DE60021863T2 - Verfahren und vorrichtung zum übersetzen einer mechanischen energie zwischen einer stirlingmachine und einem generator oder einem elektromotor - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum übersetzen einer mechanischen energie zwischen einer stirlingmachine und einem generator oder einem elektromotor Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zum Übertragen von mechanischer Energie zwischen einem Übertragungskolben einer Stirling-Maschine und dem beweglichen Induktionsteil eines Generators oder eines elektrischen Motors, bei welchem der Übertragungskolben in einem Zylinder angeordnet und elastisch aufgehängt ist, wobei durch die Bewegung des Kolbens Arbeitsgas periodisch zwischen einem Expansionsvolumen und einem Kompressionsvolumen, welche je durch eine Arbeitsfläche des Übertragungskolbens begrenzt sind und durch einen heissen, alternativ kalten Wärmetauscher mit verbundener Heizquelle, einen Regenerator und einen Kühler mit verbundener Wärmesenke verschoben wird.
  • Freikolben-Stirling-Maschinen werden seit langem als ideale Lösungen für die Kraft-Wärme-Kopplung zur Bereitstellung von thermischer und mechanischer Energie in Wohnhäusern betrachtet. Die verbesserte Nutzung fossiler Energiequellen, die saubere, externe Verbrennung und der leise Betrieb dieser Maschinen stellen die wichtigsten Argumente für deren Anwendung in Wohngebieten, dar. Bisher verhinderten die Komplexität und die hohen Kosten dieser Maschinen deren verbreitete Anwendung.
  • Unter EP-A-0 218 554 wird eine Freikolben-Maschine vorgeschlagen, welche einen im Motorvolumen aufgehängten Verdrängerkolben aufweist und mit einer Dichtung zwischen dem Expansions- und dem Kompressionsvolumen versehen ist, wobei dieses zusätzlich durch einen zweiten, mit einer Dichtung umrandeten Kolben begrenzt wird. Eine axial angeordnete Stange durchdringt diesen zweiten Kolben und verbindet den Verdrängerkolben mit einem Kurbeltrieb; dieser zweite Kolben ist ebenso mit dem Kurbeltrieb verbunden und erlaubt, mechanische Energie an einen drehenden Motor zu übertragen. Ein Resonanzrohr ist an das Kompressionsvolumen angeschlossen welches erlaubt, das Druckverhältnis im Expansions- sowie im Kompressionsvolumen zu erhöhen und damit den Wirkungsgrad der Maschine zu steigern.
  • Bei dieser Lösung ist nachteilig, dass die beiden koaxial angeordneten Kolben geführt und gedichtet werden müssen, was Kosten verursacht und die Zuverlässigkeit der Maschine beschränkt.
  • Kürzlich wurde vorgeschlagen, den Motorkolben mit einem Verdrängerkolben einer Stirling-Maschine zu kombinieren und die Magnete eines elektrischen Generators mit dem Motorkolben zu verbinden und sie gegenüber der in die Armatur eingelassenen Wicklung dieses Generators periodisch zu verschieben. Diese versprechende Lösung weist aber den Nachteil auf, dass zwei koaxiale, sich relativ zueinander bewegende Kolben benötigt werden, welche zentrisch genau geführt werden müssen. Insbesondere muss die Kolbenstange des Verdrängerkolbens in einem geschlossenen, mit Arbeitgas gefülltem Volumen gleitend geführt werden, welches die beiden Kolben pneumatisch miteinander koppelt. Dieses Konzept bedarf eines Rückkopplungssystems, um die Phasenverschiebung zwischen den beiden sich bewegenden Kolben zu regeln. Dieses System wurde von der Amerikanischen Firma Sunpower Inc., Athens, Ohio entwickelt und ist Gegenstand einer Veröffentlichung mit dem Titel: "„Development of a 3 kW free-piston Stirling engine with the displacer gas-spring partially sprung to the power piston" G. Chen und J. McEntee, Proceedings of the 26th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, vol. 5, p. 233–238. Bei einer starken elastischen Kopplung der beiden Kolben wird ein wesentlicher Anteil der Antriebsenergie am Verdrängerkolben verrichtet und über diese elastische Kopplung an den Motorkolben übertragen. Die Autoren versichern, dass in ihrem System 2/3 der Antriebsenergie am Verdrängerkolben des Stirling-Motors geleistet wird. In diesem Motor dient der Verdrängerkolben nicht nur zur Verschiebung des Gases zwischen dem heissen und kalten Volumen des Zylinders, in welchem sich dieser Kolben bewegt, sondern auch, um einen Teil der freiwerdenden mechanischen Energie umzusetzen.
  • Darauf lässt sich legitim die Frage stellen, ob es nicht möglich wäre, die gesamte freiwerdende mechanische Energie am Verdrängerkolben umzusetzen und den mobilen Teil des elektrischen Generators direkt mit diesem Kolben zu verbinden. Diese Hypothese würde aber die oben zitierten Probleme nicht lösen. Insbesondere ist eine Phasenverschiebung zwischen den beiden koaxial laufenden Kolben nötig, und die Probleme der axialen Führung und der Servokontrolle blieben weiterhin bestehen.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung dient dazu, die oben beschriebenen Nachteile mindestens teilweise zu beheben.
  • Die vorgeschlagene Erfindung besteht in einem Verfahren, um entsprechend dem Anspruch 1 mechanische Energie an einem Übertragungskolben zu verrichten und an einen daran gekoppelten, beweglichen Teil eines elektrischen Generators oder Motors zu übertragen. Diese Erfindung beinhaltet ebenfalls eine Vorrichtung, um das Verfahren entsprechend dem Anspruch 10 umzusetzen.
