DE9109202U1 - Thermohydraulic working or heat machine operated by external heat supply - Google Patents
Thermohydraulic working or heat machine operated by external heat supplyInfo
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Description
Durch äußere Wärmezufuhr betriebene thermohydrauliGcneThermohydraulics operated by external heat supply
Arbeits- oder WärmemaschineWorking or heat machine
Während der letzten 30 Jahre ist eine Renaissance des klassischen Stirling-Motors zu beobachten, die zu einfacheren und effektiven Konstruktionen geführt hat und einigen Anwendungsfällen den üblisehen Verbrennungsmotor mit Vorteil ersetzen können. Die Gründe hierfür sind die folgenden:Over the last 30 years, there has been a renaissance of the classic Stirling engine, which has led to simpler and more effective designs and can advantageously replace the conventional combustion engine in some applications. The reasons for this are as follows:
&ogr; mäßig hohe Arbeitstemperaturen, daher sehr geringe Emissionen,
speziell an NOx;&ogr; moderately high working temperatures, therefore very low emissions,
especially NOx;
&ogr; hoher thermodynamischer Wirkungsgrad von 30 bis 38%;γ high thermodynamic efficiency of 30 to 38%;
&ogr; wegen der stetig verlaufenden Änderungen des Arbeitsdruckes geringe Geräuschentwicklung; hohe Lebensdauer;&ogr; due to the constant changes in working pressure, low noise level; long service life;
&ogr; wahlweise Beheizung durch flüssige, gasförmige und sogar feste
Brennstoffe.&ogr; optional heating by liquid, gaseous and even solid
fuels.
Die Wirkungsweise des Stirling-Motors läßt sich anhand der schematischen Darstellung in Bild 1 erläutern:The way the Stirling engine works can be explained using the schematic diagram in Figure 1:
Der Motor besteht aus dem Druckzylinder (1), in dem sich der Verdrängerkolben (2) befindet, der das Hubvolumen in den oberen (3) und unteren Arbeitsraum (4) unterteilt, die über den Heizwärmetauscher (5), den thermischen Regenerator (6) und den Kühler (7) kommunizieren. Zylinder und Wärmetauscher bzw. -speicher sind mit Helium- oder Wasserstoffgas von 2 bis 10 MPa (20 bis 100 bar) als Arbeitsmedium gefüllt. Wird der Verdrängerkolkolben (2) zwischen unterem (UT) und oberem Totpunkt (OT) bewegt und das Arbeitsgas vom oberen zum unteren Arbeitsraum gepumpt, so ändert sich bei dieser Zustandsänderung das Gesamtvolumen nicht: im OT befindet sich der Hauptteil der Gasmasse im kalten unteren Arbeitsraum (4) auf der Kühlertemperatur To und im UT des Verdrängers im oberen Arbeitsraum (3) bei der hohen Temperatur T2 des Wärmetauschers (5), der durch den Brenner (15) beheizt wird. Da bei diesem Vorgang das vom Gas eingenommene Volumen konkonstant bleibt, wird sich der Gasdruck bei vernachlässigtem Eigenvolumen der Wärmetauscher und des Regenerators etwa im Verhältnis T2/To, in praxi maximal wie 2:1 ändern.The engine consists of the pressure cylinder (1) in which the displacement piston (2) is located, which divides the displacement volume into the upper (3) and lower working chambers (4), which communicate via the heating heat exchanger (5), the thermal regenerator (6) and the cooler (7). The cylinder and heat exchanger or storage are filled with helium or hydrogen gas at 2 to 10 MPa (20 to 100 bar) as the working medium. If the displacement piston (2) is moved between bottom dead center (BDC) and top dead center (TDC) and the working gas is pumped from the upper to the lower working chamber, the total volume does not change with this change of state: at TDC the majority of the gas mass is in the cold lower working chamber (4) at the cooler temperature To and at the BDC of the displacer in the upper working chamber (3) at the high temperature T2 of the heat exchanger (5), which is heated by the burner (15). Since the volume occupied by the gas remains constant during this process, the gas pressure will change approximately in the ratio T2/To, in practice a maximum of 2:1, if the volume of the heat exchanger and the regenerator is neglected.
Wird der Verdrängerkolben (2) z.B. durch eine von einem Hilfsmotor angetriebene Kurbelwelle über ein Pleuel harmonisch bewegt, ändert sich der Gasdruck im gesamten System periodisch zwischen Maximal- und Minimalwert. Beim Stirling-Motor wird diesem Kreisprozeß mechanische Arbeit dadurch entnommen, daß der untere Arbeitsraum (4) mit einem zweiten Arbeitszylinder verbunden 1st, dessen Kolben über ein Pleuel ebenfalls an dieselbe Kurbelwelle jedoch mit 90° Phasennacheilung gekoppelt 1st und während einer vollen Kurbel Umdrehung ein positives Drehmoment erzeugt.If the displacement piston (2) is moved harmoniously, for example by a crankshaft driven by an auxiliary engine via a connecting rod, the gas pressure in the entire system changes periodically between maximum and minimum values. In the Stirling engine, mechanical work is extracted from this cycle by connecting the lower working chamber (4) to a second working cylinder, the piston of which is also coupled to the same crankshaft via a connecting rod, but with a 90° phase lag, and generates a positive torque during a full crank revolution.
