EP2133543A2 - Stirlingmotor und Stromerzeugungsanlage mit einem solchen Stirlingmotor - Google Patents

Stirlingmotor und Stromerzeugungsanlage mit einem solchen Stirlingmotor Download PDF

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EP2133543A2
EP2133543A2 EP09159508A EP09159508A EP2133543A2 EP 2133543 A2 EP2133543 A2 EP 2133543A2 EP 09159508 A EP09159508 A EP 09159508A EP 09159508 A EP09159508 A EP 09159508A EP 2133543 A2 EP2133543 A2 EP 2133543A2
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EP
European Patent Office
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stirling engine
working
compression
piston
engine according
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EP09159508A
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EP2133543A3 (de
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Ernst Haldimann
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Classifications

    • 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
    • F02G1/044—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 having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output

Definitions

  • the invention relates to a type ⁇ Stirling engine with at least two working cylinders and at least two compression cylinders for using a heat source with a low to medium temperature heat for a circulating in the Stirling engine heat transfer medium and a power plant hereby.
  • Stirling engines have already been developed in a variety of designs.
  • a closed working gas eg air or helium
  • helium a closed working gas
  • a common design is a so-called ⁇ -arrangement or referred to as a double-working arrangement.
  • ⁇ -type at least two pistons are housed in separate cylinders and act offset by 90 ° to a common crankshaft. Both pistons perform work depending on the crankshaft position or they displace or compress the gas, whereby both pistons are connected to one another via a stationary regenerator on the respective cylinder head side.
  • Stirling engines are known with double-acting pistons, which each drive a connecting rod, but what makes a so-called crosshead required.
  • DE 3 815 606 FETTE PETER DIPL ING (DE) 22.12.1988 described a gas-liquid heat engine with double-acting piston, which can be operated at lower temperatures, but this is complex and requires a variety of circulation pumps as auxiliary equipment.
  • the object of the invention is to provide a simple structure and low-maintenance Stirling engine with uniform components as possible, the use of heat sources with a low to medium temperature heat still a useful power, especially in connection with a power plant, can provide.
  • Low and medium temperature heat in this context correspond to areas between 70 and 250 degrees Celsius.
  • This object is achieved according to the invention in a simple manner in that a crosswise arrangement of the working cylinder and the compression cylinder is selected, wherein the working or the compression cylinder in this case face each other and are arranged at right angles to each other.
  • the heat transfer medium through this a temperature between 100 ° to 200 ° C, in particular over 120 ° C receives.
  • the temperature transition can also be improved by a plurality of ribs are provided on the inside of the lid and bottoms of the working and compression cylinders, so that thereby the gas in the cylinders can heat or cool more quickly.
  • the temperature transition can be further increased by the pistons of the working and compression cylinders also have on their top and bottom a plurality of ribs to be arranged so that these in the operating state with those on the covers and the bottoms of the respective cylinder combed ribs can comb.
  • the temperature conditions are advantageously approximately equal before and behind each piston.
  • the pistons each have an inner space for a flow of the heat transfer medium and each have a piston rod, which have at least two, especially axially parallel bores for supplying the heat transfer medium in this interior, in which case the respective piston rods in a piston rod guide should be performed, which has at least two cavities for a supply of the heat transfer medium to the piston rods.
  • the mutually opposite piston rods are connected to a yoke frame, and that a connecting rod assigned to the respective yoke frame is mounted on one side of the yoke frame.
  • a connecting rod assigned to the respective yoke frame is mounted on one side of the yoke frame.
  • the usual in Stirling engines type ⁇ regenerators are here advantageously designed as a countercurrent heat storage and contain aluminum exchanger, which have a narrow ribbing, which is why they may be smaller than in conventional Stirling engines and yet a more efficient gas temperature regeneration is achieved.
  • the cylinders and the regenerators of the Stirling engine according to the invention are made thermally insulated, whereby the possible heat losses can not be reduced insignificantly.