  • Der Ersatz des Motorkolbens durch ein vollkommen statisches Resonanzrohr erlaubt einerseits, durch den Wegfall des Motorkolbens das System wesentlich zu vereinfachen, aber auch wie im Weiteren beschrieben, die Kontrolle des Systems wesentlich zu erleichtern. Dies bedeutet nicht nur, dass das gesamte System wesentlich einfacher gestaltet und dessen Herstellkosten entsprechend reduziert werden können, sondern auch dass seine Zuverlässigkeit bedeutend verbessert wird. Damit ein solches System ein ökonomisches Interesse darstellt, muss es zu einem vertretbaren Preis hergestellt werden können, aber auch während langen Betriebsjahren wartungsfrei und ohne aufwändige Regelung einwandfrei funktionieren können.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
  • Andere Eigenschaften und Vorteile des dieser Erfindung zugrundeliegenden Verfahrens ergeben sich aus der untenstehenden Beschreibung wie der beigefügten Zeichnung, welche in schematicher Weise und als Beispiele, zwei mögliche Ausführungsformen des Systems und verschiedene Varianten darstellen.
  • 1 stellt einen Axialschnitt einer Ausführungsform dar:
  • 2 ist eine Variante von 1;
  • 3 stellt eine Gesamtansicht der Ausführung entsprechend den 1 und 2 dar;
  • 4 zeigt ein Vektordiagramm, die 5 und 6 sind Diagrammme welche die Funktionsweise Verfahrens näher erläutern;
  • 7 stellt in einem Diagramm den erzielbaren Kreislaufwirkungsgrad als Funktion der pro Zyklus umgesetzten Arbeit dar;
  • 8 bis 10 stellen Diagramme mit Dimensionen und Angaben zum Verhalten des Resonators dar;
  • 11 ist eine Ansicht mit teilweiser Schnittzeichnung einer weiteren Ausführungsform des Systems;
  • 12 und 13 zeigen schematisch zwei Ausführungsformen von Heizsystemen der Stirling-Maschine;
  • 14 bis 16 stellen schematisch 3 mögliche Anordnungen von mit Resonanzrohren untereinander gekoppelten Stirling-Maschinen dar;
  • 17 zeigt schematisch ein Heizsystem, welches für die in 14 bis 16 dargestellten Ausführungsformen angewendet werden kann.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Das in 1 dargestellte System zeigt einen länglichen Behälter 1, welcher zwei zylindrische Abteile 2 und 3 umfasst, welche auf einen, als Grundplatte dienenden Zwischenteil 4 montiert sind. Das zylindrische Abteil 2 umfasst einen zylindrischen Raum 5, welches dem Arbeitsvolumen eines Stirling-Motors entspricht in welchem ein zweiteiliger Übertragungskolben (6, 6a) eingebaut ist, welcher sich frei entlang der Längsachse des zylindrischen Raumes 5 bewegen kann. Das am einen Ende angeordnete Volumen zwischen dem Teil 6 des Übertragungskolbens (6, 6a) und dem äusseren Ende des zylindrischen Raumes 5, das mit einem heissen Wärmetauscher 7 verbunden ist und welcher mit einer heissen Quelle (nicht gezeichnet) in Kontakt steht, stellt das heisse oder Expansionsvolumen (VE) dar, während das am anderen Ende dieses zylindischen Raumes 5 angeordnete Volumen, das mit einem kalten Wärmetauscher 8 verbunden ist und mit einer Wärmesenke (nicht dargestellt) in Kontakt steht, stellt das kalte oder Kompressionsvolumen (VC) des Stirling-Systems dar. Ein Regenerator 9 ist zwischen dem heissen Wärmetauscher 7 und dem kalten 8 angeordnet.
  • Teil 6a des Übertragungskolbens (6, 6a), welcher an das Kompressionsvolumen (VC) angrenzt, dringt in ein geschlossenes, mit dem Arbeitsgas gefülltes Volumen 10 ein, welches ein Organ für die elastische Rückführung des Übertragungskolbens (6, 6a) darstellt.
  • Das zylindrische Abteil 3 umschliesst ein Volumen, welches ein bewegliches Element eines elektrischen Generators, hier eines Induktors 11 in Form eines mit Permanentmagneten versehenen Zylinders, welcher an der Peripherie eines zylindrischen Organs 12 befestigt ist und dessen Innenrand fest mit einem elastischen Träger 14 in Form von Tellerfedern verbunden ist, deren Aussenrand fest mit dem Rahmen 4 und deren Innenrand an der Stange 17 befestigt sind, welche an einem Ende mit dem Teil 6a des Übertragungskolbens (6, 6a) verbunden ist. Der Innenrand eines zweiten elastischen Trägers 15, welcher dem Träger 14 gleichartig ist, ist am anderen Ende der Stange 17 befestigt, während dessen Aussenrand an einem Stützring 13 befestigt ist, welcher mit der Grundplatte 4 fest verbunden ist. Der statische Teil des Generators umfasst die Wicklungen 16.
  • Teil 6a des Übertragungskolbens (6, 6a) und die Stange 17 durchdringen den Boden des geschlossenen Volumens 10, welches in der Grundplatte 4 eingelassen ist und ein radiales Spiel von 30 bis 50 μm aufweist. Ein solches Spiel ist sowohl bezüglich der Herstellungstoleranzen wie des Einflusses der Leckageströme auf den Wirkungsgrad und die auf den Übertragungskolben (6, 6a) wirkende Rückstellkraft des im Volumen 10 eingeschlossenen Arbeitgases zulässig.