Dieser klassische Stirling-Motor weist einige grundsätzliche Nachteile auf, die besonders bei größeren Leistungen ins Gewicht fallen:This classic Stirling engine has some fundamental disadvantages that are particularly significant at higher outputs:
0 Die Anlenkung und zentrische Führung der beiden Kolben erfordern Kreuzkopfführung, Kreuzkopf sowie Pleuel, welche die an diesen angreifenden Gaskräfte auf die Kurbelwelle (19) übertragen; es entstehen besonders für den Arbeitskolben hohe Querkräfte an der Kreuzkopfführung und an den Lagern der Kurbelwelle große Belastungen, die dem Gasmitteldruck proportional sind;0 The linkage and centric guidance of the two pistons require crosshead guidance, crosshead and connecting rods, which transfer the gas forces acting on them to the crankshaft (19); high transverse forces arise, particularly for the working piston, on the crosshead guidance and on the bearings of the crankshaft, large loads which are proportional to the mean gas pressure;
&ogr; durch Pleuel und die Kurbelwelle werden Massenkräfte in Längs- und Querrichtung Induziert, die besonders bei den Einzylindermaschinen schwer zu kompensieren sind; ihre technische Beherrschung führt zu relativ hohen Herstellungskosten und größerer Schadenserwartung;ϳ through the connecting rod and the crankshaft, mass forces are induced in the longitudinal and transverse directions, which are particularly difficult to compensate for in single-cylinder machines; their technical control leads to relatively high production costs and greater expectation of damage;
&ogr; da bei der harmonischen Kolbenbewegung die Gasgeschwindigkeit in den Wärmetauschern und -speichern zwischen Null und dem Höchstwert pro Umlauf schwankt, resultieren daraus ungünstig hohe Druckverlu-&ogr; Since the gas velocity in the heat exchangers and storage tanks fluctuates between zero and the maximum value per cycle during the harmonic piston movement, this results in unfavorably high pressure losses.
ste und Temperaturdifferenzen, die den thermodynamisehen Wirkungsgrad verringern.ste and temperature differences, which reduce the thermodynamic efficiency.
Die aufgeführten Nachteile und ihre Folgen lassen sich durch die hier beschriebene Erfindung eliminieren, die auf bereits erteilte Patenten sowie beantragten Schutzrechten des Anmelders F.X.EDER (P 33 14 705, 0 178 348, GB 2 183 300 A, US Patent 4,751,819) basiert, das Grundprinzip der thermohydraulischen regenerativen Arbeitsmaschine jedoch beibehält.The disadvantages listed and their consequences can be eliminated by the invention described here, which is based on patents already granted and property rights applied for by the applicant F.X.EDER (P 33 14 705, 0 178 348, GB 2 183 300 A, US Patent 4,751,819), but retains the basic principle of the thermo-hydraulic regenerative working machine.
In Bild 1 ist sie zum Verständnis Ihrer Wirkungsweise vereinfacht dargestellt; sie besteht aus den bereits beschriebenen Komponenten: dem Arbeitszylinder (1) mit seinem Verdrängerkolben (2), der den Hubraum von (1) in das obere (heisse) Teilvolumen (3) und in das untere (kalte) Teilvolumen (4) aufteilt, aus dem Hochtemperatur-Wärmetauscher (5), dem z.B. durch den Gebläsebrenner (15) die erforderliche Heizleistung Q2 zugeführt wird, aus dem thermischen Regenerator (6), in dem im Temperaturbereich zwischen zwischen Heiz- und Kühlertemperatur (T2-T0) der mit dem Arbeitsgas transportierte Wärmeinhalt abgespeichert, bzw.aufgenommen wird, und schließlich aus dem Kühler (7), in welchem dem Arbeitsmedium etwa zwei Drittel der zugeführten Heizleistung als Kühlleistung Qo entzogen wird. Die harmonische Bewegung des Verdrängerkolbens (2) zwischen oberen (OT) und unterem Totpunkt (UT) wird durch die Kurbelwelle (19) erzeugt, an der über ein Pleuel die im Kreuzkopf (17) axial geführte Kolbenstange (16) angelenkt ist. Der Antrieb der Kurbelwelle erfolgt durch den Hilfsmotor (20), dessen Leistung die Strömungsverluste des Arbeitsgases sowie die mechanischen Reibungsverluste der Kolbendichtung u.a. decken muß; sie beträgt zwischen 15 und 25% der indizierten Maschinenleistung.It is shown in simplified form in Figure 1 to help you understand how it works; it consists of the components already described: the working cylinder (1) with its displacement piston (2), which divides the displacement of (1) into the upper (hot) partial volume (3) and the lower (cold) partial volume (4), the high-temperature heat exchanger (5), to which the required heating power Q2 is supplied, for example, by the fan burner (15), the thermal regenerator (6), in which the heat content transported with the working gas is stored or absorbed in the temperature range between the heating and cooling temperatures (T2-T0), and finally the cooler (7), in which around two thirds of the supplied heating power is extracted from the working medium as cooling power Qo. The harmonic movement of the displacement piston (2) between top dead center (TDC) and bottom dead center (BDC) is generated by the crankshaft (19), to which the piston rod (16) guided axially in the crosshead (17) is connected via a connecting rod. The crankshaft is driven by the auxiliary motor (20), the power of which must cover the flow losses of the working gas and the mechanical friction losses of the piston seal, among other things; it is between 15 and 25% of the indicated machine power.