  • the inventive Stirling engine is particularly well suited as a drive for a power plant with at least one generator for generating electric eco-electricity, as this alternative heat sources can be used due to its erfindungefflessen design for heating the heat transfer medium, and in particular solar panels, not necessarily the Position of the sun, biogas and landfill gas heating boilers, biomass combustion plants (pellets, wood chips, firewood, straw firing plants) as well as waste heat producing plants with temperatures above 120 ° C.
  • the asynchronous machine can be used both as a starter motor as well as a generator advantageous.
  • the in Fig. 1 in a simplified side view, partly in section shown Stirling engine S has two double-acting cylinder 1, each with a working piston 2 and two double-acting compression cylinder 3, each with a compression piston 4.
  • Double acting means that, for example, the working cylinder 1 two working spaces, namely a first working space A1 and a second working space A2, which is divided by a working piston 2.
  • the working piston 2 in turn consists of a displacer 2V and a piston rod 12 adjoining the displacer 2V.
  • the regenerators 5 adjoin the respective working spaces A1 and A2.
  • the double-acting design also applies to the compression cylinder 3 and the other working cylinder. 1
  • the working cylinder 1 and the compression cylinder 3 are arranged crosswise, in such a way that the working cylinder 1 on the one hand and the compression cylinder 3 on the other hand face each other and are arranged at right angles to each other.
  • This construction principle advantageously multiplies the work surface and there are four work systems in which the respective working piston 2 and compression piston 4 subdivide the working cylinder 1 and the compression cylinder 3 into separate spaces.
  • the working cylinders 1 are in each case so-called warm cylinders and the compression cylinders 3 are so-called cold cylinders.
  • the cylinders are double-walled designed for the purpose of passing a heat or refrigerant, that is, both the cylinder jacket and its lid and bottom are double-walled, which in particular Fig. 2 evident.
  • each cylinder type working cylinder 1, compression cylinder 3
  • a plurality of extending in the direction of work (arrow AR) ribs R are provided, which should also accelerate a heat or cold transition.
  • Both the working piston 2 and the compression piston 4 in turn also have on their upper and lower sides a plurality of pointing in the direction of AR AR ribs R, which are arranged so that they in the operating state with the provided on each cylinder cover and bottom ribs R contactless can comb.
  • the Stirling engine according to the invention comprises regenerators 5, which are designed as countercurrent heat accumulators such that they contain aluminum exchangers which have a relatively narrow ribbing.
  • crank gear is in communication with a flywheel 7, wherein a crank pin cooperates with two connecting rods with a pair of pistons whose respective piston rod are interconnected by means of a yoke frame.
  • the heat supply 10 is divided, so that on the one hand, the supply to the piston 2 and on the other hand can be done in the working cylinder 1, the latter in a double wall DW and the double-walled lid and bottom (not shown in the drawings) of the working cylinder 1 flows.
  • the derivative takes place via a heat dissipation 11.
  • a cold supply by means of a cooling medium takes place directly to the compression cylinders 3, via the cold feed line 8.
  • the cold feed line is divided, so that on the one hand, the supply in the compression piston 4 and on the other hand, the supply can take place in the compression cylinder 3, the latter in a double wall and the double-walled lid and bottom (not shown in the drawings) of the compression cylinder 1 flows.
  • the discharge takes place via a cold discharge 9.
  • the inventive Stirling engine is attached to a machine frame 14 and has - as in Fig. 3 indicated - a coupling 15, to which, for example, a not-shown electrical asynchronous machine can be connected and used as a starter motor or as a generator.
  • heat is supplied to the working cylinders 1 (double-walled bottom, lid and walls and the working piston 2) with the heat transfer medium via the heat supply line 10.
  • a heat transfer medium for example, water or oil come into consideration.
  • the temperature (flow) is about 100-200 degrees Celsius.
  • the working surfaces are substantially enlarged within the working cylinder 1, the heat transfer to a working gas in the system (for example, air or CO2, at a gas pressure of 20 bar) is significantly improved.
