EP2333285A1 - Stirling-Verdampfer-Wärmekraftanlage - Google Patents

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EP2333285A1
EP2333285A1 EP10191806A EP10191806A EP2333285A1 EP 2333285 A1 EP2333285 A1 EP 2333285A1 EP 10191806 A EP10191806 A EP 10191806A EP 10191806 A EP10191806 A EP 10191806A EP 2333285 A1 EP2333285 A1 EP 2333285A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
chamber
stirling
power plant
thermal power
piston
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10191806A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gunter Dr. Kaiser
Jürgen Dr. Klier
Moritz Kuhn
Matthias Dr. Schneider
Siegfried Ott
Alexander Lang
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.)
Fox-service GmbH
Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Original Assignee
Fox-service GmbH
Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
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Publication date
Application filed by Fox-service GmbH, Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH filed Critical Fox-service GmbH
Publication of EP2333285A1 publication Critical patent/EP2333285A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • 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
    • F02G2290/00—Engines characterised by the use of a particular power transfer medium, e.g. Helium

Definitions

  • the invention relates to a thermal power plant with external heating, which operates on a Stirling-like principle.
  • a thermal power plant with external heating which operates on a Stirling-like principle.
  • high efficiencies of 10 to 30% can be achieved in the temperature range of 150 to 500 ° C.
  • the system is particularly suitable for use in combined heat and power plants, for uninterruptible power supply units, for emergency generators and for motor vehicle power supplies, such.
  • Combined heat and power plants usually use heat engines with internal heating, and more rarely also heat engines with external heating based on the Stirling, Ericssen or Rankine principle.
  • Heat power plants that operate according to the Rankine principle require a very low upper temperature (heater temperature) of 100 ° C. This makes it possible to use in applications in the automotive sector in addition to the exhaust heat and the heat of the cooling water.
  • a major disadvantage of the Rankine systems is that technically complex and bulky ancillary equipment, such as heat exchangers, condensers, and condensate pumps are required. The efficiency of the systems is in the range of 5 to 10%.
  • the invention has for its object to provide a thermal power plant with external heating, which operates at heater temperatures of 150 to 500 ° C, a achieved high efficiency and easy to regulate.
  • the system should be simple in design and, in particular, require no ancillary equipment.
  • the heat engine / heat engines is / are mechanically constructed like known Stirling heat engines.
  • agents used in contrast to known Stirling heat engines, in which the agents used do not undergo phase changes (the agents are either exclusively gaseous or liquid only), agents used whose boiling point is chosen so that it is in the warm areas the thermal power plant in gaseous form (superheated steam) and liquid in the cold areas, as a transcritical or supercritical phase.
  • agents used are butane, pentane or R245fa.
  • This Stirling-like process represents a combination of the known Stirling principle (without phase change of the working substance) and the Rankine principle. It is referred to below as the evaporator-Stirling process and heat engines operating according to this process are referred to as evaporator-Stirling heat engines ,
  • An advantage of the evaporator-Stirling process is that, if an agent is used, which undergoes a phase transition from liquid to gas, due to the evaporation and condensation processes high pressure ratios of> 10, which are about as high as those in Rankine Process occurring, can be achieved.
  • Stirling processes typically achieve pressure ratios as low as 1.2 to 2.0. By increasing the pressure ratio, the volumetric work output can be increased many times over known Stirling processes.
  • a further advantage of the evaporator-Stirling process is that the working substance in the cooler is present as a liquid, transcritical or supercritical phase. Because of the higher thermal conductivity and the associated higher heat transfer coefficient between the cooler and working fluid, the cooler can be made much smaller with the same power. Also, the regenerator can be made smaller by the use of evaporation and recondensation, since also in this higher heat transfer coefficients are achieved than in conventional gas regenerators.
  • evaporator-stirling processes are comparable to Rankine and ORC processes; in the heater temperature range between 150 and 500 ° C they are clearly superior to the Stirling processes.
  • the filling pressure of evaporator Stirling machines is similar to the suction pressure of the condensate pump of Rankine and ORC machines, whereby the high process medium pressure is built up only after the heating of the heater.
  • the pressure modulation in the cyclic process behaves almost like the pressure difference of Rankine and ORC processes between the suction and discharge side of the condensate pump.
  • the thermal power plant is implemented as a gamma-Stirling heat engine, which is movable from a working chamber with a therein mounted working piston and a fluidically connected to the working chamber, thermal head consists.
  • This comprises a fluidic series circuit of a cooler, a regenerator acting as an evaporator or condenser and a superheater, wherein for this series connection, according to the gamma-Stirling principle, a displacement chamber, in which a displacer is movably mounted, is fluidly connected in parallel.
