DE3403481A1 - Thermischer kompressor - Google Patents

Thermischer kompressor

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DE3403481A1 DE19843403481 DE3403481A DE3403481A1 DE 3403481 A1 DE3403481 A1 DE 3403481A1 DE 19843403481 DE19843403481 DE 19843403481 DE 3403481 A DE3403481 A DE 3403481A DE 3403481 A1 DE3403481 A1 DE 3403481A1
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Franz X. Prof. Dr.-Ing. 8000 München Eder
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

  • THERMISCHER KOMPRESSOR
  • Es sind Verfahren zur Verdichtung von gasförmigen und flüssigen Medien bekannt, bei denen im Unterschied zum mechanisch angetriebenen Kolben- oder Rotationskompressor durch Wärmezufuhr in einem geschlossenen mit Gas oder Dampf betriebenen Kreisprozeß das Arbeitsmedium verdichtet werden kann. Diesen Verdichtern wird die Antriebsenergie nicht in Form mechanischer Leistung sondern unmittelbar als Verbrennungswärme eines gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffs zugeführt, die über einen Wärmetauscher in den Kreisprozeß eingekoppelt wird. Den gleichen Zweck verfolgen zwar die von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Kolben- oder Rotationsverdichter, jedoch mit dem Unterschied, daß dieser mit einer inneren Verbrennung des Brennstoffs, d.h. mit hoher Schadstoffemission arbeitet, während bei einer äußeren Verbrennung in einer Brennkammer nur etwa ein Zehntel der Schadstoffe bei gleicher Wärmeleistung emittiert wird.
  • Zur Erläuterung des geschlossenen Verdichtungsprozesses ist in Fig.1 dessen Schema angegeben. Die Komponenten dieses Verdichters werden vom Arbeitszylinder 1, dem Verdrängerkolben 2, dem Wärmetauscher 3 in der Brennkammer 4, dem thermischen Regenerator 5 und dem Kühler 6 gebildet. Durch eine Antriebsvorrichtung 7, die aus einer Kurbelwelle mit Pleuel, einer pneumatischen oder hydraulischen Vorrichtung oder einem elektrodynamischen Linearmotor bestehen kann, wird der Verdrängerkolben 2 periodisch zwischen seinen Endlagen auf- und abbewegt. Bei geschlossenem Ventil 8 stellt diese Anordnung ein abgeschlossenes System dar, das mit einem gas-oder dampfförmigen Arbeitsmedium, z.B. mit .Helium, von hohem Druck gefüllt ist. Durch den auf-und abbewegten Verdrängerkolben, der an seinem Fuß durch Kolbenringe 9 gegen die Zylinderlauffläche abgeeichtet ist, wird das Arbeitsgas über die Wärmetauscher 3, 6 und den thermischen Regenerator 5 zwischen dem oberen Arbeitsvolumen 10, in dem die hohe Temperatur T2 des Wärmetauschers 3 herrscht, und dem unteren Arbeitsvolumen 11 mit der Temperatur To des Kühlers 6 periodisch hin- und hergeschoben. Im thermischen Regenerator 5 stellt sich im stationären Zustand ein Temperaturgefälle zwischen T2 und To ein.
  • In der oberen Totpunktlage des Verdrängerkolbens 2 befindet sich die Hauptmenge des Arbeitsgases im unteren, kalten Arbeitsvolumen 11 und wird nach dem idealen Gasgesetz, wonach der Gasdruck p proportional zur Temperatur T ist, der Druck des Arbeitsgases seinen Tiefstwert Pmln in erreichen. In der unteren Totpunktstellung von 2 befindet sich die Hauptmenge des Arbeitsgases im oberen Arbeitsvolumen 10 mit der hohen Temperatur T2 und nimmt den relativ hohen Druck an. Da der Gasdruck - abgesehen von den geringen Druckdifferenzen infolge der Strömungswiderstände in den Wärmetauschern 3 und 6 sowie im Regenerator 5 - in der gesamten Anlage überall derselbe ist, wird sich der Arbeitsdruck bei periodisch auf-und abbewegtem Verdränger etwa sinusförmig ändern. Die Druckamplitude Pma%-pmjn zu hängt von den Temperaturen T0 und T2 sowie von den Totvolumina der Wärmetauscher und des Regenerators ab.
  • Es sind Vorschläge bekannt, den periodischen Druckverlauf (mit einem Verhältnis pmax/pmin= 2:1 und mehr!) durch zwei Rückschlagventile mit unterschiedlicher Durchlaßrichtung "gleichzurichten" und zwei Druckpuffer auf unterschiedliche Gasdrücke aufzuladen. Diese Vorrichtung entspricht einem Gasverdichter mit zwei Druckreservoirs, deren Druckdifferenz entweder mit bekannten Mitteln in mechanische Arbeit umgewandelt oder in einem angekoppelten zweiten thermodynamischen Regenerativprozeß zur Kälteerzeugung genutzt werden kann.
