DE3333586A1

DE3333586A1 - Aussenbeheizte regenerative waerme- und arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE3333586A1
Application number: DE19833333586
Authority: DE
Inventors: Franz X. Prof. Dr.-Ing. 8000 München Eder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-09-16
Filing date: 1983-09-16
Publication date: 1985-04-11

Description

Außenbeheizte regenerative Wärme- und Arbeitsmaschine
Aus Gründen der hohen Schadstoffemission und Lärmentwicklung, welche Otto- und Dieselmotoren trotz technischer Fortentwicklung charakterisieren, richtet sich heute das Augenmerk wieder auf schon lang bekannte regenerative, geschlossene Kreisprozesse, denen die Antriebseneryie durch äußere Verbrennung von Brennstoffen aller Art zugeführt wird. Als bekanntester Vertreter eines solchen Motors gilt der Stirling-Motor, der Hochdruckhelium oder -wasserstoff als Arbeitsmedium anwendet.
Er besteht aus zwei Zylindern mit beweglichen Kolben, die um etwa 900 phasenverschoben oszillieren, und einem thermischen Regenerator, der die Arbeitsräume beider Zylinder miteinander verbindet. Mit diesen Motoren wird ein hoher thermodynamischer Wirkungsgrad (bis zu 42 t) erzielt, doch stehen einer breiten Anwendung die hohen Gestehungskosten entgegen.
Die vorliegende Erfindung basiert ebenfalls auf einem geschlossenen regenerativen Kreisprozeß, bei dem über Wärmetauscher dem Arbeitsgas die in mechanische Arbeit umzusetzende Energie mit einem Gas-oder Ulbrenner zugeführt bzw.die Kühlwärme entzogen wird. In Figur 1 ist das Schema des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Die Arbeitsmaschine besteht aus zwei zylindrischen Druckbehältern 1, 1', in denen durch die auf einer Achse sitzenden Exzenter 3, 3' die Kreiskolben 2, 2' berührungsfrei an der Innenwand entlanggeführt werden. Durch die federnden Dichtleisten 5, 6, die diametral in entsprechenden Nuten geführt werden, entstehen in jedem Zylinder zwei getrennte Arbeitsräume 27, 28 bzw.29, 30. Die oberen Arbeitsräume 27, 29 sind über die Wärmetauscher 9, 10 sowie über den thermischen Regenerator 8, die unteren Arbeitsräume 28, 30 direkt durch die Leitung 7 verbunden. An den Stirnflächen sind die Arbeitsräume gegen die Kreiskolben durch ebene Deckelflansche abgedichtet.
Entsprechend vorliegender Erfindung muß beim Betrieb als Arbeitsmaschine zwischen den Phasenwinkeln der Exzenter 3, 3' relativ zu den durch die Dichtleisten 5, 6 definierten Trennebenen eine Differenz von etwa 900 bestehen, d.h.der Exzenter 3' eilt dem Exzenter 3 um dlese Winkeldifferenz hinterer, wie aus den in Fig.1 eingetragenen Phasenwinkeln flund #2 zu ersehen ist. Bei der Drehung der Exzenter ändert sich das Volumen der abgetrennten vier Arbeitsräume 27 bis 30 periodisch und wird die eingeschlossene Gasmenge durch die Wärmetauscher 9, 10 und den Regenerator 8 bzw. über die Verbindungsleitung 7 hin- und hergeschoben. Im Wärmetauscher 9, der von einer Brennkammer umgeben ist, wird das Arbeitsgas, z.B. Helium von 50 bar mittlerem Druck, auf hohe Temperatur T2 von z.B. T2= 773 K (500 °C) gebracht. Im Kühler 10 wird es auf z.B. T1= 323 K (5000) abgekühlt. Der Regenerator 8 speichert die im Arbeitsgas enthaltene Wärmemenge, wenn dieses von 9 nach 10 geschoben wird, und gibt dieselbe Wärmemenge an das vom Kühler 10 kommende,kalte Gas auf dem Weg von 10 nach 9 wieder ab. Im stationären Zustand wird sich die im Teilvolumen 27 enthaltene Gasmenge auf der hohen Temperatur T2 und die Gasmenge im Teilvolumen 29 auf der tiefen Temperatur T1 befinden. Da die Gesamtgasmenge m in den Volumina 27, 9, 8, 10, 29 zu jedem Zeitpunkt die gleiche ist, muß sich ihr Druck p entsprechend dem idealen Gasgesetz p = m R Ti/Vi (1) ändern, wenn R die Gaskonstante und Y; die Teilvolumina bedeuten, in denen die Temperatur T. herrscht. Für die Teilvolumina 27 und 9 wird Tj=T2, für die Volumina 29 und 10 gilt Tj=T1; beim Regenerator ist Ti=(T1+T2)/2 einzusetzen. Bei einer vollen Umdrehung der Exzenterwelle liefert Gleichung (1) einen etwa sinusförmigen, periodischen Druckverlauf. In den kommunlzierenden Teilvolumina 28, 30, die zweckmäßig an einen (nicht gezeichneten) Vorratsbehälter angeschlossen sind, stellt sich ein mittlerer Gasdruck Pm ein.
Dreht sich die Exzenterwelle im Uhrzeigersinn, so erreicht der Gasdruck in den oberen Teilvolumina 27, 29 für 245O seinen Minimal-, bei etwa ¢2~225° seinen Maximalwert. Die entsprechenden Phasenwinkel des Expansionskolbens 2' betragen dann #1 = 315° bzw.1350. Da der Kolbenquerschnitt, auf den der Differenzdruck lastet, fast konstant ist, findet man das auf die Exzenter ausgeübte Drehmoment M aus der Bezlehung M = (P(¢2)- pm)A(cosf2-sin+2)e (2) Die Wärmeleistung wird der Maschine über den Hochtemperaturaustauscher 24 zugeführt, der von einer nach außen isolierten Brennkammer umgeben ist. Zur Abfuhr der bei der tieferen Temperatur T1 anfallenden Wärmeleistung dient der Röhrchenkühler 26. Zwischen beiden Austauschern befindet sich der thermische Regenerator 25, dessen Speichermasse z.B. aus Keramikkügelchen von 1 bis 2 mm Durchmesser besteht. Die Arbeitsräume unterhalb der Dichtleisten sind untereinander über die externe Leitung 16 oder intern über den Kanal 31 im Mittelflansch 15 und zusätzlich mit einem Hochdruckgasbehälter verbunden.
Anstelle des einfachen Exzenters für die Kreiskolbenführung sieht die Erfindung auch das etwas kompliziertere Hypozykloidengetriebe vor, bei dem in einem fest stehenden Innenzahnkranz ein Planetenrad mit der halben Zähnezahl durch eine Kurbel geführt wird. Der Kreiskolben wird an einem Zapfen befestigt, dessen Achse durch den Abrollkreis des Planetenrades geht und eine Gerade durch das Zentrum des Zahnkranzes beschreibt. Dementsprechend besteht die Kontur der Zylinderwand aus zwei Halbkreisbögen und zwei Geraden, deren Länge dem Kolbenhub entspricht. Von Vorteil sind bei dieser Konstruktion das größere Hubvolumen, das höhere Gasdruckverhältnis und eine bessere Wärmedämmung längs der Kolbenbahn.
Zusammenfassend läßt sich die vorliegende Erfindung als eine äußerst einfache Arbeitsmaschine charakterisieren, bei der der Vorteil der äußeren Verbrennung auf einen geschlossenen Arbeitsprozeß angewandt wird, der mit Kreiskolben anstelle von oszillierenden Kolben arbeitet und für hohe Drehzahlen besonders geeignet ist.
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Claims