  • thermal head To increase the power of the thermal power plant several heat engines can be cascaded in parallel. It is also possible, either a plurality of thermal heads fluidly coupled to a working chamber or vice versa several working chambers to a thermal head.
  • the thermal power plant is realized as an alpha Stirling heat engine having a compression chamber in which a compression piston is movably mounted, an expansion chamber, in which an expansion piston is movably mounted, and a fluidic series circuit of a cooler, as an evaporator / Condenser acting regenerator and a superheater includes.
  • the compression chamber is fluidly connected to the radiator and the expansion chamber is fluidly connected to the superheater.
  • the system is operated at higher superheater temperatures of 300 to 500 ° C, it is advantageous to additionally introduce a pulsation tube between the expansion chamber and the superheater.
  • the expansion chamber is decoupled from the temperature level of the superheater and it is possible to operate both the compression and the expansion chamber at ambient temperature. In this way, the leadership, sealing and lubrication of the piston of the two chambers is much easier.
  • thermal power plant consists of several fluidically connected Stirling heat engines, an increase in efficiency can be achieved in that each warm and each cold areas of the individual heat engines are brought into the best possible thermal contact with each other (parallel cascading).
  • the compression and expansion chambers can be structurally combined as a so-called double-acting compression / expansion chamber.
  • the double-acting chamber is tubular and closed on both sides, in which a so-called double-acting piston is movably mounted.
  • One side of the piston forms the compression chamber with the adjacent portion of the double-acting chamber, while the other side of the piston forms the expansion chamber with the adjacent portion of the double-acting chamber.
  • the thermal power plant is accordingly designed as a system of three to five alpha-stirling heat engines, wherein each of the alpha-stirling heat engines from a pulsation tube, a series circuit of a cooler, a regenerator and a superheater and a double-acting compression / Expansion chamber.
  • the compression chamber is fluidly connected to the radiator and the superheater to the warm end of the pulsation tube.
  • the cold end of the pulsation tube of each first to penultimate heat engine is fluidly connected to the expansion chamber of the subsequent heat engine and the cold end of the pulsation tube of the last heat engine is connected to the expansion chamber of the first heat engine.
  • the cold and warm areas of the heat engines are cascaded in parallel. Due to the combination of double action and parallel cascading, particularly high efficiencies can be achieved with this variant.
  • membranes can also be used.
  • the mechanical work generated in the thermal power plant is tapped either mechanically or electrically from the linearly moving pistons or membranes.
  • a mechanical tap of the work can be either rotary using a crank drive or a crank loop, e.g. a connecting rod or the loop of the crank loop is fastened in the middle of the piston, or can be made linear mechanically, e.g. directly a pump is driven.
  • An electrical tap can be powered by means of electrical generators, e.g. Moving coil systems, moving coil and magnetic core systems or piezoelectric systems.
  • Alpha-Stirling evaporator heat engine shown differs from the previous one in that between the superheater 4 and the expansion chamber 15, a Pulsationsrheime is introduced.
  • Fig. 4 and Fig. 5 each show thermal power plants, which are composed of three or four in the form of a ring circuit fluidly connected in series, identical Alpha-Stirling evaporator heat engines.
  • the compression 14 and the expansion chamber 15 are functionally combined in the double-acting compression / expansion chamber 20, wherein the double-acting piston 21 causes the compression with its one side and the expansion with its other side.
  • the compression and expansion take place in the chamber 20 by design by 360 ° out of phase with each other, so due to the interconnection of the individual heat engines with the 3-cycle plant / 4-cycle plants required for the Stirling evaporator process phase shifts of 120 ° / 90 ° can be achieved.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmkraftanlage mit äußerer Beheizung, die nach einem Stirling-ähnlichen Prinzip arbeitet. Die Wärmekraftanlage besteht aus mindestens einer Wärmekraftmaschine, die mechanisch wie eine Stirlingmaschine aufgebaut ist. Es wird jedoch ein Arbeitsstoff eingesetzt, dessen Siedepunkt derart gewählt ist, dass er in den warmen Bereichen der Wärmekraftanlage gasförmig und in den kalten Bereichen flüssig, transkritisch oder überkritisch vorliegt. Mit der Wärmekraftanlage werden gleichzeitig die Vorteile von Stirling-Wärmekraftmaschinen, wie hohe Wirkungsgrade, einfacher Aufbau und unkomplizierte Prozessregelung sowie die von nach dem Rankine-Prinzip arbeitenden Maschinen, insbesondere eine nachhaltige Absenkung der minimalen Erhitzertemperatur auf ca. 150°C, erreicht. Die Anlage eignet sich besonders für den Einsatz in Blockheizkraftwerken, für unterbrechungsfreie Stromversorgungsaggregate, für Notstromaggregate und für Kraftfahrzeug-Energieversorgungen, wie z.B. Auxillary Power Units oder Aggregate, die die Wärme des Abgases nutzen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmkraftanlage mit äußerer Beheizung, die nach einem Stirling-ähnlichen Prinzip arbeitet. Mit der einfach aufgebauten und unkompliziert regelbaren Wärmekraftanlage, können im Temperaturbereich von 150 bis 500 °C hohe Wirkungsrade von 10 bis 30 % erreicht werden. Die Anlage eignet sich besonders für den Einsatz in Blockheizkraftwerken, für unterbrechungsfreie Stromversorgungsaggregate, für Notstromaggregate und für Kraftfahrzeug-Energieversorgungen, wie z.B. Auxillary Power Units oder Aggregate, die die Wärme des Abgases nutzen.