Beim konventionelle Stirling-Motor ist der untere Arbeitsraum (4) mit einem zweiten Arbeitszylinder verbunden, dessen Kolben ebenfalls über Kreuzkopfführung und Pleuel an die Kurbelwelle (19) jedoch mit 90° Phasennacheilung angelenkt 1st; da dieser Kolben während eines Kurbelumlaufs Wellenarbeit leistet, entfällt der Hilfsantrieb.In the conventional Stirling engine, the lower working chamber (4) is connected to a second working cylinder, the piston of which is also connected to the crankshaft (19) via a crosshead guide and connecting rod, but with a 90° phase lag; since this piston performs shaft work during one crank revolution, the auxiliary drive is omitted.
Im Gegensatz hierzu werden bei der thermohydraulisehen Maschine die technischen Schwierigkelten des Kurbelwellenabtriebs dadurch überwunden, daß dieser durch eine Gas-Hydrokolben-Kombination ersetzt wird, welche die periodischen Druckschwankungen des Arbeitsgases benutzt, um hydraulischen Hochdruck zu erzeugen. Dies geschieht im hydraulischen Konverter, der aus dem Druckzylinder (8) besteht, in dem sich der Gaskolben (9) zusammen mit dem Pumpkolben (10) unter der veränderlichen Druckdifferenz zwischen Kolbenvorder- und Rückseite anharmonisch als Freikolben mit der Frequenz des Verdrängerkolbens bewegt. Da die Rückseite von (9) über die Leitung (22) mit dem Kurbelgehäuse (24) und dieses über das Rückschlagventil (23) mit dem unteren Arbeitsvolumen (4) verbunden ist, herrscht dort der minimale Systemdruck po, während auf der Vorderseite von (9) der variable vom Kurbelwinkel &khgr; abhängige Systemdruck p(x) wirkt.In contrast, in the thermo-hydraulic machine the technical difficulties of the crankshaft output are overcome by replacing it with a gas-hydraulic piston combination, which uses the periodic pressure fluctuations of the working gas to generate hydraulic high pressure. This takes place in the hydraulic converter, which consists of the pressure cylinder (8), in which the gas piston (9) together with the pump piston (10) moves anharmonically as a free piston at the frequency of the displacement piston under the changing pressure difference between the front and back of the piston. Since the back of (9) is connected to the crankcase (24) via the line (22) and this is connected to the lower working volume (4) via the check valve (23), the minimum system pressure po prevails there, while the variable system pressure p(x) dependent on the crank angle χ acts on the front of (9).
Befindet sich der Verdrängerkolben (2) im OT, so herrscht im Arbeitszylinder (1) und auch auf der Vorderseite des Gaskolbens (9) der Minimumsdruck des Arbeitsgases, wodurch dieser durch den auf seiner Rückseite wirkenden etwas höheren Gehäusedruck 1n seine linke Endlage geschoben wird. Dabei saugt der an (9) befestigte Pumpkolben (10) über das Saugventil (11) öl aus dem ölbehälter (14) an. Der Pumpzylinder des Konverters (8) ist über das Druckventil (12) mit dem hydraulischen Druckspeicher (13) verbunden, in dem der Speicherdruck ph herrscht. Bewegt sich der Verdrängerkolben (2) nach unten, steigt der Systemdruck p(x), bis im PumpzylInder der Speicherdruck ph erreicht ist, und bleibt bis zum UT konstant. Dabei bewegt sich der Konverterkolben nach rechts und drückt über das Ventil (12) öl in den Speicher. Hydraulischer Pumpdruck und Arbeitsdruck im Zylinder verhaltenIf the displacement piston (2) is at TDC, the minimum pressure of the working gas prevails in the working cylinder (1) and also on the front of the gas piston (9), whereby the latter is pushed to its left end position by the slightly higher housing pressure 1n acting on its rear side. The pump piston (10) attached to (9) sucks oil from the oil tank (14) via the suction valve (11). The pump cylinder of the converter (8) is connected via the pressure valve (12) to the hydraulic pressure accumulator (13), in which the accumulator pressure ph prevails. If the displacement piston (2) moves downwards, the system pressure p(x) increases until the accumulator pressure ph is reached in the pump cylinder and remains constant until the BDC. The converter piston moves to the right and presses oil into the accumulator via the valve (12). Hydraulic pump pressure and working pressure in the cylinder behave
sich wie der Flächen von Gaskolben (9) und Pumpkolben (10). Im Konverter wird der periodische Systemdruck während eines Teils des Arbeitszykus zur Druckförderung von öl oder eines anderen Fluids genutzt; die dabei geleistete Arbeit errechnet sich aus Fördermenge (m3/s) und Druck (Pa).as the surfaces of the gas piston (9) and pump piston (10). In the converter, the periodic system pressure is used during part of the working cycle to pump oil or another fluid under pressure; the work done is calculated from the flow rate (m 3 /s) and pressure (Pa).