  • a working gas in the system for example, air or CO2, at a gas pressure of 20 bar
  • the system After reaching the working temperature, the system is brought to a start on the over the clutch 15 and the crank mechanism coupled thereto 6 together with the flywheel 7 to run. After a short time a working speed of about 1000 U / min is reached.
  • the cooling medium eg water: inlet 25 ° C., outlet 35 ° C.
  • the cooling medium is simultaneously fed via the feed line 8 and the corresponding piston rod guide 13, wherein both the heat transfer medium and the cold medium can each circulate with eg 3000 l / h.
  • the working gas quantity per working system is relatively small, and accordingly the regenerators 5 can also be kept relatively small.
  • a piston overpressure gradually builds up (for example, an average of 4 bar) and the Stirling engine rotates with its own force in a known manner according to the Stirling ⁇ principle and can then be actuated via the clutch 15 (FIG. Fig. 3 ) deliver a mechanical power (eg 9 KW).

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Abstract

Bei einem Stirlingmotor (S) vom Typ ± mit mindestens zwei Arbeitszylindern (1) und mindestens zwei Kompressionszylindern (3) zur Nutzung einer Wärmequelle mit einer Nieder- bis Mitteltemperaturwärme für ein in diesem zirkulierenden Wärmeträgermedium ist die Anordnung der Arbeitszylinder (1) und der Kompressionszylinder (3) kreuzweise vorgesehen, und zwar derart, dass diese sich jeweils einander gegenüber und rechtwinklig zueinander stehen.

Description

    Erfindungsgebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Stirlingmotor vom Typ α mit mindestens zwei Arbeitszylindern und mindestens zwei Kompressionszylindern zur Nutzung einer Wärmequelle mit einer Nieder- bis Mitteltemperaturwärme für ein im Stirlingmotor zirkulierbares Wärmeträgermedium sowie eine Stromerzeugungsanlage hiermit.
    • Stand der Technik
  • Stirlingmotoren sind bereits in einer Vielzahl von Bauformen entwickelt worden. In einer derartigen Wärmekraftmaschine, wird bekanntlich ein abgeschlossenes Arbeitsgas, z.B. Luft oder Helium, von aussen an zwei verschiedenen Bereichen abwechselnd erhitzt und abgekühlt, wodurch mechanische Energie erzeugt wird.
  • Eine übliche Bauform ist dabei eine so genannte α -Anordnung oder auch als doppelarbeitende Anordnung bezeichnet. Bei dem α -Typ sind wenigstens zwei Kolben in separaten Zylindern untergebracht und wirken um 90° versetzt auf eine gemeinsame Kurbelwelle. Dabei verrichten beide Kolben je nach Kurbelwellenposition Arbeit oder sie verdrängen oder verdichten das Gas, wobei beide Kolben über einen ortsfesten Regenerator an der jeweiligen Zylinderkopfseite miteinander verbunden sind.
  • Damit nun derartige Wärmekraftmaschinen eine angemessene Leistung erbringen, müssen die mit Gas gefüllten Zylinder beispielsweise mit rund 700° C und hohen Drücken gefahren werden, was wiederum hohe Anforderungen an die verwendeten Dichtungen stellt. Um dieses Dichtungsproblem zu verringern, hat man versucht, das Kurbelgehäuse dicht zu verschliessen und unter hohem Druck mit Gas zu füllen.
  • Ferner sind Stirlingmotoren mit doppelt wirkenden Kolben bekannt, welche mit je einer Pleuelstange antreiben, was jedoch einen so genannten Kreuzkopf erforderlich macht. Auch ist in der DE 3 815 606 (FETTE PETER DIPL ING (DE)) 22.12.1988 eine Gas-Flüssigkeits-Wärmekraftmaschine mit doppelt wirkenden Kolben beschrieben, die bei tieferen Temperaturen betrieben werden kann, jedoch ist diese aufwendig aufgebaut und benötigt eine Vielzahl von Umwälzpumpen als Hilfsaggregate.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach aufgebauten und wartungsarmen Stirlingmotor mit möglichst einheitlichen Komponenten zu schaffen, der bei Nutzung von Wärmequellen mit einer Nieder- bis Mitteltemperaturwärme noch eine brauchbare Leistung, insbesondere im Zusammenhang mit einer Stromerzeugungsanlage, erbringen kann. Nieder- und Mitteltemperaturwärme entsprechen in diesem Zusammenhang Bereichen zwischen 70 und 250 Grad Celsius.