  • Für Blockheizkraftwerke werden üblicherweise Wärmekraftmaschinen mit innerer Beheizung eingesetzt, seltener werden auch Wärmekraftmaschinen mit externer Beheizung verwendet, die auf dem Stirling-, dem Ericssen- oder dem Rankine -Prinzip basieren.
  • Die Gewinnung von mechanischer Energie aus der Wärme der Abgase, die beim Betrieb von Kraftfahrzeugen entstehen, ist prinzipbedingt nur mit Wärmekraftmaschinen mit externer Beheizung möglich. Hierzu werden meist Peltierelemente oder Wärmekraftmaschinen verwendet, die nach einem Stirling-ähnlichen bzw. dem Rankine-Prinzip arbeiten.
  • Systeme mit Peltier-Elementen zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus und enthalten keine bewegten Teile; sie sind deshalb sehr zuverlässig und wartungsfrei. Vorteilhaft ist auch, dass sie mit vergleichsweise geringen oberen Temperaturen von ca. 200°C auskommen. Allerdings können mit Peltier-Elementen gegenwärtig Wirkungsgrade von lediglich 1,5 bis 2% erreicht werden; die bekannten Systeme zur Gewinnung von Energie aus Abgaswärme von Kraftfahrzeugen liefern auch nur maximal 300 W.
  • Wärmekraftanlagen, die nach dem Rankine-Prinzip arbeiten, benötigen eine sehr geringe obere Temperatur (Erhitzertemperatur) von 100°C. Hierdurch wird es möglich, bei Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich neben der Abgaswärme auch die Wärme des Kühlwassers zu nutzen. Ein großer Nachteil der Rankine-Anlagen besteht jedoch darin, dass für ihren Betrieb technisch aufwendige und sperrige Nebenaggregate, wie Wärmetauscher, Kondensatoren, und Kondensatpumpen erforderlich sind. Der Wirkungsgrad der Anlagen liegt im Bereich von 5 bis 10%.
  • Mit Anlagen, die nach dem Stirling- oder dem Ericssen-Prinzip arbeiten, können hohe Wirkungsgrade von 10 bis 30% erreicht werden. Die Anlagen sind einfach zu regeln, für ihren Betrieb sind keine Nebenaggregate erforderlich. Nachteilig ist jedoch, dass diese Anlagen eine vergleichsweise hohe Erhitzertemperatur benötigen, sodass ein effektiver Betrieb erst bei Temperaturen von 500°C möglich ist. Für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen bedeutet dies, dass lediglich aus dem heißesten Anteil der Abgase Energie gewonnen werden kann. Dasselbe gilt auch für einen großen Teil der Anlagen, die nach einem Stirling-ähnlichen Prinzip arbeiten.
  • Aus US 3,996,745 A ist eine mit Wasser als Arbeitsstoff betriebene 3-Zyklen-Stirlinganlage (serielle Ringsschaltung dreier Stirlingmaschinen) bekannt, bei der in den kalten Bereichen das ansonsten gasförmige Wasser durch Einspritzen von flüssigem Wasser teilweise zur Kondensation gebracht wird. Hierdurch wird zwar die Dynamik des Arbeitsprozesses erhöht, der Wirkungsgrad der Maschine verringert sich jedoch deutlich.
  • In US 4,413,475 A und WO 2006126241 A werden Stirlingmaschinen beschrieben, in die flüssiger Arbeitsstoff eingespritzt, wobei der Arbeitsstoff nach dem Einspritzen in die Maschine sofort verdampft, bzw. aus denen flüssiger Arbeitsstoff abgepumpt wird. Das Einspritzen bzw. das Abpumpen des Arbeitsstoffs dient allerdings nur zur Leistungsregelung der Stirlingmaschinen, eine relevante Absenkung der minimalen Erhitzertemperatur wird nicht erreicht.