  • Ein weiterer Vorschlag zur Nutzung der periodischen Druckänderung im Arbeitszylinder ist in Fig.1 näher erläutert. Bei geöffnetem Ventil 8 wird das untere Arbeitsvolumen 11 mit einem Druckübertrager 12 verbunden, der durch die elastische Membran 13 in die Arbeitsräume 14 und 15 geteilt ist, in denen immer gleicher Druck herrscht. Die Kammer 15 ist über die Rückschlagventile 16, 17 mit den bereits erwähnten Druckreservoirs verbunden; Kammer und Druckpuffer können mit einem beliebigen gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmedium gefüllt sein. Die periodischen Druckänderungen werden Uber die Membranl3 auf den Inhalt der Kammer 15 über tragen und bewirken, daß in den angeschlossenen Druckreservoirs das Arbeitsmedium, wie z.B. Hydrauliköl, auf unterschiedlichen DrUcken gehalten werden. Die erzeugten Druckdifferenz hängt u.a.von den Betriebstemperaturen To, T2 ab und kann mit bekannten Mitteln, wie z.B. durch einen hydraulischen Kolbenmotor, in mechanische Arbeit umgewandelt werden.
  • Bei der praktischen Ausführung der in Fig.1 gezeigten Anordnung treten eine Reihe schwerwiegender Verlustquellen auf, welche die Effektivität, d.h. den thermodynamischen Wirkungsgrad bei der Umwandlung der zugeführten Wärmeenergie in Verdichtungsarbeit beeinträchtigen. Vor allem bewirken die bei der Obertragung der Verbrennungswärme auf den Wärmeaustauscher 3 in der Brennkammer und im Kühler 6 auftretenden Temperaturdifferenzen eine Verringerung des idealen thermodynamischen Wirkungsgrades für die Umwandlung der zugeführten Wärmemenge Q2 in die Verdichtungsarbeit W tun = W/Q = (T2-To)/T2 . (1) Treten an den Wärmetauschern 3 und 6 zwischen dem Arbeitsgas und den Austauschflächen die Temperaturdifferenzen hT2 bzw. ATo auf, so muß Gl.(1) durch die Beziehung n = (T2-AT2-To+ATo)/(T2-T2) (2) ersetzt werden, welche einen kleineren Wert im Vergleich zum IdealprozeD liefert.
  • Eine weitere Verlustursache stellen die thermischen Isolationsverluste des außerhalb des Arbeitszylinders angebrachten Wärmetauschers 3 und des Regenerators 5 dar, deren Obertemperatur T2-To beträgt. Die dadurch bewirkten Konvektions-und Strahlungsverluste lassen sich bei der in Fig.1 gezeigten Ausführungsform nur durch aufwendige und voluminöse Isoliermäntel verringern.
  • Schließlich wirken sich die Totvolumina der Wärmetauscher 3, 6, des thermischen Regenerators 5 und ihrer Ve.rt.indunqs- leitungen untereinander und mit dem ArbeitszylinderAaus, da das bei vorgegebenen Temperaturen T2, T0 erzeugte Druckverhältnis PmaXtpmin und damit die pro Volumeneinheit des Zylin- ders bezogene Verdichtungsarbeit stark mit den Totvolumina abnimmt.
  • Der Erfindungsgegenstand basiert auf dem beschriebenen Arbeitsschema, weist jedoch gegenüber dem Bekannten neuartige Merkmale auf, welche die angeführten Nachteile vermeiden. In Fig.2 ist das Prinzip des Erfindungsgegenstandes an einem Beispiel erläutert.
  • Der Arbeitszylinder 18 verbindet druckfest und gasdicht den Zylinderkopf 19 mit dem Kühlerfuß 20 und ist innen mit dem Hohlzylinder 2i aus wärmeisolierendem Material hoher Druckfestigkeit, z.B. Keramik ausgekleidet. In seinem Innern befindet sich der Verdrängerkolben 22, der über die druckdicht durch den Zylinderfuß 20 geführte Kolbenstange 23 von der Antriebsvorrichtung 24 periodisch zwischen seinen Endlagen auf- und abbewegt wird. Zwischen Verdrängerkolben 22 und Auskleidung 21 verbleibt einGasspalt von 0.1 bis 0.2 mm; die gegenseitige Abdichtung wird durch den Kolbenring 41 aus abriebfestem Kunststoff bewirkt.
  • Der Verdränger 22 enthält den zentrisch eingebauten thermischen Regenerator 25, der nach außen durch den Hohlzylinder 26 aus wärmeisolierendem Material gegen Wärmeverluste geschützt ist. Ober- und Unterteil (27, 28) des Verdrängers bestehen aus ebenen oder zylindrischen Wärmeaustauschflächen, die mit den korrespondierenden Austauschflächen (29,30) je einen Spaltstromwärmetauscher für die Obertragung der Antriebs- bzw.Kühlleistung auf das Arbeitsmedium darstellen.
