EP0722073A1 - Stirling-Maschine mit Wärmeträgereinspritzung - Google Patents

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EP0722073A1
EP0722073A1 EP96100029A EP96100029A EP0722073A1 EP 0722073 A1 EP0722073 A1 EP 0722073A1 EP 96100029 A EP96100029 A EP 96100029A EP 96100029 A EP96100029 A EP 96100029A EP 0722073 A1 EP0722073 A1 EP 0722073A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat transfer
stirling
heat
transfer fluid
injection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP96100029A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
André Siegel
Kai Schiefelbein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayer AG
Original Assignee
Bayer AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayer AG filed Critical Bayer AG
Publication of EP0722073A1 publication Critical patent/EP0722073A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2244/00—Machines having two pistons

Definitions

  • the invention relates to a Stirling machine as a refrigeration machine or heat pump with improved heat transfer to the working gas or improved heat transfer from the working gas of the Stirling engine to a cooling medium while reducing the dead space in the machine. This is achieved by injecting a heat transfer medium into the working spaces of the Stirling engine.
  • the heat transfer medium is atomized during injection.
  • the increase in heat transfer between the heat transfer medium and gas is essentially due to the increase in the heat transfer surface.
  • Stirling chillers for generating cryotechnical temperatures are known and are described, for example, in G. Walker, Stirling Engines, Clarendon Press, Oxford, 1980, C.M. Hargreaves, The Philips Stirling Engine, Elsevier, Amsterdam, 1991; in A. Binneberg, O. Hempel, A. Tzscheutschler, 15W / 80K integral Stirling refrigerator from Ki Lucas- und Kältetechnik 5/1994 and in J.W.L. Koehler, C.O. Jonkers, basics of gas refrigeration, Philips Technical Review, 15th year, No. 11, May 1954.
  • CFCs or HCFCs chlorofluorocarbons
  • CFCs or HCFCs chlorofluorocarbons
  • the fluorocarbons (HFCs and HFCs) that can be used as substitutes must also be considered environmentally harmful because of their contribution to the greenhouse effect in the atmosphere.
  • the invention has for its object to develop a refrigeration machine or heat pump with an ecologically or toxicologically safe working gas, which can compete with the known cold steam refrigeration machines or cold steam heat pumps in terms of volume performance and the coefficient of performance.
  • a heat transfer fluid is injected into at least one working space of the Stirling refrigerator or heat pump, to which the heat generated during the approximately isothermal compression is transferred or transferred from the working gas the heat absorbed by the working gas is extracted during the approximately isothermal expansion.
  • the heat transfer fluid is injected during expansion or compression.
  • the heat transfer fluid is pumped out of the Stirling refrigeration unit after a liquid separation device via a collector and is returned to the injection pump via a heat exchanger, where it emits the absorbed heat or absorbs heat from the environment.
  • the heat transfer fluid can be precooled or preheated by exchanging heat with the working gas via the cylinder walls of the Stirling engine.
  • the invention relates to a Stirling machine, preferably as a Stirling refrigeration machine or heat pump, consisting of at least one work space, a cold space of a membrane or a piston with a connected gear, optionally a regenerator between the work space and cold space and, if appropriate, overflow lines to the work space, cold space and, if appropriate, regenerator Connect to one another, characterized in that at least one of the rooms is provided with a heat transfer injection, for heat exchange between the respective working gas of the rooms and a heat transfer fluid which may be atomized during the injection, that at least one separator for the heat transfer fluid is attached to at least one of the rooms or is switched on in the optionally existing overflow line and that the heat transfer fluid separated from the working gas is circulated by the separator via a heat exchanger and a pump of the heat transfer medium injection is supplied again.
  • a Stirling machine preferably as a Stirling refrigeration machine or heat pump, consisting of at least one work space, a cold space of a membrane or a piston with a connected
  • Heat transfer fluids with the following properties are preferably used:
  • the heat transfer fluid should in particular have the lowest possible vapor pressure even at the upper process temperature in order to keep contamination of the working gas by the heat transfer medium as low as possible.
  • the heat transfer fluid should have a melting point that is as low as possible, since this determines the lowest possible temperature of the refrigeration.
  • the heat transfer fluid should, in particular, have a low viscosity even at low temperatures, since the viscosity with an exponent of approximately 0.5 enters the nozzle admission pressure required to atomize the heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid should furthermore in particular have good thermal conductivity, since this shortens the time required for heating or cooling the liquid drops.
  • the heat transfer fluid should in particular have a high specific heat capacity, since the volume of liquid to be injected increases linearly as the heat capacity of the heat transfer medium decreases.
  • the heat transfer fluid should preferably also be as chemically inert as possible and, if necessary, temperature-stable to decomposition up to about 150 ° C.
  • the gases helium, hydrogen, nitrogen, argon, neon and air and mixtures of the gases mentioned are particularly suitable.
  • the Stirling engine is designed as a machine with two working pistons and a hanging arrangement of the cylinders.
  • a piston or diaphragm pump is preferably used for each of the two working spaces of the Stirling engine, which may be mechanically coupled to the shaft of the Stirling engine and can also provide the required pumping power for the heat transfer circuit.