  • Des Weiteren wird in US 4,637,211 A eine Stirlingmaschine vorgestellt, die nach dem Malone-Prozess arbeitet, also mit flüssigem Arbeitsstoff betrieben wird. Mit der Stirlingmaschine können nur vergleichsweise geringe volumetrische Arbeitsleistungen erreicht werden. Nachteilig sind außerdem die prinzipbedingt in der Maschine auftretenden hohen Druckbelastungen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftanlage mit externer Beheizung zu schaffen, die bei Erhitzertemperaturen von 150 bis 500°C arbeitet, einen hohen Wirkungsgrad erreicht und einfach zu regeln ist. Die Anlage soll einfach aufgebaut sein und insbesondere ohne Nebenaggregate auskommen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 10.
  • Ausgegangen wird von einer Wärmekraftanlage, die aus einer oder mehreren miteinander verschalteten Wärmekraftmaschinen besteht. Die Wärmekraftmaschine/Wärmekraftmaschinen ist/sind mechanisch aufgebaut wie bekannte Stirling-Wärmekraftmaschinen.
  • Nach Maßgabe der Erfindung werden, im Gegensatz zu bekannten Stirling-Wärmekraftmaschinen, in denen die eingesetzten Arbeitsstoffe keine Phasenwechsel durchlaufen (die Arbeitsstoffe liegen entweder ausschließlich gasförmig oder ausschließlich flüssig vor), Arbeitsstoffe eingesetzt, deren Siedepunkt so gewählt ist, dass sie in den warmen Bereichen der Wärmekraftanlage gasförmig (überhitzter Dampf) und in den kalten Bereichen flüssig, als transkritische oder als überkritische Phase vorliegen. Bevorzugte Arbeitsstoffe sind Butan, Pentan oder R245fa.
  • Dieser Stirling-ähnliche Prozess stellt eine Kombination des bekannten Stirling-Prinzips (ohne Phasenwechsel des Arbeitsstoffs) und des Rankine-Prinzips dar. Er wird im Folgenden als Verdampfer-Stirling-Prozess und nach diesem Prozess arbeitende Wärmekraftmaschinen werden als Verdampfer-Stirling-Wärmekraftmaschinen bezeichnet.
  • Ein Vorzug des Verdampfer-Stirling-Prozesses besteht darin, dass, sofern ein Arbeitsstoff verwendet wird, der einen Phasenübergang von flüssig zu gasförmig durchläuft, aufgrund der Verdampfungs- und Kondensationsprozesse hohe Druckverhältnisse von >10, die etwa so hoch sind wie die bei Rankine-Prozessen auftretenden, erreicht werden. Mit Stirling-Prozessen werden typischerweise Druckverhältnisse von lediglich 1,2 bis 2,0 erreicht. Durch die Erhöhung des Druckverhältnisses kann gegenüber bekannten Stirling-Prozessen die volumetrische Arbeitsleistung um ein Vielfaches gesteigert werden.
  • Werden Arbeitsstoffe für den Verdampfer-Stirling-Prozess eingesetzt, die Phasen-übergange von trans- bzw. superkritisch zu gasförmig durchlaufen, können zwar nur Druckverhältnisse von ca. 2 bis 5 erreicht werden, dieser Nachteil wird jedoch durch die wesentlich geringeren Viskositäten (Verringerung der mechanischen Reibung) der trans- bzw. superkritischen Arbeitsstoffe kompensiert.
  • Ein weiterer Vorteil des Verdampfer-Stirling-Prozesses besteht darin, dass der Arbeitsstoff im Kühler als flüssige, transkritische oder überkritische Phase vorliegt. Wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit und der damit verbundenen höheren Wärmeübergangszahl zwischen Kühler und Arbeitsstoff, kann der Kühler bei gleicher Leistung wesentlich kleiner ausgeführt werden. Auch der Regenerator kann durch die Ausnutzung von Verdampfung und Rekondensation kleiner dimensioniert werden, da auch in diesem höhere Wärmeübergangszahlen erreicht werden als in herkömmlichen Gas-Regeneratoren.
  • Hinsichtlich der Leistungszahl und Leistungsdichte sind Verdampfer-Stirling-Prozesse mit Rankine- und ORC-Prozessen vergleichbar; im Erhitzer-Temperaturbereich zwischen 150 und 500 °C sind sie den Stirling-Prozessen deutlich überlegen. Der Fülldruck von Verdampfer-Stirling-Maschinen ist ähnlich wie der Ansaugdruck der Kondensatpumpe von Rankine- und ORC-Maschinen, wobei der hohe Prozessmitteldruck erst nach Erwärmung des Erhitzers aufgebaut wird. Die Druckmodulation im Kreisprozess verhält sich nahezu wie die Druckdifferenz von Rankine- und ORC-Prozessen zwischen der Saug- und Druckseite der Kondensatpumpe.