  • Die Freiräume 31, 32 zwischen den feststehenden und den auf dem Verdrängerkolben befestigten Austauschflächen bilden die in Fig.1 gekennzeichneten Arbeitsvolumina 10, 11, welche durch die Bohrungen 33, 34 mit dem Regenerator 25 kommunizieren.
  • Während des Aufwärtstaktes des Verdrängers 22 verringert sich das obere Arbeitsvolumen 32, während der untere Arbeitsraum 31 im selben Maße abnimmt. Das in 32 enthaltene Arbeitsgas von hoher Temperatur wird dabei durch den Regenerator geschoben und strömt in das untere Teilvolumen 31, wobei es gezwungen wird, durch die engen Gasspalte zwischen den festen (29, 30) und bewegten Austauschflächen (27, 28) mit einer relativ hohen Gasgeschwindigkeit zu strömen. Da die Aus tauschflächen erfindungsgemß aus sehr gut wärmeleitenden Metallen, wie Kupfer, Aluminium oder Silber bestehen und infolge der Spaltströmung eine hohe Wärmeübergangszahl zustandekommt, treten zwischen den bewegten und feststehenden Austauschflächen nur relativ kleine Temperaturdifferenzen aTo undhT2 auf. Dem Fachmann ist klar, daß durch Optimieren von Dicke, Anzahl und gegenseitigem Abstand der Austauschflächen die Wärmeübertragung bei minimalem Temperatursprung und einem noch tolerablen Strömungswiderstand erzielt werden kann.
  • Ein weiteres Erfindungsmerkmal betrifft die Konstruktion der Zylinderabschlüsse: Der Zylinderfuß 20 enthält neben den feststehenden Austauschflächen 29 seitliche und untere Kühlrippen 35, die von einem Kühlmantel 36 umgeben und von Wasser gekühlt sind. In den Zylinderkopf 19 mit seinen feststehenden Austauschflächen 30 ist die Brennkammer 37 integriert, die mit Innenrippen 38 zur besseren Wärmeaufnahme aus der Brennzone des Gas- oder Ulbrenners 39 ausgekleidet ist. Infolge der guten Wärmeleitung der aus einem Stück gefertigten Brennkammer-Spaltstromaustauscher-Kombination entsprechend dem Erfindungsmerkmal wird eine effektive Obertragung der zugeführten Heizenergie an das Arbeitsmedium garantiert. Analoges gilt für den Kühler 20 und die Abfuhr der Kühlwärme. Um geringe Druckdifferenzen zwischen benachbarten Ringkammern der Spaltstromwärmetauscher zu verhindern, sind radiale Bohrungen 40 angebracht.
  • Wie bei der Ausführung nach Fig.1 ist der untere Arbeitsraum 31 mit einem Druckübertrager 42 verbunden, dessen Druckräume 43 und 44 durch die elastische Membran 45 hermetisch getrennt sind. Während der Druckraum 43 mit dem Hochdruckgas des Arbeitszylinders gefüllt ist, kann das Arbeitsmedium im Teilvolumen 44 aus einem Gas, einer Flüssigkeit oder aus einem Flüssigkeits-Gasgemisch bestehen, deren periodischen Druckänderungen durch die Rückschlagventile 46, 47 unterschiedlicher Durchlaßrichtung gleichgerichtet werden. Hierdurch lassen sich zwei Druckpuffer, die an die Ventile 46, 47 angeschlossen sind, im stationären Zustand auf unterschiedliche Drücke aufpumpen.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das in Fig.2 dargeste-lte Ausführungsbeispiel beschränkt: Infolge der kompakten Bauweise ist sie mit Vorteil auf größere Aggregate anwendbar, die aus mehreren, nebeneinanderliegenden Arbeitszylindern bestehen. Die besonderen Merkmale der Erfindung lassen sich in vier Punkten zusammenfassen: 1. Die Konstruktion des Verdrängerkolbens stellt eine Integration von thermischem Regenerator, (beweglichen) Austauschflächen für Wärmezu- und abfuhr und radialer Wärmeisolation dar.
  • 2. Brennkammer und Kühler bilden eine konstruktive Einheit mit den (feststehenden) Austauschflächen der Spaltstromwärmetauscher.
  • 3. Die Spaltstromwärmetauscher nach dem Erfindungsvorschlag verbinden in einer kompakten Konstruktion eine hervorragende Wärmeübertragung mit geringem Druckverlust und minimalem Totvolumen.
  • 4. Die konstruktive Ausführung ermöglicht eine optimale und raumsparende Wärmeisolation des Arbeitszylinders und führt zu geringen Wärmeverlusten an die Umgebung.

