DE3220071A1 - Durch waermezufuhr direkt betriebener gasverdichter - Google Patents

Durch waermezufuhr direkt betriebener gasverdichter

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DE3220071A1 DE19823220071 DE3220071A DE3220071A1 DE 3220071 A1 DE3220071 A1 DE 3220071A1 DE 19823220071 DE19823220071 DE 19823220071 DE 3220071 A DE3220071 A DE 3220071A DE 3220071 A1 DE3220071 A1 DE 3220071A1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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Description

Patentanmeldung
Durch Wärmezufuhr direkt betriebener Gasverdichter
.·. Die Erfindung bezieht sich auf einen thermodynami sehen Kreisprozeß, durch den das Arbeitsmedium lediglich durch Wärmezufuhr
periodisch auf .einen höheren Druck gebracht wird. Diese Aufgabe wird gewöhnlich von einem Kolbenkompressor ausgeführt, der
von einem Elektromotor oder einer Wärmekraftmaschine angetrieben wird. Es gibt jedoch Anwendungsgebiete, für die eine Verunreinigung des zu verdichtenden Gases beim konventionellen Komressor durch öldämpfe nicht toleriert werden kann oder die begrenzte Lebensdauer von Trocken!aufkompressoren als Nachteil betrachtet wird.
Beide Nachteile vermeidet die vorliegende Erfindung, deren Funktion in der Figur 1 näher erläutert wird. Im Zylinder 1 befindet sich ein Verdrängerkolben 2, der über die Druckdicht
durch den Zylinderboden geführte Kolbenstange durch einen Kurbeitrieb sinusförmig zwischen dem oberen und unteren Totpunkt
bewegt wird. Die beiden, durch den am kalten Ende mit einem 0-Ririg abgedichteten Verdränger abgeteilten Arbeitsräume 3 und 4 sind über den thermischen Regenerator 5 miteinander verbunden, so daß - abgesehen von dynamischen Druckverlusten - in 3 und 4 gleicher Druck des Arbeitsgases herrscht, das z.B. Heliumgas
von 10 bis 100 bar' Druck sein kann. Ober den symbolisch angef
deuteten Wärmetauscher 6 wird dem oberen Arbeitsraum 3 die Wärmemenge Qp bei der Temperatur T2 zugeführt, während im Kühler das dem Regenerator 5 bei abwärts bewegtem Verdränger 7ugeführte Gas durch Abfuhr der Kühlwärme Q bei der Temperatur T gekühlt wird. Im stationären Zustand wird sich zwischen den Enden des thermischen Regenerators 5 ein Temperaturgefälle T~-T
einstellen, der Gasdruck im ganzen System jedoch periodisch
schwanken.
Diese periodische Druckänderung resultiert aus der Erhaltung der gesamten Gasmasse m, die sich entsprechend der Beziehung
m = p/R I V^T., (1)
in der ρ der Gasdruck und R die Gaskonstante bedeuten, aus dem für jedes Teilvolumen V. und der darin herrschenden Temperatur T- zu berechnendem Term zusammensetzt. Da m konstant bleibt,
tr»·· «
hängt der Druck ρ nur davon ab, ob sich bei veränderlichen Volumina 3 und 4 die Gasmasse in 3 bei hoher Temperatur T? (großer Druck p1 ) oder in 4 bei niedriger Temperatur T (kleiner Druck p") konzentriert. Enthielten die Wärmetauscher 6, 7 und der Regenerator 5 kein Totvolurnen, so würde sich der maximale zum minimalen Systenidruck wie
Pmax/Pmin= VTo <2>
verhalten. Sieht man von thermodynamischen und Strömungsverl usteri ab, so wird zwar bei diesem Prozeß - wie in einer elastisch gespannten und wieder entlasteten Feder - eine Druckschwingung erzeugt, aber keine Arbeit geleistet.