Patentansprüche 1. Außenbeheizte Wärme-und Arbeitsmaschine, aus zwei gasgefullten Druckbehältern bestehend, deren Inhalt durch je einen beweglichen Kolben in zwei Teilvolumina unterteilt wird1 die paarweise über Wärmetauscher und einen thermischen Regenerator, bzw. direkt miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbehälter als Hohizylinder (1 1') ausgebildet sind, in denen mit Hilfe von Exzentern (3, 3') Kreiskolben (2, 2') an den Zylinderwänden entlang bewegt werden, wobei die Exzenter um etwa 900 gegeneinander verdreht sind und zwischen Kreiskolben und Zylinderwand in gegenüberliegender Stellung federnd geführte Dichtleisten (5, 6) angebracht sind.
2. Außenbeheizte Wärme- und Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Exzenter (3, 3') um 1800 auf der gemeinsamen Achse (4) und die durch die Dichtleisten (5, 6) definierten Trennebenen um 900 gegeneinander verdreht sind.
3. Außenbeheizte Wärme- und Arbeitsmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Arbeitsraum (27) durch den Hochtemperaturaustauscher (9), den thermischen Regenerator (8) und den Kühler (10) mit dem Arbeitsraum (29) und die anderen Arbeitsräume (28, 30) direkt verbunden sind.
4. Außenbeheizte Wärme- und Arbeitsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Maschine mechanische Arbeit entnommen wird, wenn der Kreiskolben (2') des kalten Zylinders (1') gegenüber dem Kreiskolben (2) des heissen Zylinders (1) nacheilt und bei Umkehr der Drehrichtung als Kältemaschine oder Wärmepumpe arbeitet.
Außenbeheizte Wärme- und Arbeitsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskolben (2, 2'), Zylinder (1, 1') und Stirnflansche (13, 14, 15) aus Material geringer Wärmeleitfähigkeit und hoher Oberflächengüte, wie z.B. Feinkeramik bestehen.
6. Außenbeheizte Wärme- und Arbeitsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenter als Hypozykloidengetrlebe ausgebildet sind und die Innenkontur der Arbeitsräume der Linearbewegung der Kreiskolben angepaßt sind.
7. Außenbeheizte Wärme- und Arbeitsmaschine nach den AnsprU-chen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiskolben hohl ausgebildet sind.