  • Ein rohrförmiger Resonator 18, von welchem in 1 nur das mit dem zylindrischen Abteil 2 verbundene Ende dargestellt ist, kommuniziert mit dem Kompressions- oder kalten Volumen VC des Stirling-Motors. Dieser Resonator dient als Ersatz für den zweiten Kolben, welcher dem Verfahren dieser Erfindung entsprechend und wie weiter unten ausgeführt wird, keine Energie umsetzt, da diese gesamthaft am Übertragungskolbens (6, 6a) produziert wird; der Resonator dient dazu, die angefachte Druckwelle zu verstärken und eine angemessene Phasenverschiebung zwischen der Lage des Übertragungskolbens (6, 6a) und der im Arbeitsvolumen erzeugten Druckvariation zu erzielen.
  • Wie in 3 dargestellt ist, mündet das andere Ende des rohrförmigen Resonators 18 vorteilhafterweise in ein Helmholtz-volumen 19. In diesem Fall wird das Ende des Resonators, welches sich im Helmholtz-Volumen befindet, in Form eines sich erweiternden Diffusors 18a ausgebildet.
  • Der Übertragungskolben (6, 6a) erfüllt eine doppelte Funktion, indem er das Gas zwischen dem Expansionsvolumen (VE) und dem Kompressionsvolumen (VC) periodisch verschiebt und die gesamte, an den mobilen Induktor 11 des Generators übertragene Energie erzeugt, was unter gewissen Voraussetzungen, welche im Folgenden dargelegt werden, erfüllt werden kann.
  • Um dieses Ziel zu erreichen, muss das Verhältnis der Fläche aC des Übertragungskolbens (6, 6a), welche das Kompressionsvolumen (VC) begrenzt zu jener der Fläche aE dieses Kolbens, welche das Expansionsvolumen (VE) begrenzt, bestimmte Bedingungen erfüllen.
  • Die Analyse von Kreisläufen unter angenommen isothermen Druckänderungen zeigt, dass der Druck des Arbeitsgases von der Lage des Übertragungskolbens (6, 6a) unabhängig wird, falls:
  • Figure 00060001
  • Beispiel:
    • Temperatur TH des heissen Volumens VE, TH = 923°K = 650°C
    • Temperatur TC des kalten Volumens VC, TC = 323°K 25 = 50°C aC/aE ≥ 0.35
  • Der Motor kann nur funktionieren, wenn das Flächenverhältnis aC/aE über dem angegebenen Grenzwert liegt, das heisst, wenn durch die Verschiebung des Übertragungskolbens (6, 6a) eine Druckkomponente pX entsteht (4), welche der Verschiebung des Übertragungskolbens (6, 6a) entgegengesetzt ist. Die Verschiebung des Übertragungskolbens (6, 6a) ist positiv, wenn sich dieser in Richtung Expansionsvolumen VE verschiebt. Die Änderung der im Stirling-Volumen enthaltenen Gasmenge WG erzeugt eine Druckänderung pW, welche phasengleich mit der Änderung von WG verläuft. Die im Stirling-Volumen entstehende Druckänderung p entspricht der vektoriellen Summe der beiden Teildrücke pX und pW.
  • 5 zeigt die Änderung der Lage X des Übertragungskolbens (6, 6a) und die Änderung des Druckes p in Funktion der Zeit (oder des Phasenwinkels ϕ). Diese Darstellung entspricht schematisch jener von 4. Bei abnehmendem Druck p befindet sich ein grosser Teil des Arbeitsgases im heissen oder Entspannungsvolumen (VE); bei zunehmendem Druck befindet es sich hauptsächlich im kalten Kompressionsvolumen (VC). Um Energie zu produzieren, muss die Verschiebung X des Kolbens 6 der Druckvariation p vorlaufen.
  • 6 stellt die zeitliche Veränderung der im Stirlingvolumen enthaltenen Gasmenge WG und der in diesem Volumen herrschende Gasdruck p dar. Wenn Gas dem rohrförmigen Resonator 18 zuströmt, nimmt die Gasmenge WG im Arbeitsvolumen des Stirlingteils ab; der Druck p ist höher als während der Rückströmung, wenn WG wieder zunimmt. Es findet somit ein Energietransport vom Stirlingvolumen zum rohrförmigen Resonator 18 statt, welche die Reibungsverluste in diesem Rohr kompensieren.
  • Damit der Druck p gegenüber der Änderung von WG nachläuft, muss entsprechend 4 die Druckkomponente pX der Kolbenverschiebung X entgegengesetzt sein. Falls pX Null wird oder in Richtung von X verläuft, wird dem rohrförmigen Resonator 18 keine Energie zur Kompensation der Reibungsdruckverluste zugeführt. In diesen Fällen kann die Druckwelle nicht aufrechterhalten werden und das System stellt ab.
  • Die Resultate einer Optimierungsstudie, welche mit Hilfe eines spezifisch für die Berechnung von Stirling-Kreisläufen entsrechend der vorliegenden Erfindung ausgelegten Computerprogramms durchgeführt wurde, zeigen, dass für Stirling-Motoren das Flächenverhältnis aC/aE zwischen 0.4 und 0.6 liegen muss, vorteilhafterweise zwischen 0.45 und 0.55.
  • 7 zeigt als Beisiel den berechneten Kreislaufwirkungsgrad ηC in Funktion der pro Kreislauf erzeugten Arbeit E, mit der Wandtemperatur TH des heissen Expansionsraumes VE und der Amplitude X des Übertragungskolbens (6, 6a) als Parameter. Die Temperatur T des kalten Wärmetauschers liegt nahe zu TC und beträgt rund 50°C. Der Gesamtwirkungsgrad des Stirling-Aggregates ergibt sich durch Multiplikation des Kreislaufwirkungsgrades ηC mit jenem der Wärmequelle und des elektrischen Generators.
  • Dieses Diagramm zeigt, dass innerhalb eines breiten Bandes von Amplituden des Übertragungskolbens gute Wirkungsgrade erzeugt werden können, wobei die höchsten Werte bei Teillast erreicht werden. Diese Kreislaufwirkungsgrade liegen leicht unter jenen der oben erwähnten, dem Stand der Technik entsrechenden Systemen, aber diese geringfügige Verminderung ist bei weitem komensiert durch die erzielte Vereinfachung des Systems.