1. Mitnutzung des im Hydrospeicher (13) vorhandenen Energievorrats zum periodischen Antrieb des Verdrängerkolbens (2);1. Use of the energy reserve in the hydraulic accumulator (13) to periodically drive the displacement piston (2);
2. die durch den Kreuzkopf (17) geführte und über das Pleuel (18) an die Kurbelwelle (19) angelenkte Kolbenstange (16) des Verdrängerkolbens (2) wird aus dem Hydrospeicher (13) durch das Ventil (21) regelbar von einem Hydromotor (20) angetrieben;2. the piston rod (16) of the displacement piston (2), which is guided through the crosshead (17) and connected to the crankshaft (19) via the connecting rod (18), is driven from the hydraulic accumulator (13) through the valve (21) by a hydraulic motor (20) in a controllable manner;
3. Antrieb und zentrische Führung des Verdrängerkolbens (2) werden gemeinsam vom hydraulischen Zylinder (25) wahrgenommen, der über ein hydraulisches Wegeventil (27) aus dem Hydrospeicher betrieben und und durch einen regelbaren Zeitgeber gesteuert wird;3. The drive and centric guidance of the displacement piston (2) are jointly carried out by the hydraulic cylinder (25), which is operated via a hydraulic directional valve (27) from the hydraulic accumulator and is controlled by an adjustable timer;
4. das zylindrische Kurbelgehäuse (30) dient zugleich als Gaszylinder des Konverters und verringert die Gesamtbauhöhe der Maschine zusätzlich, da auch der hydraulische Verdrängerantrieb (25) im Innern des Verdrängerkolbens (2) untergebracht ist;4. the cylindrical crankcase (30) also serves as the gas cylinder of the converter and further reduces the overall height of the machine, since the hydraulic displacement drive (25) is also housed inside the displacement piston (2);
5. bei regenerativen Wärmemaschinen mit zwei Arbeitszylindern mit ihren um 90° in der Phase verschobenen Verdrängerkolben werden analog die Verdrängerkolben durch Hydrozylinder im Zylinder zentrisch geführt und hydraulisch angetrieben; der in diesem Aggregat ebenfalls periodisch veränderliche Systemdruck wird in einem hydraulischen Konverter zum Aufladen des Hydrospeichers genutzt.5. In regenerative heat engines with two working cylinders with their displacement pistons shifted by 90° in phase, the displacement pistons are guided centrally in the cylinder by hydraulic cylinders and driven hydraulically; the system pressure, which also changes periodically in this unit, is used in a hydraulic converter to charge the hydraulic accumulator.
In Bild 1 wird die einfachste Variante des Konzepts eines hydraulisch angetriebenen Verdrängerkolbens dargestellt: die durch den Dichtring im Zylinderboden und Kreuzkopf (17) zentrisch geführte Kolbenstange (16) des Verdrängerkolbens (2) wird über das Pleuel (18) von der Kurbelwelle (19) angetrieben. Als Hilfsmotor (20) dient erfindungsgemäS ein Hydromotor von kleiner Leistung, d.h. geringen Schluckvolumens (cm3/U), z.B. 1n der Ausführung als Zahnrad- oder Verdränger-Motor. Der Motor (20) wird aus dem Druckspeicher (13) über das Ventil (21) zur Drehzahlregelung angetrieben, wobei der Betriebsdruck durch ein Überströmventil konstant gehalten wird.Figure 1 shows the simplest variant of the concept of a hydraulically driven displacement piston: the piston rod (16) of the displacement piston (2), which is guided centrally by the sealing ring in the cylinder base and crosshead (17), is driven by the crankshaft (19) via the connecting rod (18). According to the invention, a hydraulic motor with low power, ie low displacement volume (cm 3 /rev), e.g. in the design as a gear or displacement motor, serves as the auxiliary motor (20). The motor (20) is driven from the pressure accumulator (13) via the valve (21) for speed control, with the operating pressure being kept constant by an overflow valve.