  • Single-substance nozzles in particular hollow-cone nozzles, are preferably used as injection nozzles, which enable fine atomization and a narrow droplet spectrum (with respect to the mean droplet diameter) with a relatively low nozzle inlet pressure.
  • the laminar jet disintegration process can be used to generate drops, in which the heat transfer fluid is pumped through capillary hole nozzles.
  • Capillary hole nozzles are understood to mean foils or plates with bores with a diameter of usually ⁇ 500 ⁇ m. The diameter of the holes should preferably be of the order of 50 ⁇ m.
  • the drops are separated from the working gas by means of gravity-assisted centrifugal separation. Cyclones are particularly suitable for this. Another possibility of droplet separation is to pass spray consisting of working gas and atomized heat transfer fluid through a vessel filled with heat transfer fluid so that the droplets remain in the liquid. The smallest droplets of heat transfer medium can also be removed from the working gas with the help of separating sieves.
  • the refrigeration machine or heating machine according to the invention enables the generation of cold or heat by means of environmentally harmless working materials.
  • working gases in question nor the preferred heat transfer medium, e.g. Silicone oils have an effect that damages the ozone layer in the atmosphere or supports the "greenhouse effect”.
  • the formation of a heat transfer circuit in the Stirling engine according to the invention enables spatial separation of the refrigeration or heat generation and their use.
  • the Stirling refrigerator and the Stirling heat pump with heat carrier injection according to the invention can be driven electrically or by mechanical coupling to an engine.
  • Stainless chrome-nickel steels are particularly suitable as materials for the housing and pistons of the Stirling machine, since they combine low thermal conductivity with high strength for metals.
  • Chromium-nickel steels are also a suitable material for the injection nozzles of the heat transfer fluid.
  • the hollow cone nozzles to be used with particular preference are described in different sizes and designs, for example for the cooling of gases or for the deposition of foam.
  • Nickel foils are preferably used to produce capillary hole nozzles.
  • the regenerator of the Stirling machine can in particular consist of wire gauze, wire mesh or sintered material.
  • Pumps suitable for pumping the heat transfer fluid can be either commercially available metering or press pumps or their pump heads, as well as special designs tailored to the requirements of the refrigeration machine.
  • the heat transfer fluid injection is worthwhile in Stirling chillers, above all because of the great importance of the dead space.
  • Good heat transfer between a medium to be cooled or heated and the working gas is important for the performance figure of a Stirling engine.
  • Good heat exchangers from well-known Stirling machines however, have a large internal volume even with a clever design and thus increase the dead space of the machine. The larger dead space in turn not only reduces the performance but also the performance figure of the Stirling engine.
  • heat exchangers cannot be arranged in the expansion room or in the compression room of the machine, but are located on both sides of the regenerator between the work rooms. The heat transfer therefore takes place only after the compression associated with heating the gas or after the expansion associated with the cooling of the working gas.
  • the heat can be supplied or removed directly in the work spaces during the expansion or compression of the working gas, so that approximately isothermal changes in state can be achieved. Because of the low compressibility of the heat transfer fluid, the space to be made available for the fluid volume in the machine does not mean an increase in the dead space. It is thus clear that the heat transfer from the working gas to the atomized heat transfer fluid or from the atomized heat transfer fluid to the working gas is particularly advantageous for the special requirements in a Stirling engine.
  • a heat transfer fluid is preferably used which remains liquid over a wide temperature range, has hardly variable material values and has a very low vapor pressure. This makes it possible to use the same liquid in the warm and cold working space of a Stirling machine without contaminating the working gas of the machine with the vapor of the heat transfer fluid and reduce performance through evaporation or condensation processes.
  • the liquid volumes to be injected are considerably larger and the nozzle admission pressure which is acceptable from an energy point of view is comparatively small.
  • Other nozzles suitable for small nozzle forms for example hollow-cone pressure nozzles or capillary hole nozzles, should therefore preferably be used.
  • FIG. 2 shows the 2 heat flows to be discharged or discharged during the isothermal state changes in the expansion space 11 and in the compression space 12 as a function of the crank angle in a Stirling refrigeration machine calculated according to the Schmidt cycle.
  • FIG. 3 shows the liquid volumes (oil volume flow 3) injected in the time unit into the expansion space 11 and the liquid volumes (oil volume flow 4) injected into the compression space 12 above the crank angle of the Stirling engine.
  • the machine consists of the two cylinders 13 and 14, in which the two working pistons 7 and 8 are located, which are driven by the piston rods 9 and 10 and a crank mechanism, not shown.
  • the working gas is expanded in the working space 11 and compressed in the working space 12. From the expansion space 11, the gas flows via the overflow line 15, the regenerator 17, in which it is heated to the temperature of the compression space 12, and the overflow line 16 into the compression space 12. If the gas flows from the compression space 12 into the expansion space 11, it becomes isochorically cooled to the expansion temperature in the regenerator 17. The changes in condition in the work rooms take place isothermally to a good approximation. The required amounts of heat are supplied or removed via the injected heat transfer fluid.
  • the injection into the expansion space takes place via the injection nozzles 18 during the expansion stroke.
  • One or more hollow cone nozzles are used as injection nozzles, which enable fine atomization of the heat transfer fluid with a low nozzle admission pressure.