  • Stirling-Motoren sollten wenn immer möglich bei Temperaturen des Expansionsraumes von 600 bis 700°C betrieben werden. In diesem Bereich beeinflusst die Heiztemperatur TH hautsächlich die Leistung, in geringerem Masse den Wirkungsgrad. Hingegen, wenn die Heiztemperatur auf 400 bis 500°C absinkt, vermindern sich die Leistung und der Wirkungsgrad sehr stark, da unter diesen Bedingungen die durch die Kolbenbewegung induzierte Druckänderung pX sehr gering wird und schliesslich vollständig verschwindet.
  • Die radiale Steifigkeit der mechanischen Aufhängung des Übertragungskolbens (6, 6a) wird durch Tellerfedern (14, 15), entsrechend den Typen, wie sie von Ray Radebaugh unter „Recent developments in cryocoolers", in den Proceedings des 19th International Congress of Refrigeration (Volume IIIb, 1995) beschrieben wurden, erzielt, welche eine perfekte, entlang der Achse des Gehäuses 5 verlaufende Schwingung dieses Kolbens ermöglichen, ohne dass dieser durch pneumatische Lager zentriert werden muss. Bei seiner Erstmontage kann der Übertragungskolben (6, 6a) mit hoher Genauigkeit zentriert werden. Dank der pneumatischen Aufhängung dieses Übertragungskolbens (6, 6a) und den relativ geringen Kräften, welche durch seine elastischen Elemente der Tellerfedern (14, 15) benötigt werden, kann die Amplitude des Übertragungskolbens (6, 6a) um 25 bis 50% gegenüber dem in „Free piston Stirling design features", Neill W. Lane et al., (8th International Stirling Engine Conference and Exhibition, May 27–30, 1997, Ancona) beschriebenen System erhöht werden. Diese Erhöhung der Schwingungsamplitude führt zu höheren Lineargeschwindigkeiten, welche es erlauben, die Dimensionen des elektrischen Generators zu vermindern. Unter ungeänderten Arbeitsbedingungen können ähnliche Energieumsätze erwartet werden.
  • Die Verwendung eines einzigen beweglichen Kolbens vereinfacht die anfänglich benötigte Einstellung, den Startvorgang sowie die Leistungskontrolle erheblich gegenüber den konventionellen Freikolben Stirling-Systemen. Die Steifigkeit der Aufhängung des Übertragungskolbens (6, 6a) und damit seine sich einstellende hasenlage kann durch Anpassung des im Stirling-Volumen herrschenden Arbeitsgasdruckes erzielt werden. Die Eigenfrequenz des rohrförmigen Resonators 18 kann durch Änderung der Zusammensetzung des Arbeitsgases, das heisst seiner molaren Masse, eingestellt werden.
  • Der Motor wird dann gestartet indem das Entspannungsvolumen (VE) auf eine Temperatur TH geheizt wird, bei welcher der Druck des Arbeitsgases von der Lage des Übertragungskolbens (6, 6a) unabhängig wird. Die Anfahrlast des Motors wird damit auf ein Minimum reduziert (Verluste infolge interner Reibung und der eriodischen Strömung durch die Wärmetauscher und den Regenerator). Nach dem Startvorgang wird die Heiztemperatur TH auf die optimale Heiztemperatur eingestellt.
  • Die Leistungskontrolle kann sehr einfach vorgenommen werden. Die Amplitude des Übertragungskolbens (6, 6a) und damit die vom Stirlingmotor abgegebene Leistung werden angepasst, indem die vom elektrischen Generator ausgeübte Bremskraft auf einen spezifischen Wert eingestellt wird. Für fest vorgegebene Temperaturen TH, TC des Arbeitsgases in den Expansions, – resp. Kompressionsvolumen ändert sich die abgegebene Leistung proportional zur Amplitude des Übertragungskolbens (6, 6a). Die Heizleistung des Brenners (nicht dargestellt) wird kontinuierlich angepasst, damit die gewünschte Heiztemperatur TH im Expansionsvolumen VE erhalten bleibt. Unter normalen Arbeitsbedingungen kann damit die Kolbenamplitude genau kontrolliert werden. Daher brauchen keine zusätz liche Totvolumen vorgesehen werden um allfällige Aufschläge zu vermeiden falls die Kolbenamplitude den nominalen Wert übersteigen sollte. Es muss einzig verhindert werden, dass bei einer Panne des elektrischen Netzes an welches der Generator angeschlossen ist, die Amplitude des Übertragungskolbens (6, 6a) den nominalen Wert nicht übersteigt.
  • Eine allfällig nichtlineare Steifigkeit der Aufhängung des Übertragungskolbens (6, 6a) hat nur einen marginalen Effekt auf dessen hasenlage, da dieser mit einer Last verbunden ist und sich damit wie ein stark gedämpfter Schwinger verhält.
  • Sobald das gesamte System nach aussen abgedichtet ist, hängt die Eigenfrequenz des rohrförmigen Resonators 18 nur von der Mitteltemperatur des darin befindlichen Gases ab. Diese Temperatur kann mittels eines im Helmholtz-Volumen 19 angeordneten zusätzlichen Wärmetauschers 20 und unter Kontrolle der abgeführten Wärmemenge genau auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Dies erlaubt, die hasenlage der Schwingung in diesem Resonator den andern Systemgrössen gegenüber genau einzustellen. Durch den Wärmeentzug im rohrförmigen Resonator 18 wird die benötigte restliche Kühlung des im Kompressionsraum (VC) befindlichen Gases reduziert, was erlaubt, den kalten Wärmetauscher des Stirling-Motors zu vereinfachen. Sein Totvolumen und/oder seine Reibungsdruckabfälle können reduziert werden, was zusätzliche Vorteile für die Vorrichtung dieser Erfindung ergibt.