Das Hauptgewicht der vorliegenden Erfindung wird auf die technische Kombination von mechanischer Führung und linearem Hydroantrieb des Verdrängerkolbens (2) über seine Kolbenstange (16) gelegt. Wie in Bild 2 vereinfacht dargestellt 1st, geschieht dies durch den Hydrozylinder (25), dessen Kolbenstange (16) identisch mit der von (25) ist und die vom Hydrokolben (26) geführt und hydraulisch betätigt wird. Gegenüber dem unteren Arbeitraum (4) des Arbeitszylinders (1) ist die Kolbenstange (16) durch einen Lippenring im Zylinderboden abgedichtet. Die oszillierende Kolbenbewegung wird durch periodische Druckölzufuhr mit Hilfe des Wegeventils (27) eingeleitet, das mechanisch oder durch den Hubmagneten (28) betätigt wird. Dabei wird das aus dem Hydrospeicher (13) über das Regelventil (29) entnommene Drucköl abwechselnd zur oberen (siehe Bild 2) oder unteren Kammer von (25) geleitet, während die inaktive Kammer druckentlastet und in den ölbehälter (14) entleert wird. Durch periodisches Umschalten von (27) fahren ölkolben und Verdränger zwischen ihren Endlagen UT und OT auf und ab, wobei der Zustrom und damit die Kolbengeschwindigkeit über das Ventil (29) verändert werden kann.The main emphasis of the present invention is placed on the technical combination of mechanical guidance and linear hydraulic drive of the displacement piston (2) via its piston rod (16). As shown in simplified form in Figure 2, this is done by the hydraulic cylinder (25), whose piston rod (16) is identical to that of (25) and which is guided and hydraulically operated by the hydraulic piston (26). The piston rod (16) is sealed off from the lower working chamber (4) of the working cylinder (1) by a lip ring in the cylinder base. The oscillating piston movement is initiated by periodic pressure oil supply using the directional control valve (27), which is operated mechanically or by the lifting magnet (28). In this case, the pressure oil taken from the hydraulic accumulator (13) via the control valve (29) is alternately directed to the upper (see Figure 2) or lower chamber of (25), while the inactive chamber is relieved of pressure and emptied into the oil tank (14). By periodically switching (27), the oil piston and displacer move up and down between their end positions BDC and TDC, whereby the inflow and thus the piston speed can be changed via the valve (29).
Bei vorgegebenem Kolbenhub hängen Hubfrequenz, Amplitudenform und ausgeübte Axialkraft von Speicherdruck ph, Hubvolumen des Hubzylinders (25) und dem Strömungswiderstand der Zuleitungen ab. Durch einstellbare Drosselwiderstände kann der ideale Amplitudenverlauf - symmetrische Dreiecksform erreicht werden. Diese bewirkt wegen der konstanten Strömungsgeschwindig-For a given piston stroke, stroke frequency, amplitude shape and applied axial force depend on the accumulator pressure ph, stroke volume of the lifting cylinder (25) and the flow resistance of the supply lines. The ideal amplitude curve - symmetrical triangular shape - can be achieved by adjustable throttle resistances. This causes the constant flow velocity
keit in den Wärmetauschern und -speichern optimalen Wärmeübergang und verringerte Druckverluste sowie eine höhere auf den Hubraum bezogene Nutzleistung der Maschine. Außer einer vergrößerten Literleistung bewirken die erfinderischen Merkmale vor allem eine Verbesserung des thermodynamisehen Wirkungsgrads der damit ausgestatteten regenerativen Arbeits- und Wärmemaschinen als Folge verringerte Druck- und Temperaturdifferenzen sowie des kleineren Leistungsaufwands für den Verdrängerkolben. Durch die einfache Konstruktion und den problemlosen Verdrängerantrieb werden - wie beim Konverter - hohe Betriebsicherheit und Lebensdauer erreicht; die Verwendung kommerzieller hydraulischer Komponenten wie Hydrospeicher, Wege- und Drosselventile, Hydrozylindern wirken sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten aus.The high efficiency in the heat exchangers and accumulators ensures optimal heat transfer and reduced pressure losses as well as a higher useful power of the machine in relation to the displacement. In addition to an increased liter output, the inventive features primarily result in an improvement in the thermodynamic efficiency of the regenerative working and heat machines equipped with them as a result of reduced pressure and temperature differences as well as the lower power requirement for the displacement piston. The simple design and the problem-free displacement drive - as with the converter - achieve high operational reliability and service life; the use of commercial hydraulic components such as hydraulic accumulators, directional and throttle valves, hydraulic cylinders has a positive effect on the manufacturing costs.
Da aus technisch-wirtschaftlichen Gründen der hydraulische Druck oberhalb von 10 MPa (100 bar) gewählt wird, sind für den Verdrängerantrieb Kolbenflächen von 1 cm2 ausreichend, was zu einem relativ kleinen Gesamtdurchmesser des Hydrozylinders führt. Solche Zylinder lassen sich unmittelbar im hohlen Unterteil des Verdrängerkolbens unterbringen und führen zu einer relativ geringen Bauhöhe der Maschine.Since the hydraulic pressure is selected above 10 MPa (100 bar) for technical and economic reasons, piston areas of 1 cm 2 are sufficient for the displacement drive, which leads to a relatively small overall diameter of the hydraulic cylinder. Such cylinders can be accommodated directly in the hollow lower part of the displacement piston and lead to a relatively low overall height of the machine.