Claims (5)

  1. PATENTANSPROCHE 1. Thermischer Kompressor, der aus einem mit Druckgas gefüllten Arbeitszylinder und einem darin periodisch hin- und herbewegtem Verdrängerkolben besteht, der den gesamten Zylinderinhalt in ein heisses und ein kaltes Arbeitsvolumen aufteilt, die durch einen thermischen Regenerator miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Regenerator 25 im Verdrängerkolben 22 untergebracht und an dessen Stirnflächen die mitbewegten Teile (27, 28) der Spaltstromwärmetauscher befestigt sind, deren feststehende-Austauschflächen (29, 30) den beidseitigen Abschluß des Arbeitszylinders 18 bilden und von der Brennkammer 37 auf hoher Temperatur bzw.von einem Kühlmedium im Kühlerteil 20 auf niedriger Temperatur gehalten werden.
  2. 2. Thermischer Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauschflächen 27 bis 30 der Spaltstromwärmetauscher aus einem gleichartigen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen und als konzentrische Hohl zylinder ausgebildet sind.
  3. 3. Thermischer Kompressor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Brennkammer 37 und die zylinderseitige Abdeckung des Kühlers 20 die Grundplatten für die feststehenden Austauschplatten 29, 30 des Spaltstromwärmetauschers bilden.
  4. 4. Thermischer Kompressor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Regenerator 25 zentrisch im Verdrängerkolben 22 angeordnet ist, axial vom Arbeitsmedium durchflossen und nach außen durch einen Hohlzylinder 26 aus geeignetem Material wärmeisoliert ist.
  5. 5. Thermischer Kompressor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Arbeitszylinders 21 aus einer temperaturbeständigen Auskleidung aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19934844A1 (de) * 1999-07-24 2001-02-01 Bosch Gmbh Robert Arbeitsmaschine
CN103306846A (zh) * 2012-07-07 2013-09-18 摩尔动力(北京)技术股份有限公司 气流相循环发动机
CN105822453A (zh) * 2016-05-11 2016-08-03 刘良存 外燃式液体发动机

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19934844A1 (de) * 1999-07-24 2001-02-01 Bosch Gmbh Robert Arbeitsmaschine
CN103306846A (zh) * 2012-07-07 2013-09-18 摩尔动力(北京)技术股份有限公司 气流相循环发动机
CN103306846B (zh) * 2012-07-07 2015-05-20 摩尔动力(北京)技术股份有限公司 气流相循环发动机
CN105822453A (zh) * 2016-05-11 2016-08-03 刘良存 外燃式液体发动机

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