  • Mit Verdampfer-Stirling-Wärmekraftmaschinen werden somit gleichzeitig die Vorteile von Stirling-Wärmekraftmaschinen, wie hohe Wirkungsgrade, einfacher Aufbau (keine Nebenaggregate erforderlich) und eine unkomplizierte Prozessregelung sowie die von nach dem Rankine-Prinzip arbeitenden Maschinen, insbesondere eine nachhaltige Absenkung der minimalen Erhitzertemperatur auf ca. 150°C, erreicht.
  • In einer Ausführungsform ist die Wärmekraftanlage als Gamma-Stirling-Wärmekraftmaschine realisiert, die aus einer Arbeitskammer mit einem darin beweglich gelagerten Arbeitskolben und einem fluidisch mit der Arbeitskammer verbundenen, thermischen Kopf besteht. Dieser umfasst eine fluidische Serienschaltung aus einem Kühler, einem als Verdampfer bzw. Kondensator wirkenden Regenerator und einem Überhitzer, wobei zu dieser Serienschaltung, entsprechend dem Gamma-Stirling-Prinzip, eine Verdrängerkammer, in der ein Verdrängerkolben beweglich gelagert ist, fluidisch parallel geschaltet ist.
  • Zur Erhöhung der Leistung der Wärmekraftanlage können mehrere Wärmekraftmaschinen parallel kaskadiert werden. Dabei ist es ist auch möglich, entweder mehrere thermische Köpfe fluidisch an eine Arbeitskammer oder andersherum mehrere Arbeitskammern an einen thermischen Kopf anzukoppeln.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Wärmekraftanlage als Alpha-Stirling-Wärmekraftmaschine realisiert, die eine Kompressionskammer, in der ein Kompressionskolben beweglich gelagert ist, eine Expansionskammer, in der ein Expansionskolben beweglich gelagert ist, und eine fluidische Serienschaltung aus einem Kühler, einem als Verdampfer/Kondensator wirkenden Regenerator und einem Überhitzer umfasst. Die Kompressionskammer ist fluidisch mit dem Kühler und die Expansionskammer fluidisch mit dem Überhitzer verbunden.
  • Wird die Anlage bei höheren Überhitzertemperaturen von 300 bis 500°C betrieben, ist es vorteilhaft, zwischen der Expansionskammer und dem Überhitzer zusätzlich eine Pulsationsröhre einzubringen. Hierdurch wird die Expansionskammer vom Temperaturniveau des Überhitzers entkoppelt und es ist möglich, sowohl die Kompressions- als auch die Expansionskammer bei Umgebungstemperatur zu betreiben. Auf diese Weise wird die Führung, Dichtung und Schmierung der Kolben der beiden Kammern wesentlich vereinfacht.
  • Sofern die Wärmekraftanlage aus mehreren fluidisch verbundenen Stirling-Wärmekraftmaschinen besteht, kann eine Erhöhung des Wirkungsgrades dadurch erreicht werden, dass jeweils alle warmen und jeweils alle kalten Bereiche der einzelnen Wärmekraftmaschinen in möglichst guten thermischen Kontakt zueinander gebracht werden (parallele Kaskadierung).
  • Die Kompressions- und die Expansionskammer können strukturell als eine sog. doppelwirkende Kompressions-/Expansionskammer zusammengefasst werden. Die doppelwirkende Kammer ist röhrenförmig und beidseitig geschlossen, wobei in ihr ein sog. doppelwirkender Kolben beweglich gelagert ist. Die eine Seite des Kolbens bildet mit dem an ihn angrenzenden Abschnitt der doppelwirkenden Kammer die Kompressionskammer, während die andere Seite des Kolbens mit dem angrenzenden Abschnitt der doppelwirkenden Kammer die Expansionskammer bildet. So bewirkt bei einer Bewegung des Kolbens seine eine Seite die Expansion und gleichzeitig die andere Seite die Kompression (Doppelwirkung).
  • Da in der doppelwirkenden Kammer prinzipbedingt die Kompression um 360° phasenverschoben zur Expansion erfolgt, für einen effektiven Betrieb von Alpha-Stirling-Wärmekraftmaschinen jedoch eine Phasenverschiebung von 80 bis 120° erforderlich ist, ist ein Einsatz von doppelwirkenden Kammern nur sinnvoll, wenn drei bis fünf Wärmekraftmaschinen in Form einer Ringsschaltung fluidisch seriell miteinander verbunden sind.