  • Der Druck des im Stirlingvolumen befindlichen Arbeitsgases ändert zyklisch in Funktion der im rohrförmigen Resonator 18 aufgebauten Gasschwingung. Durch eine angepasste Änderung der Querschnittes entlang des Rohres ist es möglich, wie hier unten wieter ausgeführt wird, praktisch perfekte sinusförmige Druckänderungen zu erzeugen. Die Energieverluste hängen dann ausschliesslich von den Reibungsdruckabfällen der Strömung ab und bleiben mässig, zumindest für den in dieser Anwendung betrachteten Bereich von Druckänderungen. Die Auslegungsarameter für den rohrförmigen Resonator 18, für welchen ein Beisiel folgt, müssen dem Stirling-Prozess entsrechend gewählt werden, damit diese Teilsysteme in gewünschter Weise miteinander funktionieren können, das heisst, dass die Welle im Resonanzrohr durch den Stirling-Prozess angetrieben wird und die resultierende Druckwelle den eriodischen Vorgang im Stirling-Kreislauf aufrecht erhält.
  • Als Beisiel kann der rohrförmige Resonator 18, zusammen mit dem Helmholtz-Volumen 19 eine totale Länge von etwa 1.6 m und eine Temperatur T von 40°C aufweisen. Der Mitteldruck p0 des Gases ist 4 Ma und die Resonanzfrequenz dieses Resonators liegt bei 50 Hz. Um die benötigte Länge des Resonators zu beschränken, wird vorteilhafterweise ein Gasgemisch von Helium und Argon oder Kohlendioxyd, mit einem mittleren Molekulargewicht M von 14 kg/kmol gewählt. Der minimale Querschnitt Smin des rohrförmigen Resonators 18 beträgt in diesem Beisiel 4.75 cm2. Das Gasvolumen VS der 2 beträgt 1000 cm2, jenes des Helmholtz-Volumens (19) 6000 cm2.
  • Der rohrförmige Teil des Resonators erstreckt sich mit Vorteil bis in das Helmholtz-Volumen 19 hinein. Dadurch dass dieser Rohrteil nur geringen Druckdifferenzen ausgesetzt ist, kann dieser aus dünnwandigem Material und in einer geeigneten, konischen Form 18a hergestellt werden, welche die Bildung von steil verlaufenden Druckwellen vermeidet.
  • Das Diagramm von 8 zeigt ein Beisiel der Querschnittsverteilung über der Rohrlänge. Das linke Ende des Diagrammes entspricht dem Rohrende von 18, welches in das Stirling-Volumen 2 mündet, das rechte Ende in das angeschlossene Helmholtz-Volumen 19.
  • Das Diagramm von 9 stellt die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsgases im Resonanzrohr 18 für neun gleichmässig verteilte Zeitschritte eines Zyklus dar, bezogen auf die Schallgeschwindigkeit dieses Gases (damit die Mach-Zahl), während das Diagramm von 10 für den gleichen Zyklus die Verteilung des Gasdruckes, bezogen auf den mittleren Gasdruck darstellt.
  • Das Druckdiagramm zeigt eindeutig, dass bei einer geeignet gewählten Dimensionierung des Resonanzrohres keinerlei Stosswellen unter Resonanzbedingungen des Rohres 18 auftreten. Der Druck im Stirling-Volumen 2 ändert sich sinusförmig. Druck und Geschwindigkeit sind orthogonale Funktionen, das heisst, wo extreme Druckschwankungen auftreten ist die Geschwindigkeit null und umgekehrt.
  • Der berechnete Qualitätsfaktor des Rohres 18 liegt zwischen 25 und 40 für ein Druckverhältnis im Stirling-Volumen von πC =pmax/pmin = 1.1, beziehungsweise zwischen 12 und 25 für πC = 1.2. Die angegebenen Spanne trägt einerseits dafür Rechnung, dass die Reibungskoeffizienten des Arbeitsgases unter instationären Strömungsbedingungen von jenen einer gleichmässigen Strömung abweichen können, andererseits dass die Werte von der Rauhigkeit der Rohre abhängen und nur angenähert bekannt sind.
  • Im Falle der in diesem Beisiel betrachteten Stirling-Motoren mit niedrigen Leistungen im Bereich von etwa 2 bis 5 kW beträgt das verschobene Volumen des Arbeitsgases rund 100 cm3. Der zylindrische Teil des Rohres zeigt typische Durchmesser von rund 2.5 bis 4 cm auf. Dieses Rohr kann gebogen oder aufgewickelt werden, so dass die gesamte Anordnung in einem möglichst kleinen Volumen untergebracht werden kann. Als Beisiel kann die in 3 gezeigte Ausführung eine Gesamthöhe von 90 cm, eine Breite von 60 cm und eine Tiefe von 40 cm aufweisen.
  • Die Ausführung welche in 2 dargestellt ist unterscheidet sich von der Anordnung von 1 nur dadurch, dass das elastische Rückstellorgan für den Übertragungskolben (6, 6a) nicht mehr aus einem geschlossenen Volumen 10 besteht, sondern direkt durch das zylindrische Volumen 3 welches den elektrischen Generator umschliesst. Dieses Abteil stellt ebenfalls ein gasgefülltes, geschlossenes Volumen dar und kann daher ebenso als elastisches Rückstellglied dienen und damit das Volumen 10 der Ausführung von 1 ersetzen.