Diesem Prozeß kann eine Verdichtunosarbeit nach dem in Figur 2 gezeigtem Prinzip entnommen werden. Der untere Arbeitsraum 4 des Zylinders 1 ist über die Rückschlagventile 8 und 9 mit den Gasdrunkbehältern 10 und 11 verbunden, deren Gasdruck unterschiedlich ist. An die Gaspuffer 10 und 11 ist z.B. eine Arbeitsmaschine 12 (KoIbenexpansionsmaschine, Turbine) angeschlossen, die das Druckgefälle (p'~P") in die mechanische Leistung
P = (p'-p")V (3)
umsetzt, wenn V das durchgesetzte Gasvolumen pro Sekunde ist. Befindet sich der Verdrängerkolben 2 in oer Nähe des unteren Totpunkts, entsteht im Arbeitszylinder ein hoher Druck p1, der •das Rückschlagventil 3 solange geöffnet hält, bis der Druckbehälter 10 auf diesen Wert aufgepumpt ist. Am oberen Totpunkt von 2 wird der Mi niinal druck p" des Systems erreicht und wird aus dem Druckbehälter 11 über das Rückschlagventil 9 Gas in den Zylinder 1 bis zum Druckausgleich strömen. Infolge des Gasdurchsatzes in der Maschine 12 stellt sich das Druckgefälle (p'-p") selbsttätig ein; sein Grenzwert ist durch Gleichung (2) gegeben.
Weitere Anwendungen des Erfindungsgedankens werden in den Ansprüchen 19 bis 23 aufgeführt und später erläutert.
Der große Vorteil der vorliegender. Erfindung wird im Beispiel der Figur 2 deutlich: Arbeitszylinder 1 mit Verdränger 2 und Regenerator 5 stellen einen thermischen Kompressor dar, der frei von Verunreinigungen des Arbeitsmediums durch Schmiermittel arbeitet und dessen einziger beweglicher Maschinenteil im Idealfall kraftfrei im Zylinder hin- und hergleitet. Diese Besonder-
heit des hermetisch geschlossenen Verdichters garantiert eine außergewöhnlich hohe Betriebsicherheit und Lebensdauer.
Erfindungsgemäß wird daher beansprucht, daß der Erfindungsgegenstand auf Kälteanlagen und Wärmepumpen angewandt wird, bei denen eine hohe Lebensdauer und betriebliche Zuverlässigkeit eine wichtige Voraussetzung darstellen.
Volumetrische Leistung und Wirkungsgrad bzw.Leistungsziffer der an den thermischen Verdichter anzuschließenden Kälteanlagen, Wärmepumpen und Kraftmaschinen hängen von der Höhe der Druckamplitude (p'-p")/2, d.h .unmittelbar von den Betriebstemperaturen T2 im Austauscher 6 bzw.T im Kühler 7 (Fig.l) ab und nehmen stark mit der Temperatur T2 zu, mit der dem oberen Arbeitsraum 3 die Antriebsleistung Q? zugeführt wird. Die vorliegenden Erfindungsvorschläge konzentrieren sich auf technische Möglichkeiten, dem oberen Arbeitsraum 3 die Antriebsleistung bei möglichst hoher Temperatur T7 und verlustarm zuzuführen, Wärmeverluste in diesem Maschinenteil zu reduzieren und spezielle Bauformen für den thermischen Regenerator 5 anzugeben.