  • the heat transfer fluid is atomized during the compression via the injection nozzles 19. Due to its large surface to volume ratio, the liquid spray quickly exchanges large amounts of heat with the working gas of the Stirling refrigerator.
  • the heat transfer fluid is separated via a gravity-assisted centrifugal separator 28 and a fine separating screen 30 from the overflow line 15 between the expansion space and the regenerator and then enters the collector 26.
  • the separation from the overflow line 16 between the compression space and the regenerator is carried out analogously by the centrifugal separator 29 and the fine separating sieve 31, which prevents the regenerator from being exposed to the heat transfer fluid.
  • the cold heat transfer fluid coming from the expansion space flows from the collector 26 through a heat exchanger 24, in which it absorbs heat from the environment to be cooled or from the medium to be cooled.
  • a pipeline then leads to pump 22, which generates the nozzle admission pressure required for atomization by the hollow cone nozzles 18.
  • a single-cylinder reciprocating pump is used as the pump used, which is operated at the same speed as the Stirling engine.
  • the heated heat transfer fluid coming from the compression space flows via the collector 27 through the cooler 25, where it gives off heat to the environment or to a cooling medium.
  • the pump 23 provides the required nozzle pre-pressure for the renewed injection via the nozzles 19 into the compression space 12.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stirling-Maschine als Kältemaschine oder Wärmepumpe mit verbesserter Wärmeübertragung auf das Arbeitsgas bzw. verbesserter Wärmeübertragung vom Arbeitsgas der Stirling-Maschine auf ein Kühlmedium bei gleichzeitiger Verringerung des Totraums in der Maschine. Die Stirling-Maschine arbeitet mit der Einspritzung bzw. Zerstäubung eines Wärmeträgerfluids in die Arbeitsräume der Maschine, wodurch der Wärmeübergang zwischen Wärmeträger und Arbeitsgas verbessert wird. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Stirling-Maschine als Kältemaschine oder Wärmepumpe mit verbesserter Wärmeübertragung auf das Arbeitsgas bzw. verbesserter Wärmeübertragung vom Arbeitsgas der Stirling-Maschine auf ein Kühlmedium bei gleichzeitiger Verringerung des Totraums in der Maschine. Dieses wird erreicht durch die Einspritzung eines Wärmeträgers in die Arbeitsräume der Stirling-Maschine. Der Wärmeträger wird bei der Einspritzung zerstäubt. Die Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen Wärmeträger und Gas beruht im wesentlichen auf der Vergrößerung der Wärmeträgeroberfläche.
  • Stirling-Kältemaschinen zur Erzeugung kryotechnischer Temperaturen (unterhalb von etwa -50°C) sind bekannt und werden beispielsweise in G. Walker, Stirling Engines, Clarendon Press, Oxford, 1980, C.M. Hargreaves, The Philips Stirling Engine, Elsevier, Amsterdam, 1991; in A. Binneberg, O. Hempel, A. Tzscheutschler, 15W/80K-Integral-Stirling-Kältemaschine aus Ki Luft- und Kältetechnik 5/1994 sowie in J.W.L. Köhler, C.O. Jonkers, Grundlagen der Gaskältemaschine, Philips Technische Rundschau, 15. Jahrgang, Nr. 11, Mai 1954 beschrieben.
  • Theoretische Überlegungen zum Einsatz von Stirling-Kältemaschinen in der Kühl- und Klimatechnik wurden ferner bei der AEG Aktiengesellschaft in Heilbronn angestellt (siehe auch H. Laschütza, M. Bareiss, "Ist die Gas-Stirling-Kältemaschine für den Einsatz in der Kühl- und Klimatechnik geeignet?", Vortrag auf der DKV-Jahrestagung vom 17.-19.11.93). Für die Wärmeübertragung auf das Arbeitsgas sind danach berippte Rohre, die von dem Arbeitsgas durchströmt werden, in einer Stirling-Maschine vorgesehen. In der Patentschrift US 5.094.083 wird eine Stirling-Kältemaschine mit einem Wärmeträgerkreislauf zur Kühlung des Fahrgastraums von Automobilen beschrieben. Der Wärmeträger wird in einem mit Bohrungen versehenen Kupferblock am kalten Kopf der Stirling-Kältemaschine abgekühlt und liefert die Kälte über einen konventionellen Wärmeaustauscher an das Fahrzeuginnere.
  • Die Toshiba Corporation hat in Zusammenarbeit mit der National Academy Hashirimizu zwei Stirling-Kältemaschinen zur Erzeugung von Kälte bei Temperaturen von 173 K bzw. 258 K entwickelt (siehe auch H. Kagawa, K. Araoka, T. Otaka, "Design and Development of a Miniature Stirling Machine", Proceedings of the Intersociety Energy Conversion Conference, 1991). Als Wärmeaustauscher werden in diesen Maschinen berippte Rohre und berippte Koaxialrohre eingesetzt, die vom Arbeitsgas der Stirling-Kältemaschinen durchströmt werden.
  • Die Wärmeübertragung bei anderen bekanntgewordenen Stirling-Maschinen erfolgt durch Wärmeleitung durch die Wand des Expansionsraums der Stirling-Kältemaschine.