  • Bisher haben wir nur eine Ausführungsform beschrieben, in welcher die produzierte mechanische Energie an ein periodisch sich bewegendes Glied in Form eines Freikolbens (6, 6a) einer Stirling-Maschine übertragen wird. Als Variante ist es möglich, die alternative Bewegung in eine rotierende Bewegung zu übertragen, wie dies bekannterweise bei internen Verbrennungsmotoren oder Dampfmaschinen realisiert wird.
  • Eine solche Ausführung ist in 11 dargestellt, in welcher wiederum das freie Ende des Übertragungskolbens 6a' und des mit dem Kompressionsvolumen (VC) verbundene Ende des Resonanzrohres 18' dargestellt sind. Ein Stab 21 wird gleitend in zylindrischen Führungsbuchsen 22 geführt, welche mit linearen Rollenlagern 31 versehen sind. Eine Kurbelstange 23 ist flexibel an einem Ende mit der Stange 21 verbunden und am anderen mit einer Kurbelwelle 24, welche die Achse eines in einem Gehäuse 25 untergebrachten rotierenden elektrischen Generators antreibt.
  • In einer nicht abgebildeten Variante der in 1 bis 3 dargestellten Ausführung kann der rohrförmige Resonator 18 aus zwei identischen, rohrförmigen Elementen bestehen, welche diametral gegenüberliegend zum Übertragungskolben (6, 6a) angeordnet sind, so dass die auf diesen Kolben wirkenden Seitenkräfte ausgeglichen werden.
  • Als Variante kann der rohrförmige Resonator 18 an das heisse Entsannungs-volumen (VE) der Stirling-Maschine angeschlossen werden, unter der Bedingung, dass das gesamte Rohr heiss gehalten wird und keine Wärmesenke darstellt. 12 zeigt eine Ausführung, in welcher das Helmholtz-Volumen 19 in einem Heizofen 26, welcher mit gasförmigem, flüssigem oder festem Brennstoff befeuert wird, untergebracht ist, während das Rohr 18 mit einer thermischen Isolation 27 umwickelt ist. Das im rohrförmigen Resonator 18 sich befindende Arbeitsgas kann somit auf Temperaturen T aufgeheizt werden, welche über TH des Expansionsvolumens (VE) liegen. Der rohrförmige Resonator (18, 19) ersetzt damit teilweise oder vollständig den heissen Wärmetauscher 7 des Stirling-Motors. Dadurch kann ein komplizierter und aufwändiger Wärmetauscher, welcher schwierig zu optimieren ist (genügend grosse Wärmeübertragungsfläche bei geringem Totvolumen und geringen Strömungsverlusten), teilweise oder vollständig ersetzt werden. Der rohrförmige Resonator (18, 19) weist eine grosse Austauschfäche auf und dank der im Rohr angefachten eriodischen Strömung ergeben sich in diesem günstige Wärmeübertragungsbedingungen. Durch den stationären Wellenvorgang im Resonator stellt das Innenvolumen dieses Rohres kein Totvolumen für die Stirling-Maschine dar.
  • Das Arbeitsprinzip dieses Stirling-Kreislaufes entspricht jenem, welches anhand der 4 bis 6 oben erklärt wurde.
  • Zur Verbesserung des Wärmeaustausches kann die Austauschfläche mittels Rippen 30, welche an der Innen- oder Aussenseite des Helmholtz-Volumens angebracht werden, vergrössert werden. Durch die Tatsache dass der Durchmesser des Rohres 18 bereits 2 bis 4 mal grösser ist als jener des Wärmetauschers 7 und dass der Durchmesser des Helmholtz-Volumens nochmals 2 bis 4 mal grösser ist als jener des Rohres 18, kann der Rippenabstand wesentlich erhöht werden. Infolgedessen ist dieser Wärmetauscher wesentlich weniger anfällig auf Verschmutzung durch Russ oder andere Verbrennungsrückstände als die konventionellen Stirling-Wärmetauscher kleiner Abmessungen. Falls nötig lässt sich dieser einfach reinigen und ist daher besonders geeignet für Systeme, welche mit festen Brennstoffen oder mit Biomasse betrieben werden.
  • Die in 13 dargestellte Variante zeigt eine Ausführung, in welcher der rohrförmige Resonator 18 in einem bei hohen Temperaturen arbeitenden Sonnenkollektor untergebracht ist. Dazu ist das Rohr 18 des Resonators spiralförmig aufgewickelt und in einem zylindrischen oder konischen Hohlraum 28 angeordnet. Ein Ende des rohrförmigen Resonators 18 mündet in ein Helmholtz-Volumen 19, während das andere Ende mit dem Entspannungsvolumen VE des Stirling-Motors verbunden ist, von welchem ein Teil des Übertragungskolbens 6 und des Regenerators 9 dargestellt sind. Ein arabolsiegel ist unterhalb der Öffnung des Hohlraumes 28 angeordnet, welcher die Sonnenstrahlung konzentriert und in diesen Hohlraum richtet.
  • Einer der Vorteile dieser Lösung besteht darin, dass ein solcher Kollektor relativ unempfindlich auf die genaue Verteilung der einfallenden Sonnenstrahlung ist, da die eriodische Bewegung des Arbeitsgases im Resonanzrohr 18 eine gleichmässige Temperaturverteilung in diesem Rohr sicherstellt. Ein anderer Vorteil ergibt sich daraus, dass nach Sonnenaufgang, sobald das Arbeitsgas im Expansionsvolumen VE das gewünschte Temperaturniveau TH erreicht hat, der Stirling-Motor sich leicht in Bewegung setzt; die Gefahr einer Überhitzung des Kollektors ist damit vermindert.