In Figur 3 ist ein konstruktives Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens im Schnitt dargestellt. Der Druckzylinder 13 aus einer warmfesten Metallegierung besitzt einen Zylinderkopf in Form einer Halbkugel oder Korbbodens und ist mit seinem unteren kalten Flansch am Wärmetauscher 14 befestigt und mit dem O-Ring 15 abgedichtet. Der Wärmetauscher 14 besteht z.B. aus dem von Wasser durchströmten ringförmigen Gehäuse und enthält sehr viele Röhrchen kleinen Durchmessers, in denen das vom Regenerator austretende Arbeitsgas auf der Temperatur T gehalten wird. Die geschliffene zylindrische Innenwand 16 des Austauschers stellt gleichzeitig die Lauffläche für die Laufbüchse 17 des Verdrängerkolbens 18 dar, die als dynamische Dichtungselemente Labyrinthnuten besitzt. Erfindungsgemäß wird der halbkugelige obere Arbeitsraum des Zylinders 13 konzentrisch von einem halbkugeligen Diaphragma- oder Strahlungsgasbrenner 20 umfaßt. Dieser besteht aus dem z.B. Zirkonoxid enthaltenden keramischer Diaphragma 19, an dessen dem Zylinderkopf zugewandter Oberfläche das durch die Brennerdüse 21 zugeführte Gas-Luft-Gemisch in Form Vieler kleiner nichtleuchtender Fla'mmchen verbrennt und sie zum Glühen bringt. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung sind erfindungsgemäß metallische Stege oder Kegel 22 außen am Zylinder-
.: Λ.γ
kopf aufgeschweißt, um neben der Strahlungsenergie auch die in den Verbrennungsgasen enthaltene Enthalpie nutzen zu können. Die warmen Abgase werden in einem Blechmantel 23 außerhalb des Brenners 20 zurückgeführt und zum Vorwärmen der Verbrennungsluft ausgenutzt.
Auf der Innenseite des halbkugelförmigen Zylinderkopfes sind erfindungsgemäß metallische Stege oder Rippen 24 aufgeschweißt oder durchgenietet und wird das Arbeitsgas durch die halbkugelige Leitfläche 25 aus keramischem Material gezwungen, den Weg vom Innenraum oberhalb des Verdrängerkolbens 18 zum thermischen Regenerator 26 dicht an der Innenfläche des Zylinderkopfes zu nehmen.
Erfindungsgemäß besteht der thermische Regenerator 26 aus eignem Ringebhäl ter aus v/ärmeisol ierendem porösem keramischem oder glasartigem Material, dessen Innenwand 27 gleichzeitig den Arbeitszylinder darstellt, in dem der aus dem selben Material gefertigte Verdrängerkol beri 18 hin-und hergleitet.- Die Außenwan- ^dung 28 des Regenerators 26 besteht ebenfalls aus keramischem oder glasartigem Material und bildet gleichzeitig die Wärmeisolationsschicht zum Außenmantel 13. Als Speicherfüllung für den Regenerator 26 wird erfindungsgemäß keramisches oder glasartiges Material in Form kleiner Kügelchen vom gleichen Durchmesser (0,5 bis 2 mm) oder von ringförmigen, gestapelten Einsätzen mit vielen dünnen Kanälen in Durchsrömungsrichtung verwendet.
Um etwaigen Oberflächenabrieb der Kugel schüttung zu verhindern, v/erden die Kügelchc'i vor dem Einfüllen in den Ringbehälter in eine Glasurlösung -getaucht und im gefüllten Regenerator so hoch erhitzt, daß sie untereinander und mit den Behälterwänden 27 und 28 dauernd haften..
Ein zusätzliches Erfindun^smerkmal des beschriebenen thermischen Gasverdichters bezieh, -n'ch auf verschiedene Möglichkeiten des Antriebs für den Verdrängerkolben, bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform wird die Kolbenstange druckdicht durch den Zylinderboden geführt und könnten aus dem Kurbelgehäuse Dldämpfe in den Arbeitsprozeß gelangen. Diese Gefahr wird bei der in Figur 4 dargestellten Konstruktion vollkommen gebannt.
Erfindungsgemäß wird die Kolbenstange 29 des Verdrängers 17, 18 in dem unten verschlossenen Rohr 30 aus unmagnetischem und elektrisch isolierendem Werkstoff geführt, das den Arbeitszylin-
-F-
der hermetisch gegen das Antriebsgehäuse abschließt. Zur Kraftübertragung ist ein Abschnitt de'r Kolbenstange als zylindrischer Eisenanker 31 ausgebildet, der von einem permanentmagnetischen Joch außerhalb des Rohrs 30 umgeben ist. Dieses Joch besteht z.B. aus den E.isenringen 32, 33 und dem axial magnetisierten Permanentmagneten 34, dessen magnetischen Kraftlinien das Rohr 30 durchsetzen und über den Anker 31. geschlossen werden. Die Eisenringe 32, 33 und der Magnetring 34 v/erden von einer unmagnetisehen Buchse 35 zusammengehalten, deren Außenfläche in einer öl geschmierten Laufbuchse 36 axial geführt wird.