  • Üblicherweise wird Kälte in der Kühl- und Klimatechnik mittels Kaltdampfkältemaschinen erzeugt, die beispielsweise in der Schrift Jungnickel, Agsten, Kraus, "Grundlagen der Kältetechnik," Verlag C.F. Müller, Karlsruhe, 1981, ausführlich beschrieben werden. Die grundsätzlich gleiche Technik wird auch für Wärmepumpenanwendungen genutzt. Als Arbeitsmittel werden in Kaltdampfmaschinen vorwiegend Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW oder HFCKW) eingesetzt. Die Anwendung der FCKW's als Kältemittel ist nach der FCKW-Verbotsverordnung vom 06.05.91 in der Bundesrepublik Deutschland wegen der ozonschichtzerstörenden Wirkung dieser Verbindungen bereits verboten oder ihr Verbot steht zumindestens unmittelbar bevor (Stand 1994). Die als Ersatzstoffe in Frage kommenden Fluorkohlenwasserstoffe (FKW und HFKW) müssen wegen ihres Beitrages zum Treibhauseffekt in der Atmosphäre ebenfalls als umweltbedenklich betrachtet werden.
  • Die bisher ausgeführten oder vorgeschlagenen Stirling-Kältemaschinen für die Anwendung in umgebungsnahen Temperaturbereichen sowie die Stirling-Wärmepumpen haben im Vergleich zu Kältemaschinen oder Wärmepumpen die auf der Basis des obengenannten Kaltdampfprozesses arbeiten, eine geringere volumenbezogene Leistung und eine niedrigere Leistungszahl. Zudem erschwert die räumliche Nähe von kaltem und warmem Ende der Maschinen den praktischen Einsatz in unterschiedlichen Anwendungen erheblich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kältemaschine bzw. Wärmepumpe mit einem ökologisch bzw. toxikologisch unbedenklichen Arbeitsgas zu entwickeln, die in Bezug auf die volumenbezogene Leistung und die Leistungszahl mit den bekannten Kaltdampfkältemaschinen bzw. Kaltdampfwärmepumpen konkurieren kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer modifizierten Stirling-Kältemaschine oder Stirling-Wärmepumpe in mindestens einen Arbeitsraum der Stirling-Kältemaschine oder Wärmepumpe ein Wärmeträgerfluid eingespritzt wird, auf das die während der näherungsweise isothermen Kompression anfallende Wärme vom Arbeitsgas übertragen wird bzw. dem die während der näherungsweise isothermen Expansion vom Arbeitsgas aufgenommene Wärme entzogen wird. Die Einspritzung des Wärmeträgerfluids findet jeweils während der Expansion bzw. Kompression statt. Das Wärmeträgerfluid wird nach der Wärmeaufnahme bzw. -abgabe hinter einer Flüssigkeitsabscheidevorrichtung über einen Sammler aus der Stirling-Kältemaschine abgepumpt und über einen Wärmeaustauscher, wo es die aufgenommene Wärme abgibt bzw. Wärme aus der Umgebung aufnimmt, wieder zur Einspritzpumpe zurückgeführt. Vor der Einspritzung kann eine Vorkühlung bzw. Vorerwärmung des Wärmeträgerfluids erfolgen, indem über die Zylinderwände der Stirling-Maschine Wärme mit dem Arbeitsgas ausgetauscht wird.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine Stirling-Maschine bevorzugt als Stirling-Kältemaschine bzw. Wärmepumpe, bestehend aus mindestens einem Arbeitsraum, einem Kaltraum einer Membran oder einem Kolben mit verbundenem Getriebe gegebenenfalls einem Regenerator zwischen Arbeitsraum und Kaltraum und gegebenenfalls Überströmleitungen die Arbeitsraum, Kaltraum und gegebenenfalls Regenerator miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens in einem der Räume eine Wärmeträgereinspritzung angebracht ist, zum Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Arbeitsgas der Räume und einem Wärmeträgerfluid, das bei der Einspritzung gegebenenfalls zerstäubt wird, daß mindestens ein Abscheider für das Wärmeträgerfluid an wenigstens einem der Räume angebracht oder in die gegebenenfalls vorhandene Überströmleitung eingeschaltet ist und daß von dem Abscheider das vom Arbeitsgas abgeschiedene Wärmeträgerfluid im Kreislauf über einen Wärmetauscher und eine Pumpe der Wärmeträgereinspritzung wieder zugeführt wird.
  • Vorzugsweise werden Wärmeträgerfluide mit folgenden Eigenschaften verwendet:
    Das Wärmeträgerfluid soll insbesondere einen möglichst kleinen Dampfdruck auch bei der oberen Prozeßtemperatur aufweisen, um Verunreinigungen des Arbeitsgases durch den Wärmeträger so gering wie möglich zu halten.
  • Das Wärmeträgerfluid soll insbesondere einen möglichst tiefen Schmelzpunkt aufweisen, da dieser die tiefstmögliche Temperatur der Kälteerzeugung bestimmt.