  • Eine andere Variante (14) zeigt schematisch die Kombination von vier Stirling-Motoren, von welchen lediglich die entsrechenden Kompressionsvolumen VCA, VCB, VCC, VCD, als Alternative die entsrechenden Entspannungsvolumen VEA, VEB, VEC, VED dargestellt sind, welche untereinander durch vier rohrförmige, symmetrische Resonatoren T1, T2, T3, T4 verbunden sind. Das Ganze bildet eine geschlossene Schleife, wo jedes Volumen V mit zwei benachbarten Volumen verbunden ist, welche im Rechteck angeordnet sind, wobei die Resonanzrohre T1 bis T4 die Kanten bilden, die Volumen VCA bis VCD, alternativ VEA bis VED die Ecken darstellen. Diese Anordnung erlaubt, die thermische Leistung der gesamten Einheit durch mehrere untereinander verbundene Module zu steigern.
  • Zwei untereinander durch ein Resonanzrohr verbundene Stirling-Motoren arbeiten in Gegenhase. Falls vier Motoren entsrechend dem Schema von 14 an den Ecken eines Vierecks angeordnet sind, arbeiten die auf derselben Diagonale liegenden Motoren in Phase, und um 180° hasenverschoben gegenüber den Motoren der anderen Diagonale. In dieser Anordnung kompensieren sich die übertragenen Kräfte, wodurch die nach aussen übertragenen Vibrationen vermindert werden.
  • Die in 15 dargestellte Variante zeigt zwei Paare von Stirling-Motoren, deren Kompressionsvolumen VCA, VCB, respektive VCC, VCD, alternative die Entspannungsvolumen VEA, VEB, respektive VEC, VED durch zwei rohrförmige Resonatoren T1, respektive T2 miteinander verbunden sind, während die Kompressionsvolumen VCA, und VCC einerseits und die Kompressionsvolumen VCB, VCD andererseits, alternativ die Expansionsvolumen VEA und VEC einerseits und die Expansionsvolumen VEB und VED andererseits durch Verbindungsrohre TC1 und TC2 miteinander verbunden sind, deren Rollen darin bestehen, die herrschenden Drücke in den miteinander verbundenen Kompressionsvolumen, alternativ in den Expansionsvolumen auszugleichen, da die auf einer gemeinsamen Diagonale liegenden Motoren in Phase arbeiten.
  • 16 stellt die Kompressionsvolumen VCI und VCII, alternativ die Expansionsvolumen VEI und VEII von zwei Stirling-Motoren dar, welche durch ein rohrförmiges Resonanzrohr 18 miteinander verbunden sind.
  • 17 zeigt die Heizung eines rohrförmigen Resonators 18, welcher zwei Stirling-Volumen entsrechend den Darstellungen der 14 bis 16 miteinander verbindt und in einem Heizkessel 26 angeordnet ist. Die beiden Enden des Rohres 18 dieses Resonators sind jeweilig mit den Expansionsvolumen VEI, VEII zweier Stirling-Motoren verbunden. Dadurch dient das Rohr 18 des gemeinsamen Resonators ebenfalls als gemeinsames Heizelement für die beiden Motoren. Es wäre ebenso denkbar, mehrere dieser Resonanzrohre 18 parallel nebeneinander anzuordnen, um die Austauschfläche zu vergrössern und damit den Wärmeübergang zu verbessern.
  • In allen vorhergehenden Beisielen wird eine Stirling-Maschine gezeigt, welche als Antriebsmotor eines elektrischen Generators dient. Dabei ist bekannt, dass Stirling-Maschinen in einem umgekehrten Modus funktionieren können: anstatt das Arbeitsgas im Expansionsvolumen zu heizen um mechanische Energie zu erzeugen, kann der Übertragungskolben (6, 6a) ebenso durch mechanische Energie angetrieben werden, um durch die Entspannung des Arbeitsgases im Expansionsvolumen Kälte zu erzeugen.
  • Da bei dieser Funktionsweise das benutzte Resonanzrohr als völlig passives Element mitschwingt, kann dieses nur funktionieren, wenn es durch den Stirling-Zyklus angetrieben wird. Dies bedeutet, dass bei einer Kältemaschine der Fläche aE des Übertragungskolbens (6, 6a) kleiner sein muss als die Fläche aC, welche das Kompressionsvolumen VC begrenzt. Das Verhältnis aE/aC dieser zwei Flächen bestimmt das tiefste Temperaturniveau, welches theoretisch erreicht werden kann.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Übertragung mechanischer Energie von einem Übertragungskolben (6, 6a) auf einen beweglichen Induktionsteil (11) eines elektrischen Generators oder Motors, bei welchem der Übertragungskolben (6, 6a) in einem Zylinder (2) angeordnet und elastisch aufgehängt ist und durch dessen Bewegung ein Arbeitsgas periodisch zwischen einem Entspannungsvolumen (VE) und einem Kompressionsvolumen (VC), welche dem Arbeitsvolumen einer Stirlingmaschine zugehören, die genannten Volumen jeweils durch Arbeitsflächen des Übertragungskolbens (6, 6a) begrenzt sind und das genannte Gas durch einen heissen, alternativ kalten Wärmetauscher (7), welcher mit einer Wärmequelle verbunden ist, einen Regenerator (9) und einen Kühler (8), welcher mit einer Wärmesenke verbunden ist, verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass im genannten Zylinder (2) ein einziger Übertragungskolben (6, 6a) angeordnet ist, eines der genannten Expansionsvolumen (VE), Kompressionsvolumen (VC), mit einem pneumatischen Resonator (18), dessen Eigenfrequenz geeignet abgestimmt wird, verbunden ist und welches die Rolle eines zweiten Kolbens ausübt, wodurch sich die, durch die Gasverschiebung zwischen den beiden genannten Volumen ergebende eriodische Druckwelle verstärkt und dessen hasenlage sich gegenüber der Lage des Übertragungskolbens (6, 6a) geändert wird, wobei eine Druckkomponente pX der Verschiebung dieses Kolbens (6, 6a) entlang seiner zum Expansionsvolumen hin gerichteten X-Achse entgegengesetzt ist und dadurch die Reibungsverluste der im Resonanzrohr angefachten Druckwelle kompensiert, der zum Kompressionsvolumen (VC) gerichtete Teil des Übertragungskolbens (6, 6a) mit einer elastischen Aufhängung (10; 3) versehen ist, welche eine Rückstellkraft auf diesen Kolben ausübt und dieser ein Verhältnis seiner beiden Arbeitsflächen aC, resp. aE, welche das Kompressionsvolumen (VC), resp. das Expansionsvolumen (VE) begrenzen, von (aC/aE) ≥ 0.35 aufweist, so dass eine eriodische Bewegung des Übertragungskolbens (6, 6a) aufrecht erhalten und dessen Amplitude durch Ausübung einer kontrollierten Bremskraft angepasst wird, wodurch die gesamte produzierte mechanische Energie vom Übertragungskolben (6, 6a) an den beweglichen Induktionsteil (11) übertragen werden kann.