über das Doppelpleuel 37 wird die Laufbuchse ZL von der Kurbelwelle 38 in sinusförmige Bewegung versetzt und infolge,des magnetischen Kraftschlußes auch die Kolbenstange 29 und der^Verdränger zwischen den Totpunkten ihrer oszillierenden Bewegung hin- und hergeschoben. Der Erfindungsgedanke stellt zusätzlich eine Sicherheitsvorrichtung dar, welche bei übermäßiger Kolbenreibung oder im Falle einer Kolbenhemmung die Kolbenstange freigibt.
Durch Koppeln des thermischen Kompressors mit einer regenerativen Kältemaschine, wie sie von McHahon und Gifford angegeben wurde, kann eine leistungsfähige Tieftemperaturerzeuguhg erzielt werden, deren Lebensdauer viel höher als die mit konventionellen Kompressoren betriebenen Anlagen ist.

Claims (1)

  1. • ft § ♦ * - · * · ■
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    ■ · ν · n ■ ■ t · m >*r «to*»
    Patentansprüche
    !.Periodisch arbeitende Maschine, bei welcher das in einem Drucki
    zylinder eingeschlossene Arbeitsgas unmittelbar durch Wärmezufuhr von außen verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in besagtem Zylinder durch einen Verdrängerkolben zwei Arbeitsräume abgeteilt werden, die über einen thermischen Regenerator miteinander verbunden sind und von denen der eine durch Beheizung auf hohe Gastemperatur gebracht und der andere durch einen Wärmetauscher auf niedriger Gastemperatur gehalten wird, wodurch sich der Gasdruck im Rythmus der Kolbenbewegung periodisch vervI 10 ,,.ändert.
    2. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben mechanisch über eine Kurbelwelle und Pleuel oder durch eine Kurbelschleife angetrieben wird.
    3. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben über .eine druckdicht durch den Zylinderboden geführte Kolbenstange durch eine pneumatische oder hydraulische Vorrichtung periodisch zwischen den Totpunkten bewegt wird.
    '4. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach Anspruch 1, dadurch geknnzeichnet, daß der Verdrängerkolben mit Hilfe einer Tauchspule in einem ringförmigen permanenten Magnetfeld oder elektrodynamisch mit Hilfe eines zylindersymmetrischen Linearantriebes hin- und herbewegt wird.
    5. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Kolbenstange teilweise aus ferro- oder pormanentmagnetischen Kreisringen oder -scheiben besteht und in einem am Zylinderboden befestigten, unten verschlossenen, elektrisch nichtleitenden Rohr geführt und durch einen das Führungsrohr umfassenden Ringmagneten, der analog den Ansprüchen 2 bis 4 in harmonische Linearbewegung gebracht wird, zwischen den Totpunkten hin- und herbewegt wird. 6. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Regenerator aus einer dichten Schüttung von kleinen kompakten oder hohlen Kügelchen gleichen Durchmessers aus schlecht wärmeleitendem Material besteht, die in ein doppelwandiges Gehäuse aus ' · ';
    schlecht wärmeleitendem Material eingebracht sind.
    7. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 6» dadurch gekennzeichnet, daß besagte Kügelchen und Gehäuse aus keramischem oder glasartigem Material bestehen, vor dem Einfüllen mit Glasurflüssigkeit überzogen und danach gemeinsam bei Glasurtemperatur gebrannt werden.
    8. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Regenerator aus keramischem Material hergestellt wird und eine große Anzahl durchgehender feiner Verbindungskanäle in Achsrichtung enthält.