  • Das Wärmeträgerfluid soll insbesondere eine niedrige Viskosität auch bei tiefen Temperaturen aufweisen, da die Viskosität mit einem Exponenten von etwa 0,5 in den zur Zerstäubung des Wärmeträgerfluids erforderlichen Düsenvordruck eingeht.
  • Es soll insbesondere eine niedrige Oberflächenspannung auch bei tiefen Temperaturen aufweisen, da die Oberflächenspannung des Fluids mit einem Exponenten von ungefähr 0,5 in den für die Zerstäubung erforderlichen Düsenvordruck eingeht.
  • Das Wärmeträgerfluid soll des weiteren insbesondere eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, da diese die zum Aufheizen bzw. Abkühlen der Flüssigkeitstropfen erforderliche Zeitspanne verkürzt.
  • Das Wärmeträgerfluid soll insbesondere eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweisen, da das einzuspritzende Flüssigkeitsvolumen mit sinkender Wärmekapazität des Wärmeträgers linear ansteigt.
  • Das Wärmeträgerfluid sollte bevorzugt zudem möglichst chemisch inert und gegebenenfalls temperaturstabil gegenüber Zersetzung bis etwa 150°C sein.
  • Diese genannten besonderen Anforderungen an ein geeignetes Wärmeträgerfluid werden beispielsweise von Silikonölen erfüllt.
  • Von den in Frage kommenden Arbeitsgasen für den Stirlingprozeß eignen sich die Gase Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Neon und Luft sowie Mischungen der genannten Gase besonders.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stirling-Maschine als Maschine mit zwei Arbeitskolben und hängender Anordnung der Zylinder ausgebildet. Zur Einspritzung des Wärmeträgerfluids dient bevorzugt je eine Kolben- oder Membranpumpe für die beiden Arbeitsräume der Stirling-Maschine, die unter Umständen mechanisch mit der Welle der Stirlingmaschine gekoppelt sind und auch die erforderliche Pumpleistung für den Wärmeträgerkreislauf bereitstellen können.
  • Als Einspritzdüsen werden bevorzugt Einstoffdüsen, insbesondere Hohlkegeldüsen verwendet, die eine feine Zerstäubung und ein enges Tropfenspektrum (bezüglich des mittleren Tropfendurchmessers) bei verhältnismäßig geringem Düsenvordruck ermöglichen.
  • Alternativ kann zur Tropfenerzeugung der Vorgang des laminaren Strahlzerfalls genutzt werden, bei dem das Wärmeträgerfluid durch Kapillarlochdüsen gepumpt wird. Unter Kapillarlochdüsen werden Folien oder Platten mit Bohrungen verstanden mit einem Durchmesser von überlicherweise <500 µm. Der Durchmesser der Bohrungen sollte hierbei bevorzugt in der Größenordnung von 50 µm liegen.
  • Die Tropfen werden in einer bevorzugten Ausführungsform mittels Schwerkraftunterstützter Fliehkraftabscheidung aus dem Arbeitsgas abgeschieden. Besonders geeignet sind dazu Zyklone. Eine weitere Möglichkeit der Tropfenabscheidung besteht darin, daß Sprüh, bestehend aus Arbeitsgas und zerstäubtem Wärmeträgerfluid, durch ein mit Wärmeträgerfluid gefülltes Gefäß zu leiten, so daß die Tropfen in der Flüssigkeit zurückbleiben. Kleinste Wärmeträgertröpfchen können zusätzlich mit Hilfe von Abscheidesieben aus dem Arbeitsgas entfernt werden.
  • Die erfindungsgemäße Kältemaschine bzw. Wärmemaschine ermöglicht die Kälte- bzw. Wärmeerzeugung mittels umweltunschädlicher Arbeitsstoffe. Weder die in Frage kommenden obengenannten Arbeitsgase noch die vorzugsweise einzusetzenden Wärmeträger z.B. Silikonöl haben eine die Ozonschicht der Atmosphäre schädigende oder den "Treibhauseffekt" unterstützende Wirkung.
  • Gegenüber den meisten bisher ausgeführten Stirling-Kältemaschinen bzw. Stirling-Wärmepumpen erhöht sich die volumenbezogene Kälte- bzw. Wärmeleistung durch den Wegfall des Totraums in den überflüssig gewordenen Wärmetauschern erheblich. Bei vergleichbarer Leistung können die Maschinen somit kompakter, leichter und preiswerter aufgebaut werden. Die in der Herstellung teuren Wärmeaustauscher der bekannten Stirling-Maschinen entfallen. Für die in den Wärmeträgerkreisläufen eingesetzten Wärmeaustauscher können im übrigen Standardgeräte verwendet werden.
  • Die klare räumliche Trennung von Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe der Maschine erleichtert die Planung der Anlage, in der die Maschine zum Einsatz kommen soll. Eine Leistungsregelung durch An- und Abschalten der Maschine wird möglich, da keine nennenswerte Wärmeleitung vom Ort der Wärmeaufnahme zum Ort der Wärmeabgabe stattfindet.
  • Die Ausbildung eines Wärmeträgerkreislaufs in der erfindungsgemäßen Stirling-Maschine ermöglicht eine räumliche Trennung der Kälte- bzw. Wärmeerzeugung und ihrer Nutzung.
