass die kalten Wärmeleiter 13 auch frei liegen, was die kalte Oberfläche in der linken Kammer 10 maximiert.
Die warmen Wärmetauscherrohre 7; 8, zusammen mit den warmen Wärmeleitern 13, sind eingeschlossen. Es entsteht ein, durch Abkühlung der linken Kammer 10 hervorgerufener, Unterdruck.
In der rechten Kammer 6, sehen wir die umgekehrte Situation. Die warmen Wärmetauscherrohre 7 und die zugehörigen Wärmeleiter 13 liegen frei, währenddessen die kalten Wärmetauscherrohre 8 und die zugehörigen Wärmeleiter 13, eingeschlossen sind. Es entsteht ein, durch Erwärmung der rechten Kammer 6 hervorgerufener, Überdruck.
Der Arbeitskolben 3 bewegt sich nach links.
Figur 2: Takt 2 (Expansion in Kammer 1)
Wir sehen die komplementäre Situation zum Takt 1.
Die linke Kammer 10 steht unter dem Einfluss der warmen Wärmetauscherrohre 7 und Wärmeleiter 13, währenddessen die rechte Kammer 6 unter dem Einfluss der kalten Wärmetauscherrohre 8 und Wärmeleiter 13 steht. In der linken Kammer 10 bildet sich ein Überdruck und in der rechten Kammer 6 ein Unterdruck. Der Arbeitskolben 3 bewegt sich nach rechts.
Der Kreisprozess beginnt nun von vorne. Die beiden Takte wechseln sich ab, indem sich die Abdeckschieber 9 periodisch und gegenläufig nach links und rechts bewegen.
Figur 3: Abdeckschieber
Abgebildet ist ein Querschnitt durch einen Abdecktschieber.
Die Abdecktschieber bestehen aus einem wärmeisolierenden Material, wie zum Beispiel Styropor 11. An den Kontaktflächen zu den Wärmetauscherrohren sind Sie mit Wärmeleitern 13 aus einem gut wärmeleitenden Material, wie zum Beispiel Kupfer, beschichtet. Der Bereich zwischen den Wärmetauscherrohren enthält einen Regenerator 12. Er besteht zum Beispiel aus einem, mit Kupferwolle gefüllten, Durchlass.
Bezugszeichenliste

1: Vor- und Rücklauf für Warmwasser
2: Vor- und Rücklauf für Kaltwasser
3: Arbeitskolben, bestehend aus einem Permanentmagneten
4: Spule
5: Arbeitszylinder
6: rechte Kammer
7: Wärmetauscherrohre (warm)
8: Wärmetauscherrohre (kalt)
9: Abdeckschieber mit Regeneratorfunktion
10: linke Kammer
11: Styroporkörper
12: Regenerator
13: Wärmeleiter

Claims

Wärmetauscherheissluftmotor mit niedrig verdrängenden Abdeckschiebern (9), anstelle von Verdrängerkolben, dadurch gekennzeichnet, dass sich in mindestens einer, mit dem Arbeitsgas gefüllten Kammer (6; 10), mindestens zwei großflächige, flache und gut wärmeleitende Wärmetauscherrohre (7; 8) befinden, welche jeweils das kalte und das warme Medium führen.
Wärmetauscherheissluftmotor mit niedrig verdrängenden Abdeckschiebern (9), anstelle von Verdrängerkolben, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt des Arbeitsgases zum kalten und warmen Medium von abdeckenden, registerartigen, schlecht wärmeleitenden Schalterklappen, den Abdeckschiebern (9) reguliert wird, die, im Gegensatz zu den herkömmlichen Verdrängerkolben eines Flachplattenstirlingmotors, in Richtung ihrer minimalen Angriffsfläche für das Arbeitsgas, verschoben werden.
Wärmetauscherheissluftmotor mit niedrig verdrängenden Abdeckschiebern (9), anstelle von Verdrängerkolben, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät in abgeschlossener Bauweise ausgeführt ist, so dass keine beweglichen Bauteile sichtbar sind und es als Schnittstellen lediglich einen Vor- und Rücklauf für Kalt- und Warmwasser (2; 1) und einen Stromausgang (4) besitzt.