Die oben aufgeführten erfinderischen Merkmale - hydraulischer Linearantrieb des Verdrängerkolbens und seine kleinen Abmessungen - werden zusammen mit dem raumsparenden und betriebsicheren Konzept des thermohydraulischen Konverters konsequent in der Konstruktion einer kompakten thermohydraulischen Arbeitsmaschine nach Bild 3 umgesetzt. Der zentrisch in einer Bohrung des Zylinderbodens befestigte Hydrozylinder (25) führt durch seine Kolbenstange (16) den Verdrängerkolben (2), dessen Unterteil entsprechend ausgespart ist, damit dieser im UT den Zylinderboden erreichen kann. Der hydraulische Kolben (26) wird durch das Wegeventil (27) mit Drucköl aus dem Hydrospeicher (13) versorgt und bewegt in der Stellung a den Verdrängerkolben (2) bei geöffnetem Ventil (29) zum OT, wobei die Kolbengeschwindigkeit durch den öldurchsatz pro Hub bestimmt ist. Nach Erreichen des OT wird das Wegeventil vom Hubmagneten (28) durch den Folgeimpuls in die Stellung b umgeschaltet und die ölmenge im Hubzylinder (25) drucklos durch die auf die Kolbenstange (16) wirkende Gaskraft in den Ölbehälter (14) entleert. Der mit variabler Impulsfrequenz über den Hubmagneten angesteuerte Hubzylinder bewegt den Verdrängerkolben (2) periodisch mit konstruktiv festgelegter Amplitude zwischen UT und OT, die trapezförmig oder im Grenzfall dreieckig ist.The inventive features listed above - hydraulic linear drive of the displacement piston and its small dimensions - are consistently implemented together with the space-saving and reliable concept of the thermo-hydraulic converter in the design of a compact thermo-hydraulic working machine as shown in Figure 3. The hydraulic cylinder (25), which is centrally mounted in a bore in the cylinder base, guides the displacement piston (2) through its piston rod (16), the lower part of which is recessed accordingly so that it can reach the cylinder base at BDC. The hydraulic piston (26) is supplied with pressure oil from the hydraulic accumulator (13) through the directional control valve (27) and, in position a, moves the displacement piston (2) to the TDC with the valve (29) open, whereby the piston speed is determined by the oil throughput per stroke. After reaching TDC, the directional control valve is switched to position b by the lifting magnet (28) by the follow-up pulse and the oil quantity in the lifting cylinder (25) is emptied into the oil tank (14) without pressure by the gas force acting on the piston rod (16). The lifting cylinder, which is controlled with a variable pulse frequency via the lifting magnet, moves the displacement piston (2) periodically with a structurally defined amplitude between BDC and TDC, which is trapezoidal or, in the limiting case, triangular.
Auf die vorteilhafte Auswirkung des linear angetriebenen Verdrängerkolbens und der daraus resultierenden konstanten Gasgeschwindigkeit in den Wärmetauschern und im Regenerator ist bereits bei der Anordnung von Bild 2 hingewiesen worden: Verringerung der Temperatur- und Druckdifferenzen und damit Zunahme des gesamten thermodynamisehen Wirkungsgrades. Außerdem wird die damit ausgerüstete Arbeits- oder Wärmemaschine durch Anwendung vorliegender Erfindung zum "Selbstläufer", d.h. von zusätzlichen Energiequellen unabhängig. Bereits für den Startvorgang reicht der im Hydrospeicher vorhandene Druckvorrat bei eingeschalteter Heizung zur Aktivierung des Verdrängerkolbens und damit zum Arbeitsbetrieb aus.The advantageous effect of the linearly driven displacement piston and the resulting constant gas velocity in the heat exchangers and in the regenerator has already been pointed out in the arrangement in Figure 2: reduction in temperature and pressure differences and thus increase in the overall thermodynamic efficiency. In addition, the working or heat machine equipped with it becomes "self-running" through the application of the present invention, i.e. independent of additional energy sources. Even for the start-up process, the pressure reserve in the hydraulic accumulator is sufficient to activate the displacement piston and thus to start working when the heating is switched on.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Beitrag zur Verwirklichung einer kompakten Gesamtanordnung geht aus Bild 3 hervor: anstelle des separaten Konverterzylinders (8) in Bild 1 wird der Konverter als konstruktive Fortsetzung des Arbeitszylinders (1) ausgebildet und das Kurbelgehäuse (24) in Bild 2 als Laufbuchse für den Gaskolben (31) umfunktioniert. Am Zylinderboden von (24) ist der Pumpzylinder (30) befestigt, dessen Kolben (33) durch die Zugstange (32) mit dem Gaskolben (31) verbunden ist und den Freikolben des Konverters bildet.A further inventive contribution to the realization of a compact overall arrangement is shown in Figure 3: instead of the separate converter cylinder (8) in Figure 1, the converter is designed as a structural continuation of the working cylinder (1) and the crankcase (24) in Figure 2 is converted into a liner for the gas piston (31). The pump cylinder (30) is attached to the cylinder base of (24), the piston (33) of which is connected to the gas piston (31) by the pull rod (32) and forms the free piston of the converter.