  • Die Stirling-Kältemaschine und die Stirling-Wärmepumpe mit Wärmeträgereinspritzung gemäß der Erfindung können elektrisch oder durch mechanische Ankopplung an einen Motor angetrieben werden. Als Material für Gehäuse und Kolben der Stirling-Maschine sind rostfreie Chrom-Nickel-Stähle besonders geeignet, da sie eine für Metalle niedrige Wärmeleitfähigkeit mit hoher Festigkeit verbinden. Chrom-Nickel-Stähle sind auch ein geeignetes Material für die Einspritzdüsen des Wärmeträgerfluids. Die besonders bevorzugt einzusetzenden Hohlkegeldüsen werden in unterschiedlichen Größen und Ausführungen beispielsweise für das Kühlen von Gasen oder für die Schaumniederschlagung beschrieben. Zur Herstellung von Kapillarlochdüsen verwendet man bevorzugt Nickelfolien.
  • Der Regenerator der Stirling-Maschine kann insbesondere aus Draht-Gaze, Draht-Gewebe oder Sintermaterial bestehen.
  • Zum Pumpen des Wärmeträgerfluids geeignete Pumpen können sowohl handelsübliche Dosier- oder Preßpumpen bzw. deren Pumpenköpfe als auch speziell auf die von der Kältemaschine gestellten Anforderungen zugeschnittene Sonderanfertigungen eingesetzt werden.
  • Die Wärmeträgerfluideinspritzung, wie erfindungsgemäß beschrieben, ist in Stirling-Kältemaschinen vor allem wegen der großen Bedeutung des Totraums lohnend. Eine gute Wärmeübertragung zwischen einem zu kühlenden oder zu erwärmenden Medium und dem Arbeitsgas ist für die Leistungszahl einer Stirling-Maschine bedeutend. Gute Wärmeaustauscher bekannter Stirling-Maschinen haben allerdings selbst bei geschickter Gestaltung ein großes Eigenvolumen und vergrößern damit den Totraum der Maschine. Der größere Totraum wiederum verringert nicht nur die Leistung sondern auch die Leistungszahl der Stirling-Maschine. Außerdem können Wärmeaustauscher nicht im Expansionsraum oder im Kompressionsraum der Maschine angeordnet werden, sondern liegen zu beiden Seiten des Regenerators zwischen den Arbeitsräumen. Der Wärmeübergang erfolgt also erst nach der mit Aufheizung des Gases verbundenen Kompression bzw. nach der mit der Abkühlung des Arbeitsgases einhergehenden Expansion. Daraus folgt, daß die Zustandsänderungen in den Arbeitsräumen der Stirling-Maschinen des Standes der Technik eher adiabatisch als isotherm sind. Dadurch vergrößert sich z.B. bei der Stirling-Wärmepumpe bzw. Stirling-Kältemaschine der Abstand zwischen der oberen und der unteren Prozeßtemperatur und die Leistungszahl der Maschinen sinkt. Durch den Wegfall der Wärmeaustauscher und die Einspritzung des Wärmeträgerfluids in die Arbeitsräume der erfindungsgemäßen Stirling-Maschine werden die oben beschriebenen Probleme bekannter Stirling-Maschinen überwunden.
  • Die Wärme kann im Falle der erfindungsgemäßen Stirling-Maschine noch während der Expansion bzw. Kompression des Arbeitsgases direkt in den Arbeitsräumen zugeführt bzw. entzogen werden, so daß näherungsweise isotherme Zustandsänderungen realisiert werden können. Wegen der geringen Kompressibilität der Wärmeträgerflüssigkeit bedeutet der für das Flüssigkeitsvolumen bereitzustellende Raum in der Maschine keine Vergrößerung des Totraums. Es wird somit deutlich, daß die Wärmeübertragung vom Arbeitsgas auf das zerstäubte Wärmeträgerfluid bzw. von dem zerstäubten Wärmeträgerfluid auf das Arbeitsgas für die speziellen Anforderungen in einer Stirling-Maschine ganz besonders vorteilhaft ist.
  • Bevorzugt wird ein Wärmeträgerfluid eingesetzt, das über einen weiten Temperaturbereich flüssig bleibt, kaum veränderliche Stoffwerte und einen sehr niedrigen Dampfdruck aufweist. Dadurch wird es möglich, dieselbe Flüssigkeit im warmen und im kalten Arbeitsraum einer Stirling-Maschine einzusetzen, ohne das Arbeitsgas der Maschine durch den Dampf des Wärmeträgerfluids zu verunreinigen und die Leistung durch Verdampfungs- oder Kondensationsprozesse zu verringern.
  • Die Einspritzung von Flüssigkeiten in Motoren mit innerer Verbrennung ist eine verbreitete und etablierte Technik. Allerdings sind hierbei die einzuspritzenden Volumenströme vergleichsweise gering, die Einspritzzeiten sind sehr kurz und die Düsenvordrucke hoch. In Dieselmotoren werden zur Einspritzung z.B. sogenannte Borda-Düsen verwendet, die für eine feine Zerstäubung der Kraftstoff-Flüssigkeit einen hohen Düsenvordruck benötigen.