    • Lösung der Aufgabe
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss in einfacher Weise dadurch gelöst, dass eine kreuzweise Anordnung der Arbeitszylinder und der Kompressionszylinder gewählt wird, wobei die Arbeits- beziehungsweise die Kompressionszylinder sich dabei einander gegenüberstehen und rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
    • Vorteile der Erfindung
  • Nach Massgabe der Erfindung ist es besonders zweckmässig, wenn durch die Nutzung einer Wärmequelle mit Nieder- bis Mitteltemperaturwärme das Wärmeträgermedium durch dieses eine Temperatur zwischen 100° bis 200° C, insbesondere über 120°C, erhält.
  • Insbesondere ist es von grossem Vorteil, wenn die Arbeits- und Kompressionszylinder, und da besonders deren Mäntel, Deckel und Böden zur Durchleitung des Wärmeträgermediums doppelwandig ausgebildet sind, wodurch der Temperaturübergang schneller erfolgen kann.
  • Der Temperaturübergang kann auch noch dadurch verbessert werden, indem auf der Innenseite der Deckel und Böden der Arbeits- und Kompressionszylinder eine Vielzahl von Rippen vorgesehen werden, sodass sich hierdurch das Gas in den Zylindern schneller erwärmen beziehungsweise abkühlen kann.
  • Ferner kann der Temperaturübergang noch dadurch erhöht werden, indem die Kolben der Arbeits- und Kompressionszylinder auf ihrer Ober- und Unterseite ebenfalls eine Vielzahl von Rippen besitzen, die derart anzuordnen sind, dass diese im Betriebzustand mit den an den Deckeln und den Böden der jeweiligen Zylinder vorgesehenen Rippen kämmen können.
  • In diesem Zusammenhang ist noch zu erwähnen, dass bei dem doppelt wirkenden erfindungsgemässen Stirlingmotor die Temperaturverhältnisse vorteilhaft vor und hinter jedem Kolben etwa gleich sind.
  • Ferner kann es von Vorteil sein, wenn die Kolben jeweils einen Innenraum für einen Durchfluss des Wärmeträgermediums aufweisen und jeweils eine Kolbenstange besitzen, die für eine Zuführung des Wärmeträgermediums in diesen Innenraum mindestens zwei, vornämlich achsparallele Bohrungen aufweisen, wobei dann die jeweiligen Kolbenstangen in einer Kolbenstangenführung geführt werden sollten, die für eine Zufuhr des Wärmeträgermediums zu den Kolbenstangen mindesten zwei Hohlräume aufweist. Dies hat vor allem auch den Vorteil, dass, obgleich der erfindungsgemässe Stirlingmotor acht Arbeitsräume besitzt, nach aussen nur vier Kolbenstangendichtungen erforderlich sind. Ferner ergibt sich hieraus der Vorteil, dass die Pendel-Wärmeverluste nicht an den Zylinderwänden und an den Kolben entstehen können, sondern lediglich an den im Durchmesser viel kleineren Kolbenstangen der heissen Zylinder.
  • Auch kann es von Vorteil sein, dass die jeweils einander gegenüberliegenden Kolbenstangen mit einem Jochrahmen miteinander verbunden sind, und dass ein dem jeweiligen Jochrahmen zugeordneter Pleuelkopf an einer Seite des Jochrahmens gelagert wird. Damit erfolgt eine Kraftübertragung je Jochrahmen mit nur einem Pleuel auf einen Kurbelzapfen, sodass keine so genannten Kreuzköpfe benötigt werden. Somit ist nur ein Kurbelzapfen vorhanden, der fest mit einem Schwungrad verbunden ist.