  2. Verfahren nach Ansruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zur Übertragung der mechanischen Energie vom Übertragungskolben (6, 6a) an den beweglichen Induktionsteil (11) eines elektrischen Generators ein Verhältnis (aC/aE) zwischen den Flächen aC, resp. aE, des Übertragungskolbens (6, 6a), welche das Kompressionsvolumen (VC), resp. das Expansionsvolumen (VE) begrenzen, von 40 bis 60% gewählt wird.
  3. Verfahren entsrechend einem der vorgehenden Ansrüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (6a) des Übertragungskolbens (6, 6a) den Zylinder (2) dynamisch dicht durchdringt und mit dem, in einem geschlossenen Volumen (3) angeordneten elektrischen Generator verbindet, wobei durch die Bewegung des Übertragungskolbens (6, 6a) im geschlossenen Volumen (3) das eingeschlossene Arbeitsgas eine eriodische Druckänderung erfährt und damit eine elastische Rückstellkraft auf den Kolben (6, 6a) ausübt.
  4. Verfahren entsrechend einem der vorgehenden Ansrüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von sich aufsteilenden wellen eine variable Querschnittsverteilung über der Länge des rohrförmigen Resonators (18) verwendet wird.
  5. Verfahren entsrechend Ansruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Helmholtz-Volumen (19) am Ende des rohrförmigen Resonators (18) angeschlossen wird, welches jenem mit dem Kompressionsvolumen (VC), resp. Expansionsvolumen (VE) verbundenen Ende gegenüber liegt.
  6. Verfahren entsrechend einem der Ansrüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (18a) des rohrförmigen Resonators, welcher einen veränderlichen Querschnitt aufweist, innerhalb des Helmholtz-Volumens (19) angeordnet wird.
  7. Verfahren entsrechend einem der Ansrüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das im Helmholtz-Volumen (19) einge schlossene Arbeitsgas in kontrollierter Weise entweder geheizt oder gekühlt wird.
  8. Verfahren entsrechend einem der vorgehenden Ansrüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz des rohrförmigen Resonators (18) durch Verwendung eines Gemisches von Arbeitsgasen verschiedener Molekularmassen und durch Änderung derer Zusammensetzung angepasst wird.
  9. Verfahren entsrechend Ansruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung mechanischer Energie von einem beweglichen Teil eines elektrischen Motors an den Übertragungskolben (6, 6a) die Arbeitsfläche (aE), welche dem Entspannungsvolumen (VE) zugeordnet ist, kleiner gewählt wird als die Arbeitsfläche (aC), welche dem Kompressionsvolumen (VC) zugeordnet ist.
  10. Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens nach Ansruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungskolben (6, 6a) mit dem beweglichen Induktionsteil (11) des elektrischen Generators oder Motors mechanisch fest verbunden ist.
  11. Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens nach Ansruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Übertragungskolben (6, 6a) wirkende elastische Rückstellkraft durch ein Gas gefülltes, geschlossenes Volumen (10, 3) ausgeübt wird, dessen Inhalt durch die gewünschte Eigenfrequenz dieses Kolbens bestimmt wird und durch eine seiner Flächen begrenzt wird, welche der Differenz der beiden Arbeitsflächen des genannten Kolbens (6, 6a) entspricht.
  12. Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansrüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche induktive Element (11) ein drehender Teil ist, welcher über einen Kurbeltrieb (23, 24) mit dem Übertragungskolben (6'a, 21) verbunden ist, wobei diesem Kolben (6'a, 21) lineare Führungselemente (31) zugeordnet sind.
  13. Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansrüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sogenannte Resonator zwei identische, rohrförmige Elemente (T1, T2) umfasst, welche an radial entgegengesetzten Positionen des Übertragungskolbens (6, 6a) angeschlossen sind.
  14. Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansrüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Resonator (18) an das Expansionsvolumen (VE) der Stirling-Maschine angeschlossen und mit der heissen Quelle des Stirling-Motors verbunden ist.
  15. Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansrüche 10, 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass vier Stirling-Einheiten durch vier rohrförmige Resonatoren (T1–T4) miteinander verbunden sind, wobei die nicht nebeneinander angeordneten Übertragungskolben (6, 6a) in Phase, die beiden anderen in Gegenhase schwingen.
  16. Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansrüche 10, 11, 12 und 14, dadurch gekennzeichnet dass jedes Ende des rohrförmigen Resonators an einem kalten Kompressionsvolumen (VC), alternativ heissen Expansionsvolumen (VE) einer Stirling-Maschine angeschlossen ist.
  17. Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansrüche, dadurch gekennzeichnet dass die sogenannte heisse Quelle in Form eines Absorbers für Solarstrahlung (28, 29) gestaltet ist.
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