    9. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den ν ^Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Regenerator aus vielen Übereinander geschichteten ringförmigen, 'mit axialen Verbindungskanälen versehenen Keramik- oder Glaseinsätzeniin einem dickwandigen Gehäuse aus dem selben Material besteht.
    10. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den .. Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Innenfläche des Regeneratorgehäuses gleichzeitig die Begrenzung des gesamten ZyI i ndervol iimens darstel 11, . in dem sich der Ver-•tfrängerkol ben bewegt.
    11. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den !Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der obere, heisse 'Arbeitsraum durch eine temperaturbeständige, schlecht wärmeleitende Isolationsschicht aus z.B. porigem Keramik- oder Glasmaterial ausgekleidet ist.
    12. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem oberen, heissen Arbeitsraum die Wärmeenergie durch einen ül-oder Gasbrenner zugeführt wird, dessen Verbrennungsgase das in einem Bündel aus hochtemperaturbestänriigen Stahlrohren strömende Arbeitsgas erwärmen, und besagtes Bündel aus U-förmig gebogenen Einzelronren kleinen Innendurchmessers besteht, deren Enden den oberen heissen Arbeitsraum mit dem ringförmigen Samrnelkanal am warmen Regeneratorende verbinden.
    13. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem oberen Arbeitsraum die Wärmeenergie in Form Joulescher Wärme mittels einer von
    Strom durchf1ossenen Heizwicklung zugeführt wird. J)
    14. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Jl Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf aus temperaturbeständigem legierten Stahl und geringer Waridstärke halbkugelförmig ausgebildet und mit dem Zylindermantel
    verschweißt ist.
    15. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwekke der Wärmezufuhr der halbkugelförmige Zylinderkopf nach An-
    Spruch 14 von einem diesen konzentrisch umfassenden Diaphragmaoder Strahlungsbrenner beheizt wird, dessen Keramikoberfläche
    durch sehr viele nichtleuchtende Flämmchen glüht.
    16. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 11, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß der halt kugelförmige Zylinderkopf innen und außen mit stäbchen- oder streifenförmigen Ansätzen oder Rippen aus Ketal I versehen ist.
    17. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 11, 14 bis IG, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Verdängerkolben geförderte Arbeitsgas durch einen konzentrisehen halbkugelförmigen Einsatz innerhalb des ZyIinderkopfes zu einem intensiven Wärmeaustausch mit diesem gezwungen wird.
    18. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 17S dadurch gekennzeichnets daß der untere Arbeitsraum über zwei durch Rückschlagventile in unterschiedli-
    ch&r Richtung abgesicherte Rohrleitungen mit je einem Gasbehälter von unterschiedlichem Druck verbunden ist.
    18. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Arbeitsraum mit einem Arbeitszylinder verbunden ist, dessen Ar-
    beitskolben synchron, jedoch mit 90° Phasennachei1ung gegenüber dem Verdrängerkolben des Gasverdichters zwangsgeführt wird.
    20. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Arbeitsraum des Verdichterzylinders in Verbindung mit dem unteren Arbeitsraum eines zweiten als Wärmepumpe oder Kältemaschine arbeitenden Zylinders steht, der durch einen zweiten, gegenüber dem ersten periodisch, jedoch phasenverschoben bewegten Verdrängerkolben in zwei Arbeitsräume unterteilt wird, die durch einen
    thermischen Regenerator und Wärmetauscher verbunden sind.
    21. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mit besagten Gasbehältern unterschiedlichen Druckes nach Anspruch 18 eine regenerative Kältemaschine nach dem von McMahon und Gifford angegebenen Prinzip betrieben wird.
    22. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß von besagten Gasbehältern derjenige mit höherem Druck ein großes Speichervolumen besitzt.
    23. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß einer der in Anspruch 18 angeführten Gasbehälter durch das hermetisch dichte Kurbel- oder Aritriebsgehäuse gebildet wird.
    24. Direkt durch Wärmezufuhr betriebener Gasverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben hohl ausgebildet ist und aus porösem keramischem oder glasartigem Material besteht.
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