  • In einer bevorzugten Variante ist entsprechend die Wärmekraftanlage als System von drei bis fünf Alpha-Stirling-Wärmekraftmaschinen ausgeführt, wobei jede der Alpha-Stirling-Wärmekraftmaschinen aus einer Pulsationsröhre, einer Serienschaltung aus einem Kühler, einem Regenerator und einem Überhitzer sowie aus einer doppelwirkenden Kompressions-/Expansionskammer besteht. Bei jeder der Stirling-Wärmekraftmaschinen ist die Kompressionskammer mit dem Kühler und der Überhitzer mit dem warmen Ende der Pulsationsröhre fluidisch verbunden. Das kalte Ende der Pulsationsröhre der jeweils ersten bis vorletzten Wärmekraftmaschine ist mit der Expansionskammer der nachfolgenden Wärmekraftmaschine und das kalte Ende der Pulsationsröhre der letzten Wärmekraftmaschine ist mit der Expansionskammer der ersten Wärmekraftmaschine fluidisch verbunden. Die kalten und die warmen Bereiche der Wärmekraftmaschinen sind jeweils parallel kaskadiert. Aufgrund der Kombination von Doppelwirkung und paralleler Kaskadierung sind mit dieser Variante besonders hohe Wirkungsgrade erreichbar.
  • Als Alternative zu den Arbeitskolben bei Gamma-Stirlingmaschinen bzw. Kompressions-/Expansionskolben oder doppelwirkenden Kolben bei Alpha-Stirlingmaschinen, können auch Membranen eingesetzt werden.
  • Die in der Wärmekraftanlage erzeugte mechanische Arbeit wird entweder mechanisch oder elektrisch von den sich linear bewegenden Kolben bzw. Membranen abgegriffen.
  • Ein mechanischer Abgriff der Arbeit kann entweder rotatorisch unter Anwendung eines Kurbeltriebs oder einer Kurbelschleife, indem z.B. ein Pleuel oder die Öse der Kurbelschleife mittig am Kolben befestigt wird, oder linear mechanisch erfolgen, indem z.B. direkt eine Pumpe angetrieben wird.
  • Ein elektrischer Abgriff kann mittels elektrischer Generatoren, wie z.B. Systemen mit bewegter Spule, Systemen mit bewegter Spule und Magnetkern oder Piezoelektrischen Systemen, erfolgen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von fünf Ausführungsbeispielen näher erläutert; hierzu zeigen schematisch:
    • Fig. 1:
    eine Gamma-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine;
    Fig. 2:
    eine Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine;
    Fig. 3:
    eine Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine mit Pulsationsröhre;
    Fig.4:
    eine 3-Zyklen-Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftanlage mit Pulsationsröhren;
    Fig.5:
    eine 4-Zyklen-Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftanlage mit Pulsationsröhren;
  • Die in Fig. 1 dargestellte Gamma-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine besteht aus der Arbeitskammer 1 mit dem Arbeitskolben 2 und dem fluidisch mit der Arbeitskammer 1 verbundenen, thermischen Kopf 3. Der thermische Kopf 3 umfasst seinerseits die fluidische Serienschaltung aus dem Kühler 4, dem Regenerator 5 und dem Überhitzer 6, wobei dieser Serienschaltung eine Verdrängerkammer 7 mit einem Verdrängerkolben 8 fluidisch parallel geschaltet ist. Der Betrieb der Wärmekraftmaschine erfolgt zyklisch in den folgenden vier Phasen:
    1. 1.) Kompression: der Verdrängerkolben 8 befindet sich in seiner oberen Stellung und die kalte Teilkammer 9 der Verdrängerkammer 7 hat die maximale Größe. Der Arbeitskolben 2 bewegt sich nach oben und verdichtet flüssigen 10 und dampfförmigen 11 Arbeitsstoff im thermischen Kopf 3; dort steigt der Druck an und der Arbeitskolben 2 leistet Arbeit.
    2. 2.) Überschieben in die warme Teilkammer 12 der Verdrängerkammer 7: der Arbeitskolben 8 befindet sich in der oberen Stellung. Der Verdrängerkolben 8 bewegt sich nach unten und verschiebt den flüssigen Arbeitsstoff 10 über die Serienschaltung in die warme Teilkammer 12. Der Druck steigt aufgrund der Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsstoffs weiter an.
    3. 3.) Expansion: Der Verdrängerkolben 7 befindet sich in der unteren Stellung, die warme Teilkammer 12 der Verdrängerkammer 7 hat dann ihre maximale Größe. Der Arbeitskolben 2 bewegt sich nach unten und entspannt flüssigen 10 und dampfförmigen 11 Arbeitsstoff im thermischen Kopf 3. Der Druck sinkt, am Arbeitskolben 2 wird Arbeit verrichtet.