  • Bei einer Stirling-Maschine mit Wärmeträgereinspritzung gemäß der Erfindung, sind die einzuspritzenden Flüssigkeitsvolumina wesentlich größer und der unter energetischen Gesichtspunkten akzeptable Düsenvordruck ist vergleichsweise klein. Es sollten daher andere, für kleine Düsenvordrucke geeignete Düsen, beispielsweise Hohlkegeldruckdüsen oder Kapillarlochdüsen, bevorzugt verwendet werden.
  • Die erfindungsgemäße Stirling-Kältemaschine bzw. Stirling-Wärmepumpe kann grundsätzlich in allen Bereichen der Kälte-, Klima- bzw. Wärmepumpentechnik eingesetzt werden. Dazu gehören beispielsweise die folgenden Einsatzgebiete:
    • Wärmepumpen in der Prozeßtechnik, der Medizintechnik und der Trocknungstechnik (Temperatur der Wärmebereitstellung: 80°C bis 120°C)
    • Wärmepumpen zur Raumheizung, zur Wärmerückgewinnung aus Abluft und zur Warmwasserbereitung (Temperatur der Wärmebereitstellung: 20°C bis 70°C)
    • Klimatechnik (Temperatur von 0°C bis 20°C)
    • Lebensmittelfrischhaltung, Speiseeisherstellung, Wassereisherstellung, Kunsteisbahnen, Gefriergründungen, Schachtbau (Temperatur der Kälteerzeugung: -50°C bis 0°C).
    • Maschinenbau, Metallurgie, Trockeneisherstellung, Fügetechnik, Gefriertrocknung, Lagerung von Blutkonserven, Gasbehandlung (< -50°C).
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert.
  • In den Figuren zeigen:
    • Fig. 1
    Das Schema einer erfindungsgemäßen Stirling-Maschine mit Wärmeträgereinspritzung.
    Fig. 2
    Ein berechnetes Diagramm der Wärmeströme, die im Expansions- bzw. Kompressionsraum zu- bzw. abgeführt werden, in einer isotherm arbeitenden Stirling-Maschine, dargestellt in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel.
    Fig. 3
    Ein berechnetes Diagramm des Ölvolumenstroms (Wärmeträgerfluid) in einer erfindungsgemäßen Stirling-Maschine dargestellt in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel.
    Fig. 4
    Ein berechnetes Diagramm der Wärmeströme zwischen Arbeitsgas und Wärmeträgerfluid dargestellt in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel.
  • Der gegenüber bisher ausgeführten Stirling-Maschinen wesentlich verbesserte Wärmeübergang von einem Wärmeträger auf das Arbeitsgas bzw. vom Arbeitsgas auf ein Kühlmedium ermöglicht eine bessere Annäherung der idealerweise isothermen Zustandsänderungen in den Arbeitsräumen der Stirling-Maschine. Figur 2 zeigt die während der isothermen Zustandsänderungen im Expansionsraum 11 und im Kompressionsraum 12 zu- 1 bzw. abzuführenden 2 Wärmeströme in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel in einer nach dem Schmidt-Zyklus berechneten Stirling-Kältemaschine. In der Figur 3 werden die in der Zeiteinheit in den Expansionsraum 11 eingespritzten Flüssigkeitsvolumina (Ölvolumenstrom 3) und die in den Kompressionsraum 12 eingespritzten Flüssigkeitsvolumina (Ölvolumenstrom 4) über dem Kurbelwinkel der Stirling-Maschine dargestellt. Figur 4 zeigt den im Expansionsraum 11 bei konstanter Gastemperatur vom Wärmeträger auf das Arbeitsgas übertragenen Wärmestrom 5 und den im Kompressionsraum 12 bei konstanter Gastemperatur vom Arbeitsgas auf den Wärmeträger übertragenen Wärmestrom 6. Durch die Wärmezufuhr während der Expansion und die Wärmeabfuhr während der Kompression erhöht sich die Leistungszahl der Maschine und ihr Energiebedarf sinkt. Auch die Verkleinerung des Totraums führt zu einer Erhöhung der Leistungszahl.
    • Beispiel
  • Ein Ausführungsbeispiel einer Stirling-Kältemaschine mit Wärmeträgereinspritzung gemäß der Erfindung wird anhand der schematischen Darstellung in Fig. 1 erläutert.