  • Die bei Stirlingmotoren des Typs α üblichen Regeneratoren sind hier vorteilhaft als Gegenstrom-Wärmespeicher ausgebildet und enthalten Aluminiumtauscher, die eine enge Verrippung aufweisen, weswegen diese kleiner als bei herkömmlichen Stirlingmotoren sein können und dennoch eine effizientere Gastemperatur-Regeneration erreicht wird.
  • Auch kann es von Vorteil sein, wenn die Zylinder und die Regeneratoren des erfindungsgemässen Stirlingmotors wärmegedämmt ausgeführt sind, wodurch die möglichen Wärmeverluste nicht unwesentlich verringert werden können.
  • Schliesslich genügt es, wenn für eine Zu- und Ableitung des Wärmeträgermediums jeweils nur eine Umwälzpumpe vorgesehen wird.
  • Der erfindungsgemässe Stirlingmotor eignet sich besonders gut als Antrieb für eine Stromerzeugungsanlage mit mindestens einem Generator zur Erzeugung von elektrischem Öko-Strom, da hierfür aufgrund seiner erfindungemässen Auslegung zur Erwärmung des Wärmeträgermediums alternative Wärmequellen eingesetzt werden können, und zwar wie insbesondere Sonnenkollektoren, die nicht unbedingt dem Sonnenstand nachgeführt werden müssen, Biogas- sowie Deponiegasheizkessel, Biomassenfeuerungsanlagen (Pellets-, Schnitzel-, Stückholz-, Strohfeuerungsanlagen) sowie Abwärme produzierende Anlagen mit Temperaturen über 120° C.
  • Dabei ist es zweckmässig, die Stromerzeugungsanlage mit einer elektrischen Asynchronmaschine auszurüsten, indem diese direkt an einen Maschinenständer angeflanscht und mit ihrem Rotor direkt über eine Kupplung an den Stirlingmotor angeschlossen wird, wobei die Asynchronmaschine sowohl als Startermotor wie auch als Generator vorteilhaft eingesetzt werden kann.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die ein nicht einschränkendes Beispiel darstellt und in der auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
    • Es zeigen
    • Fig. 1
    eine Seitenansicht auf einen erfindungsgemässen Stirlingmotor mit je zwei Arbeits- und Kompressionszylindern, welcher an einem Maschinenständer befestigt ist, teilweise im Schnitt,
    Fig. 2
    eine Ausschnittsvergrösserung eines Bereiches II gemäss Fig. 1 in einem vergrösserten Massstab und
    Fig. 3
    eine weitere Seitenansicht auf den Stirlingmotor gemäss Fig. 1.
    Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
  • Der in Fig. 1 in einer vereinfachten Seitenansicht, teilweise im Schnitt gezeigte Stirlingmotor S besitzt zwei doppelt wirkende Arbeitszylinder 1 mit je einem Arbeitskolben 2 sowie zwei doppelt wirkende Kompressionszylinder 3 mit je einem Kompressionskolben 4. Doppelwirkend bedeutet, dass beispielsweise der Arbeitszylinder 1 zwei Arbeitsräume, nämlich einen ersten Arbeitsraum A1 und einen zweiten Arbeitsraum A2 aufweist, der durch einen den Arbeitskolben 2 geteilt ist. Der Arbeitskolben 2 besteht wiederum aus einem Verdränger 2V und einer an den Verdränger 2V anschliessenden Kolbenstange 12. An die jeweiligen Arbeitsräume A1 und A2 schliessen sich die Regeneratoren 5 an. Die doppelwirkende Ausführung gilt auch für die Kompressionszylinder 3 sowie den weiteren Arbeitszylinder 1.