    4. 4.) Überschieben in die kalte Teilkammer 9: Der Arbeitskolben 2 befindet sich in der unteren Stellung. Der Verdrängerkolben 8 bewegt sich nach oben und verschiebt Arbeitsstoff in Form von überhitztem Dampf über die Serienschaltung zurück in die kalte Teilkammer 9. Der Druck sinkt aufgrund der Abkühlung des dampfförmigen Arbeitsstoffs 11 und aufgrund der Rekondensation auf den Ausgangsdruck vor der Kompression.
  • Die in Fig. 2 dargestellte Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine besteht aus der Kompressionskammer 13 mit dem Kompressionskolben 14, der Expansionskammer 15 mit dem Expansionskolben 16 und der fluidischen Serienschaltung aus dem Kühler 4, dem Verdampfer 5 und dem Überhitzer 6. Die Kompressionskammer 13 ist fluidisch mit dem Kühler 4 und die Expansionskammer 15 mit dem Überhitzer 6 verbunden. Auch der Betrieb der Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine erfolgt zyklisch in vier Phasen:
    1. 1.) Kompression: durch eine Bewegung des Kompressionskolbens 14 vom unteren Totpunkt in Richtung des oberen Totpunkts wird der Arbeitsstoff im thermischen Kopf 3 komprimiert, wobei am System Arbeit geleistet wird.
    2. 2.) Überschieben mit Verdampfung: durch eine Bewegung des Expansionskolbens 16 in Richtung des unteren Totpunkts und des Kompressionskolbens 14 in Richtung des oberen Totpunkts wird flüssiger Arbeitsstoff 10 aus der Kompressionskammer 13 über den Kühler 4, den Regenerator/Verdampfer 5 und den Überhitzer 6 verschoben. Die Expansionskammer 15 füllt sich mit überhitztem Dampf 11 des Arbeitsstoffs, wobei der Druck stark ansteigt.
    3. 3.) Expansion: durch eine Bewegung des Expansionskolbens 16 in Richtung des unteren Totpunkts wird der überhitzte Dampf 11 entspannt, wobei das System Arbeit leistet.
    4. 4.) Überschieben mit Kondensation: durch eine Bewegung des Expansionskolbens 16 in Richtung des oberen Totpunkts und des Kompressionskolbens 14 in Richtung des unteren Totpunkts wird überhitzter Dampf aus der Expansionskammer 15 über den Überhitzer 6, den Regenerator/Kondensator 5 und den Kühler 4 verschoben. Die Kompressionskammer 13 füllt sich mit flüssigem Arbeitsstoff 10, wobei der Druck beträchtlich absinkt.
  • Die in Fig. 3 dargestellte Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschine unterscheidet sich von der vorhergehenden dadurch, dass zwischen dem Überhitzer 4 und der Expansionskammer 15 eine Pulsationsröhre eingebracht ist.
  • Fig. 4 und Fig. 5 zeigen jeweils Wärmekraftanlagen, die aus drei bzw. vier in Form einer Ringsschaltung fluidisch in Serie geschalteten, identischen Alpha-Stirling-Verdampfer-Wärmekraftmaschinen aufgebaut sind. Die Kompressions- 14 und die Expansionskammer 15 sind funktional in der doppelwirkenden Kompressions-/Expansionskammer 20 zusammengefasst, wobei der doppelwirkende Kolben 21 mit seiner einen Seite die Kompression und mit seiner anderen Seite die Expansion bewirkt. Die Kompression und die Expansion erfolgen in der Kammer 20 konstruktionsbedingt um 360° phasenverschoben zueinander, sodass aufgrund der Verschaltung der einzelnen Wärmekraftmaschinen mit den 3-Zyklen-Anlage/4-Zyklen-Anlagen die für den Stirling-Verdampfer-Prozess erforderlichen Phasenverschiebungen von 120°/90° erreicht werden.