  • Die Maschine besteht aus den zwei Zylindern 13 und 14, in denen sich die beiden Arbeitskolben 7 und 8 befinden, die über die Kolbenstangen 9 und 10 und einen nicht dargestellten Kurbeltrieb angetrieben werden. In dem Arbeitsraum 11 wird das Arbeitsgas expandiert und in dem Arbeitsraum 12 komprimiert. Vom Expansionsraum 11 strömt das Gas über die Überströmleitung 15, den Regenerator 17, in dem es auf die Temperatur des Kompressionsraums 12 erwärmt wird, und die Überströmleitung 16 in den Kompressionsraum 12. Strömt das Gas vom Kompressionsraum 12 in den Expansionsraum 11, so wird es im Regenerator 17 isochor auf die Expansionstemperatur abgekühlt. Die Zustandsänderungen in den Arbeitsräumen finden in guter Näherung isotherm statt. Dabei werden die erforderlichen Wärmemengen über das eingespritzte Wärmeträgerfluid zu- oder abgeführt. Die Einspritzung in den Expansionsraum erfolgt über die Einspritzdüsen 18 während des Expansionshubs. Als Einspritzdüsen kommen eine oder mehrere Hohlkegeldüsen zum Einsatz, die eine feine Zerstäubung des Wärmeträgerfluids bei geringem Düsenvordruck ermöglichen. Im Kompressionsraum wird das Wärmeträgerfluid während der Kompression über die Einspritzdüsen 19 zerstäubt. Das Flüssigkeitssprüh tauscht wegen seines großen Oberflächen- zu Volumenverhältnisses innerhalb kurzer Zeit große Wärmemengen mit dem Arbeitsgas der Stirling-Kältemaschine aus. Das Wärmeträgerfluid wird über einen schwerkraftunterstützten Fliehkraftabscheider 28 und ein Feinabscheidesieb 30 aus der Überströmleitung 15 zwischen Expansionsraum und Regenerator abgeschieden und tritt danach in den Sammler 26 ein. Die Abscheidung aus der Überströmleitung 16 zwischen Kompressionsraum und Regenerator erfolgt analog durch den Fliehkraftabscheider 29 und das Feinabscheidesieb 31, das den Regenerator vor einer Beaufschlagung mit dem Wärmeträgerfluid bewahrt.
  • Vom Sammler 26 strömt das aus dem Expansionsraum kommende kalte Wärmeträgerfluid durch einen Wärmetauscher 24, in dem es Wärme aus der zu kühlenden Umgebung oder von dem zu kühlenden Medium aufnimmt. Über eine Rohrleitung gelangt es dann zu Pumpe 22, die den zur Zerstäubung durch die Hohlkegeldüsen 18 erforderlichen Düsenvordruck erzeugt. Als Pumpe wird eine Einzylinder-Hubkolbenpumpe verwendet, die mit der gleichen Drehzahl wie die Stirling-Maschine betrieben wird.
  • Das aus dem Kompressionsraum kommende erwärmte Wärmeträgerfluid strömt über den Sammler 27 durch den Kühler 25, wo es Wärme an die Umgebung oder an ein Kühlmedium abgibt. Die Pumpe 23 sorgt für den benötigten Düsenvordruck für die erneute Einspritzung über die Düsen 19 in den Kompressionsraum 12.

Claims (9)

  1. Stirling-Maschine bevorzugt als Stirling-Kältemaschine bzw. Wärmepumpe, bestehend aus mindestens einem Arbeitsraum (12), einem Kaltraum (11) einer Membran oder einem Kolben (8) mit verbundenem Getriebe (10) gegebenenfalls einem Regenerator (17) zwischen Arbeitsraum (12) und Kaltraum (11) und gegebenenfalls Überströmleitungen (15 bzw. 16) die Arbeitsraum (12), Kaltraum (11) und gegebenenfalls Regenerator (17) miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens in einem der Räume (11 bzw. 12) eine Wärmeträgereinspritzung (18 bzw. 19) angebracht ist, zum Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Arbeitsgas der Räume (11 bzw. 12) und einem Wärmeträgerfluid (32), das bei der Einspritzung gegebenenfalls zerstäubt wird, daß mindestens ein Abscheider (28 bzw. 29) für das Wärmeträgerfluid (32) an wenigstens einem der Räume (11) bzw. (12) angebracht oder in die gegebenenfalls vorhandene Überströmleitung (15 bzw. 16) eingeschaltet ist und daß von dem Abscheider (28 bzw. 29) das vom Arbeitsgas abgeschiedene Wärmeträgerfluid (32) im Kreislauf über einen Wärmetauscher (24 bzw. 25) und eine Pumpe (22 bzw. 23) der Wärmeträgereinspritzung (18 bzw. 19) wieder zugeführt wird.
  2. Stirling-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträgereinspritzung (18 bzw. 19) Einstoff-Druckdüsen verwendet werden.
  3. Stirling-Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstoff-Druckdüsen Kapillarlochdüsen oder Hohlkegeldüsen sind.
  4. Stirling-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Einspritzung des Wärmeträgerfluids erforderliche Düsenvordruck von diskontinuierlich fördernden Pumpen (22 bzw. 23) erzeugt wird.
  5. Stirling-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpen (22 bzw. 23) über die gleiche Welle angetrieben werden wie die Kolben bzw. Membranen (7 bzw. 8) und gegebenenfalls mit derselben Drehzahl laufen wie diese.
  6. Stirling-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträgerfluid Silikonöl verwendet wird.
  7. Stirling-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheider (28 bzw. 29) durch eine Strömungsumlenkung und/oder ein Abscheidersieb (30 bzw. 31) ergänzt wird.
  8. Stirling-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorkühlung oder Vorerwärmung des Wärmeträgerfluids (32) durch Wärmeaustausch mit dem Arbeitsgas der Stirling-Maschine über die Zylinderwand (13 bzw. 14) der Maschine stattfindet.
  9. Stirling-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Verwendung als Wärmepumpe, Kühl- oder Gefrieraggregat für die Medizintechnik, Wärme-, Kühl-, Trocknungs- oder Klimatechnik.
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