  • Hierbei sind die Arbeitszylinder 1 und die Kompressionszylinder 3 kreuzweise angeordnet, und zwar derart, dass sich die Arbeitszylinder 1 einerseits und die Kompressionszylinder 3 andererseits einander gegenüberstehen und rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Dieses Bauprinzip vervielfacht vorteilhaft die Arbeitsfläche und es ergeben sich daraus vier Arbeitssysteme, bei denen die jeweiligen Arbeitskolben 2 und Kompressionskolben 4 die Arbeitszylinder 1 und Kompressionszylinder 3 in getrennte Räume unterteilen.
  • Bei den Arbeitszylindern 1 handelt es sich jeweils um so genannte warme Zylinder und bei den Kompressionszylindern 3 um so genannte kalte Zylinder. Bei beiden Zylindertypen sind zum Zwecke einer Durchleitung eines Wärme- beziehungsweise Kältemediums die Zylinder doppelwandig ausgeführt, dass heisst sowohl der Zylindermantel als auch sein Deckel und Boden sind doppelwandig ausgebildet, was insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht.
  • Ferner sind bei jedem Zylindertyp (Arbeitszylinder 1, Kompressionszylinder 3) auf der Innenseite des Deckel- und Bodenbereichs eine Vielzahl von in Arbeitsrichtung (Pfeil AR) verlaufenden Rippen R vorgesehen, welche zusätzlich einen Wärme- beziehungsweise Kälteübergang beschleunigen sollen.
  • Sowohl der Arbeitskolben 2 als auch der Kompressionskolben 4 wiederum besitzen auf ihren Ober- und Unterseiten ebenfalls eine Vielzahl von in Arbeitsrichtung AR zeigender Rippen R, wobei diese so angeordnet sind, dass sie im Betriebszustand mit den am jeweiligen Zylinderdeckel und -boden vorgesehenen Rippen R berührungslos kämmen können.
  • Ferner umfasst der erfindungsgemässe Stirlingmotor Regeneratoren 5, die als Gegenstrom-Wärmespeicher derart ausgebildet sind, dass sie Aluminiumtauscher enthalten, die eine relativ enge Verrippung aufweisen.
  • Das mit 6 bezeichnete Kurbelgetriebe steht mit einem Schwungrad 7 in Verbindung, wobei ein Kurbelzapfen mit zwei Pleuel mit einem Kolbenpaar zusammenarbeitet, deren jeweilige Kolbenstange mittels eines Jochrahmens miteinander verbunden sind. Bei diesem Bauprinzip erübrigen sich die bisher notwendig gewesenen so genannten Kreuzköpfe, wodurch ein besonders leistungsfähiger, leiser und vibrationsfreier Motorbetrieb gewährleistet ist.
  • Die Wärmezufuhr des Wärmeträgermediums erfolgt über eine Wärmezuleitung 10 zu den jeweiligen Arbeitszylindern 1. Dabei teilt sich die Wärmezuleitung 10 auf, so dass zum einen die Zufuhr in den Kolben 2 und zum anderen die Zufuhr in den Arbeitszylinder 1 erfolgen kann, wobei Letztere in eine Doppelwandung DW sowie den doppelwandigen Deckel und Boden (in den Zeichnungen nicht näher dargestellt) des Arbeitszylinders 1 strömt. Die Ableitung erfolgt über eine Wärmeableitung 11.
  • Eine Kältezufuhr mittels eines Kältemediums erfolgt direkt zu den Kompressionszylindern 3, und zwar über die Kaltzuleitung 8. Auch hier teilt sich die Kaltzuleitung auf, sodass zum einen die Zufuhr in den Kompressionskolben 4 und zum anderen die Zufuhr in den Kompressionszylinder 3 erfolgen kann, wobei Letztere in eine Doppelwandung sowie den doppelwandigen Deckel und Boden (in den Zeichnungen nicht näher dargestellt) des Kompressionszylinders 1 strömt. Die Ableitung erfolgt über eine Kälteableitung 9.