    • Liste der verwendeten Bezugszeichen
    • 1
    Arbeitskammer
    2
    Arbeitskolben
    3
    thermischer Kopf
    4
    Kühler
    5
    Regenerator/Verdampfer
    6
    Überhitzer
    7
    Verdrängerkammer
    8
    Verdrängerkolben
    9
    kalte Teilkammer der Verdrängerkammer
    10
    flüssiger, transkritischer oder überkritischer Arbeitsstoff
    11
    dampfförmiger Arbeitsstoff
    12
    warme Teilkammer der Verdrängerkammer
    13
    Kompressionskammer
    14
    Kompressionskolben
    15
    Expansionskammer
    16
    Expansionskolben
    17
    Pulsationsröhre
    18
    warmes Ende der Pulsationsröhre
    19
    kaltes Ende der Pulsationsröhre
    20
    doppelwirkende Kompressions-/Expansionskammer
    21
    doppelwirkender Kolben

Claims (10)

  1. Wärmekraftanlage bestehend aus mindestens einer Wärmekraftmaschine, die mechanisch wie eine Stirlingmaschine aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsstoff eingesetzt ist, dessen Siedepunkt derart gewählt ist, dass er in den warmen Bereichen der Wärmekraftanlage gasförmig ist und in den kalten Bereichen als flüssige, als transkritische oder als überkritische Phase vorliegt.
  2. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsstoff im Butan, Pentan oder R245fa eingesetzt ist.
  3. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie als eine Gamma-Stirling-Wärmekraftmaschine ausgeführt ist, die aus einer Arbeitskammer (1) mit einem darin beweglich gelagerten Arbeitskolben (2) und einen fluidisch mit der Arbeitskammer (1) verbundenen, thermischen Kopf (3) besteht, wobei dieser eine fluidische Serienschaltung aus einem Kühler (4), einem als Verdampfer bzw. Kondensator wirkenden Regenerator (5) und einem Überhitzer (6) umfasst, zu der eine Verdrängerkammer (6), in der ein Verdrängerkolben (6) beweglich gelagert ist, fluidisch parallel geschaltet ist.
  4. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie als System aus mehreren Stirling-Wärmekraftmaschinen ausgeführt ist, wobei jeweils entweder mehrere thermische Köpfe (3) thermisch an eine Arbeitskammer (1) oder mehrere Arbeitskammern (1) an einen thermischen Kopf (3) angekoppelt sind.
  5. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Alpha-Stirling-Wärmekraftmaschine ausgeführt ist, die eine Kompressionskammer (13), in der ein Kompressionskolben (14) beweglich gelagert ist, eine Expansionskammer (15), in der ein Expansionskolben (16) beweglich gelagert ist, und eine fluidische Serienschaltung aus einem Kühler (4), einem als Verdampfer wirkenden Regenerator (5) und einem Überhitzer (6) umfasst, wobei die Kompressionskammer (13) fluidisch mit dem Kühler (4) und die Expansionskammer (15) fluidisch mit dem Überhitzer (6) verbunden ist.
  6. Wärmekraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Expansionskammer (15) und dem Überhitzer (6) eine Pulsationsröhre (17) eingebracht ist.
  7. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mehreren fluidisch verbundenen Stirling-Wärmekraftmaschinen besteht und jeweils die warmen und die kalten Bereiche der einzelnen Wärmekraftmaschinen thermisch miteinander verbunden sind.
  8. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mehreren fluidisch in Serie geschalteten Stirling-Wärmekraftmaschinen besteht.
  9. Wärmekraftanlage nach Anspruch 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine doppelwirkende Kompressions-/Expansionskammer (20) verwendet ist, die röhrenförmig und beidseitig geschlossen ausgeführt ist, wobei in der doppelwirkenden Kammer ein doppelwirkender Kolben (21) beweglich gelagert ist, und die eine Seite des Kolbens mit dem an diesen angrenzenden Abschnitt der Kammer (20) die Kompressionskammer (13) und die andere Seite des Kolbens (21) mit dem angrenzenden Abschnitt der Kammer (20) die Expansionskammer (15) bildet.
  10. Wärmekraftanlage nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie
    als System von drei bis fünf Alpha-Stirling-Wärmekraftmaschinen ausgeführt ist, wobei jede der Alpha-Stirling-Wärmekraftmaschinen aus einer Pulsationsröhre (17), einer Serienschaltung aus einem Kühler (4), einem als Verdampfer wirkenden Regenerator (5) und einem Überhitzer (6) sowie aus einer doppelwirkenden Kompressions-/Expansionskammer (20) besteht, und bei jeder der Stirling-Wärmekraftmaschinen die Kompressionskammer (13) mit dem Kühler (4) sowie der Überhitzer (6) mit dem warmen Ende (18) der Pulsationsröhre (17) fluidisch verbunden ist, wobei jeweils dass kalte Ende (19) der Pulsationsröhre (17) der ersten bis vorletzten Wärmekraftmaschine mit der Expansionskammer (15) der nachfolgenden Wärmekraftmaschine und dass kalte Ende (19) der Pulsationsröhre (17) der letzten Wärmekraftmaschine mit der Expansionskammer (15) der ersten Wärmekraftmaschine fluidisch verbunden ist.
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