Der Gasraum zwischen Zylinderboden und Oberseite des Gaskolbens (31) wird - wie bei der Anordnung in Bild 2 - durch das Überströmventil (23) mit dem kalten Arbeitsraum (4) des Arbeitszylinders verbunden und mit dem Minimal-Druck po des Gesamtsystems versorgt. Analog wird dem Arbeitsraum zwischen Unterseite des Gaskolbens (31) und Konverterboden über die Leitung (22) der Systemdruck p(x) zugeführt. Im OT des Verdrängerkolbens stellt sich auf beiden Flächen des Gaskolbens (31) der Minimaldruck po ein und wird dieser wegen der um den Zugstangenquerschnitt verringerten unteren Kolbenfläche in die Anschlagstellung gedrückt. Dabei wird vom Kolben (33) über das Ventil (34) aus dem ölbehälter (14) die gleiche ölmenge angesaugt, die beim vorhergehenden Arbeltshub über das Druckventil (35) in den hydraulischen Speicher (13) gepumpt wurde. Der Vorteil der in Bild 3 dargestellten Pumpenkonstruktion besteht darin, daß die Kolbenstange (32), die gegen den Gasraum von (24) für hohen öl- und Gasdruck abgedichtet ist, nur auf axialen Zug beansprucht wird und daher einen relativ geringen Durchmesser erfordert. The gas space between the cylinder base and the top of the gas piston (31) is - as in the arrangement in Figure 2 - connected to the cold working space (4) of the working cylinder by the overflow valve (23) and supplied with the minimum pressure po of the entire system. Similarly, the system pressure p(x) is supplied to the working space between the bottom of the gas piston (31) and the converter base via the line (22). At the top dead center of the displacement piston, the minimum pressure po is established on both surfaces of the gas piston (31) and is pressed into the stop position due to the lower piston surface being reduced by the cross-section of the tie rod. The piston (33) draws in the same amount of oil from the oil tank (14) via the valve (34) as was pumped into the hydraulic accumulator (13) via the pressure valve (35) during the previous working stroke. The advantage of the pump design shown in Figure 3 is that the piston rod (32), which is sealed against the gas space of (24) for high oil and gas pressure, is only subjected to axial tension and therefore requires a relatively small diameter.
In Bild 3 ist als Anwendungsbeispiel der Betrieb eines leistungsstarken Hydromotors (37) dargestellt, der die geförderte und in (13) beim hydraulischen Druck ph gespeicherte ölmenge in Wellenleistung umwandelt. Zur Anwendung kommen für kleinere Leistungen neben Zahnrad- und Verdrängermotoren vor allen Radial- und Axialkolben-Motoren, von denen die letzteren innerhalb eines größeren Drehzahl-Druck-Bereichs einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Zur Regelung seiner Leistung dienen die Regelventile (36) und (29), mit denen der öldurchsatz, d.h. die Drehzahl des Hydromotors, bzw. die für den Verdrängerantrieb erforderliche hydraulische Leistung geregelt werden. Als weitere Regelgröße wird die Umschaltfrequenz des Wegeventils (27) genutzt, die bei sonst gleichen Betriebsparametern die erzeugte Leistung proportional erhöht.Figure 3 shows an example of the operation of a powerful hydraulic motor (37) which converts the oil quantity delivered and stored in (13) at the hydraulic pressure pH into shaft power. For smaller power outputs, gear and displacement motors are used, as well as radial and axial piston motors, the latter of which have a high level of efficiency within a larger speed-pressure range. The control valves (36) and (29) are used to regulate its power, with which the oil throughput, i.e. the speed of the hydraulic motor, and the hydraulic power required for the displacement drive are regulated. The switching frequency of the directional control valve (27) is used as a further control variable, which increases the power generated proportionally with all other operating parameters remaining the same.
Die in Bild 4 gezeigte Variante des Erfindungsgedankens verfolgt das Ziel, die nur einseitige hydraulische Krafterzeugung im Hydrozylinder (25), der die zentrische Führung und die Linearbewegung des Verdrängerkolbens (2) übernimmt, durch eine doppelwirkende nach Anspruch 6 zu verbessern. Zu diesem Zweck wird der untere Teil (40) der Kolbenstange (16) abgedichtet aus dem Hydrozylinder geführt, so daß der Gasdruck po im Gehäuse (24) auf seine Querschnittsfläche wirkt und die von der Kolbenstange ausgeübte Axialkraft je nach dem Durchmesserverhältnis von (16) und (40) kompensieren kann.The variant of the inventive concept shown in Figure 4 pursues the goal of improving the one-sided hydraulic force generation in the hydraulic cylinder (25), which takes over the centric guidance and linear movement of the displacement piston (2), by a double-acting one according to claim 6. For this purpose, the lower part (40) of the piston rod (16) is sealed out of the hydraulic cylinder so that the gas pressure po in the housing (24) acts on its cross-sectional area and can compensate for the axial force exerted by the piston rod depending on the diameter ratio of (16) and (40).