  • Der erfindungsgemässe Stirlingmotor ist an einem Maschinengestell 14 befestigt und besitzt - wie in Fig. 3 angedeutet - eine Kupplung 15, an die zum Beispiel eine nicht näher dargestellte elektrische Asynchronmaschine angeschlossen und als Startermotor oder als Generator verwendet werden kann.
    • Funktionsweise
  • Zum Starten der nach dem Stirling- α -Prinzip arbeitenden Wärmekraftmaschine wird mit dem Wärmeträgermedium über die Wärmezuleitung 10 den Arbeitszylindern 1 (doppelwandigen Boden, Deckel und Wandungen sowie des Arbeitskolbens 2) Wärme zugeführt. Als Wärmeträgermedium kommen beispielsweise Wasser oder Öl in Betracht). Die Temperatur (Vorlauf) beträgt ca. 100-200 Grad Celsius.
  • Da die Arbeitsflächen innerhalb des Arbeitszylinders 1 wesentlich vergrössert sind, wird der Wärmeübergang auf ein im System befindliches Arbeitsgas (beispielsweise Luft oder CO2, bei einem Gasdruck von 20 bar) wesentlich verbessert.
  • Nach Erreichen der Arbeitstemperatur wird die Anlage mit einem Anschub über die über die Kupplung 15 und das damit gekoppelte Kurbelgetriebe 6 zusammen mit dem Schwungrad 7 zum Laufen gebracht. Nach kurzer Zeit wird eine Arbeitsdrehzahl von ca. 1000 U/min erreicht.
  • Ferner wird gleichzeitig über die Zuleitung 8 und die entsprechende Kolbenstangenführung 13 das Kältemedium (z.B. Wasser: Zulauf 25°C; Ablauf 35°C) zugeführt, wobei sowohl das Wärmeträgermedium als auch das Kältemedium jeweils mit z.B. 3000 l/h umlaufen kann.
  • Bei einem Kolbendurchmesser der Kolben (Arbeitskolben 2 beziehungsweise Kompressionskolben 4) von zum Beispiel 160 mm und einem Kolbenhub von 60 mm ist die Arbeitsgasmenge pro Arbeitssystem relativ klein, sodass demzufolge die Regeneratoren 5 ebenfalls relativ klein gehalten werden können.
  • Nach dem angegebenen Start des erfindungsgemässen Stirlingmotors baut sich allmählich ein Kolbenüberdruck auf (z.B. im Mittel 4 bar) und der Stirlingmotor dreht mit eigener Kraft in bekannter Weise nach dem Stirling-α-Prinzip weiter und kann sodann über die Kupplung 15 (Fig. 3) eine mechanische Leistung (z.B. von 9 KW) abgeben.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Arbeitszylinder (warm)
    2
    Arbeitskolben (warm) 2V Verdränger
    3
    Kompressionszylinder (kalt)
    4
    Kompressionskolben (kalt)
    5
    Regenerator
    6
    Kurbelgetriebe
    7
    Schwungrad
    8
    Kaltzuleitung
    9
    Kaltableitung
    10
    Warmzuleitung
    11
    Warmableitung
    12
    Kolbenstange
    13
    Kolbenstangenführung
    14
    Maschinenständer
    15
    Kupplung
    R
    Rippen
    DW
    Doppelwandung
    S
    Stirlingmotor
    AR
    Arbeitsrichtung
    A1
    Arbeitsraum
    A2
    Arbeitsraum

Claims (17)

  1. Stirlingmotor vom Typ a mit mindestens zwei Arbeitszylindern (1) und mindestens zwei Kompressionszylindern (3) zur Nutzung einer Wärmequelle mit einer Nieder- bis Mitteltemperaturwärme, d.h. 70 bis 250°C, für ein im Stirlingmotor (S) zirkulierbares Wärmeträgermedium, gekennzeichnet durch eine kreuzweise Anordnung der Arbeitszylinder (1) und der Kompressionszylinder (3), bei der sich die Arbeits- bzw. Kompressionszylinder jeweils einander gegenüber und die Arbeitszylinder rechtwinklig zu den Kompressionszylindern stehen.
  2. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Nutzung der Wärmequelle mit der Nieder- bis Mitteltemperaturwärme das Wärmeträgermedium eine Temperatur zwischen 100 bis 200°C, insbesondere 120°C, aufweist.
  3. Stirlingmotor nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Arbeitszylinder (1) und die Kompressionszylinder (3) jeweils Arbeitskolben (2) bzw. Kompressionskolben (4) aufweisen, welche die Arbeitszylinder (1) und die Kompressionszylinder (3) in je zwei getrennte Arbeitsräume (A1, A2) unterteilen.
  4. Stirlingmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitszylinder (1) und die Kompressionszylinder (3), insbesondere deren Mäntel, Deckel und Böden, zur Durchleitung des Wärmeträgermediums doppelwandig ausgebildet sind.
  5. Stirlingmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Innenseiten der Deckel und Böden der Arbeitszylinder (1) und Kompressionszylinder (3) eine Vielzahl von in Kolbenarbeitsrichtung (AR) verlaufende Rippen (R) vorgesehen sind.
  6. Stirlingmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskolben (2) beziehungsweise Kompressionskolben (4) der Arbeitszylinder (1) und Kompressionszylinder (3) auf ihrer Ober- und/oder Unterseite eine Vielzahl von Rippen (R) aufweisen, die derart angeordnet sind, dass im Betriebszustand diese mit den an den Deckeln und Böden der jeweiligen Zylinder vorgesehenen Rippen (R) kämmen.
  7. Stirlingmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskolben (2) beziehungsweise Kompressionskolben (4) jeweils einen Innenraum für einen Durchfluss des Wärmeträgermediums aufweisen.
  8. Stirlingmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskolben (2) bzw. Kompressionskolben (4) jeweils eine Kolbenstange (12) besitzen, die für eine Zuführung des Wärmeträgermediums in den Innenraum des Arbeitskolbens (2) beziehungsweise Kompressionskolben (4) mindestens zwei achsparallele Bohrungen aufweisen.
  9. Stirlingmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Kolbenstangen (12) in einer Kolbenstangenführung (13) geführt sind, die für eine Zufuhr des Wärmeträgermediums zu den Kobenstangen (12) mindestens zwei Hohlräume aufweist.
  10. Stirlingmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einander gegenüberliegenden Kolbenstangen (12) mit einem Jochrahmen fest miteinander verbunden sind.
  11. Stirlingmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem jeweiligen Jochrahmen zugeordneter Pleuelkopf an einer Seite des Jochrahmens gelagert ist.
  12. Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor (S) Regeneratoren (5) aufweist, die als Gegenstrom-Wärmespeicher ausgebildet sind.
  13. Stirlingmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneratoren (5) Aluminiumtauscher enthalten, die eine Verrippung aufweisen.
  14. Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder und die Regeneratoren wärmegedämmt ausgeführt sind.
  15. Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Zu- und Ableitung des Wärmeträgermediums jeweils eine Umwälzpumpe vorgesehen ist.
  16. Stromerzeugungsanlage mit mindestens einem Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom und einem Stirlingmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als Antrieb, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung des Wärmeträgermediums Wärmequellen wie insbesondere Sonnenkollektoren, Biogaskessel, Biomassenfeuerungsanlagen, Abwärmeeinrichtungen dienen.
  17. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Asynchronmaschine direkt an einen Maschinenständer (14) anflanschbar und deren Rotor direkt über eine Kupplung (15) an die Antriebswelle des Stirlingmotors ankuppelbar ist, wobei die Asynchronmaschine sowohl als Startermotor wie auch als Generator einsetzbar ist
EP09159508A 2008-05-06 2009-05-06 Stirlingmotor und Stromerzeugungsanlage mit einem solchen Stirlingmotor Withdrawn EP2133543A3 (de)

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