Bei einer weiteren Variante der Erfindung ist die magnetische Betätigung des Wegeventils (27) durch die Nockenscheibe (38) ersetzt, die das Ventil mechanisch betätigt und durch den elektrischen oder hydraulischen Kleinmoto^veränderlicher Drehzahl angetrieben wird. Die reversierende Linearbewegung von Hydrokolben (26) und Verdränger (2) erfolgt wieder über das Wegeventil (27) aus dem angeschlossenen Versorgungsspeicher (13). Besondere Bedeutung erhält dieser Erfindungsgedanke für Mehrzylindermaschinen,bei denen die Verdrängerkolben mit konstanter gegenseitiger Phasendifferenz umgeschaltet werden müssen. Mit großem Vorteil läßt sich diese Technik bei Maschinen anwenden, die den Vuilleumier-Kreisprozeß für regenerative Wärmepumpen und Kälteanlagen nutzen. Diese bestehen aus zwei Arbeitszylindern mit Verdrängerkolben, die mit 90° Phasendifferenz das Arbeltsgas in den angeschlossenen Wärmetauschern und Regeneratoren zirkulieren lassen. Anstelle des bei solchen Aggregaten bisher ausschließlich angewandten Antriebs der beiden Kolben über Pleuel, Kreuzkopf und Kurbelwelle wird nach der vorliegenden Erfindung dieses technisch und räumlich aufwendige Konzept durch zwei hydraulische Linearantriebe ersetzt. Da der Systemdruck dieser Maschinen periodisch mit einer Druckamplitude von 20 bis 30* des Mitteldrucks schwankt, kann dieser durch einen Druckkonverter in hydraulischen Hochdruck umgewandelt und zum Antrieb der beiden VerdrängerkolbenIn a further variant of the invention, the magnetic actuation of the directional control valve (27) is replaced by the cam disk (38), which mechanically actuates the valve and is driven by the electric or hydraulic small motor with variable speed. The reversing linear movement of the hydraulic piston (26) and displacer (2) is again carried out via the directional control valve (27) from the connected supply reservoir (13). This inventive concept is particularly important for multi-cylinder machines in which the displacer pistons must be switched with a constant mutual phase difference. This technology can be used with great advantage in machines that use the Vuilleumier cycle for regenerative heat pumps and refrigeration systems. These consist of two working cylinders with displacer pistons, which circulate the working gas in the connected heat exchangers and regenerators with a 90° phase difference. Instead of the previously exclusively used drive of the two pistons via connecting rod, crosshead and crankshaft in such units, the present invention replaces this technically and spatially complex concept with two hydraulic linear drives. Since the system pressure of these machines fluctuates periodically with a pressure amplitude of 20 to 30* of the mean pressure, this can be converted into hydraulic high pressure by a pressure converter and used to drive the two displacement pistons.
genutzt werden.be used.
Faßt man die Erfindungsidee und ihr breites Anwendungsspektrum zusammen, so treten der dadurch bewirkte konstruktive Fortschritt und die Vereinfachung des Gesamtkonzepts bei den regenerativen Arbeitsmaschinen besonders in Erscheinung. Der hydraulische Antrieb von Verdränger- und Arbeitskolben macht eine zusätzliche Kolbenführung überflüssig, hat keine störenden Lateralkräfte aufzufangen und läßt sich mit den selben mechanischen Komponenten durch einen hydraulischen Energiespeicher regelbar und in einem zeitlichen Amplitudenverlauf durchführen, der zusätzliche thermodynamsiche Vorteile, wie verbesserten Wirkungsgrad erbringt. Die Kombination mit dem Konzept von Auskopplung und Speicherung hydraulischer Energie bei hohem Druck macht den Betrieb solcher Anlagen ohne Zusatzenergie, d.h. als Selbstläufer möglich.If one summarizes the idea of the invention and its wide range of applications, the resulting constructive progress and the simplification of the overall concept are particularly evident in regenerative work machines. The hydraulic drive of the displacement and working pistons makes additional piston guidance superfluous, does not have to absorb any disruptive lateral forces and can be controlled with the same mechanical components using a hydraulic energy storage device and can be carried out in a temporal amplitude curve, which provides additional thermodynamic advantages such as improved efficiency. The combination with the concept of decoupling and storing hydraulic energy at high pressure makes it possible to operate such systems without additional energy, i.e. as self-running systems.
Der Anwendungsbereich dieser Erfindung ist daher wegen der universellen Verwendung der hydraulischen Energie außerordentlich vielseitig und umfaßt als Kraftquelle den Antrieb von Land- und Wasserfahrzeugen, Gabelstaplern und Baumaschinen, d.h. Maschinen, die mit Vorteil die Fortleitung, Speicherung und Umwandlung von hydraulischer Energie in Wellen-oder Hubarbeit bei hohem Wirkungsgrad nutzen, sowie als Wärmequelle bzw.-senke, wenn sie zur Realisierung des Vuilleumier-Prozesses angewandt wird.The field of application of this invention is therefore extremely versatile due to the universal use of hydraulic energy and includes as a power source for driving land and water vehicles, forklift trucks and construction machinery, ie machines which advantageously use the transmission, storage and conversion of hydraulic energy into shaft or lifting work with high efficiency, and as a heat source or sink when used to implement the Vuilleumier process.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9109202U DE9109202U1 (en) | 1991-07-25 | 1991-07-25 | Thermohydraulic working or heat machine operated by external heat supply |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9109202U DE9109202U1 (en) | 1991-07-25 | 1991-07-25 | Thermohydraulic working or heat machine operated by external heat supply |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE9109202U1 true DE9109202U1 (en) | 1991-10-17 |
Family
ID=6869656
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE9109202U Expired - Lifetime DE9109202U1 (en) | 1991-07-25 | 1991-07-25 | Thermohydraulic working or heat machine operated by external heat supply |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE9109202U1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7032896B2 (en) | 2001-05-11 | 2006-04-25 | Zf Sachs Ag | Piston-cylinder assembly with a bellows |
-
1991
- 1991-07-25 DE DE9109202U patent/DE9109202U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US7032896B2 (en) | 2001-05-11 | 2006-04-25 | Zf Sachs Ag | Piston-cylinder assembly with a bellows |
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