NL9001730A

NL9001730A - Koelsysteem voor een stirlingmotor.

Info

Publication number: NL9001730A
Application number: NL9001730A
Authority: NL
Original assignee: Gold Star Co
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 1992-02-17
Also published as: SE467421B; SE9002472L; NL194377B; SE9002472D0; NL194377C; US5056316A

Description

Koelsysteem voor een stirlingmotor

Achtergrond van de uitvinding

De uitvinding heeft betrekking voor een koelsysteem voor een stirlingmotor, en meer in het bijzonder op een koelsysteem voor een stirlingmotor bij welke het arbeidsfluïdum van de motor gekoeld wordt door gebruik van een thermo-elektrische warmtepomp zodat continue circulatie van koelwater niet noodzakelijk is en warmte die verwijderd is uit het arbeidsfluïdum gebruikt wordt voor het voorverwarmen van voedings-lucht van de verwarmingskamer.

In het algemeen maakt een stirlingmotor van een zodanige karakteristiek gebruik, dat, wanneer een gas verwarmd wordt binnen een hermetisch afgedichte houder, de druk daarbij toeneemt, en wanneer deze afgekoeld wordt de druk afneemt, en een dergelijke stirlingmotor zal onder verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen onderstaand in detail worden beschreven.

Zoals afgebeeld in fig. 3 is een bekende stirlingmotor voorzien van een arbeidszuiger 2 en een verdringingszuiger 3 binnen een cilinder 1, en is een arbeidskamer 4 voor gecomprimeerd arbeidsfluïdum gelegen in het middengedeelte van de cilinder 1 en is een warme ruimte 5 waarin arbeidsmedium expandeert aanwezig bij het bovengedeelte van de cilinder 1, en is een verbrandingskamer 6 gelegen bij het bovengedeelte van de cilinder 1, en is een luchtvoorverwarmer 7 voor het verwarmen en vervolgens toevoeren van omgevingslucht aan de verbrandingskamer 6 aanwezig aan een zijde van genoemde verbrandingskamer 6.

Verder, is een regenerator 8 aangebracht rondom het bovengedeelte van genoemde cilinder 1, waarbij deze regenerator 8 en genoemde arbeidskamer 4 verbonden zijn door middel van koelpijpen 9. terwijl een koelka-mer 10 voor het circuleren van koelwater aangebracht is rond deze koelpijpen 9, terwijl genoemde regenerator 8 en de warme ruimte 5 verbonden zijn met verwarmingspijpen 11. In de tekeningen beduidt de referentie 7a een inlaat voor de luchtvoorwarmer 7. terwijl de referentie 10a en 10b de inlaat en de uitlaat van genoemde koelkamer 10 aangeven.

Volgens een aldus geconstrueerde stirlingmotor, wordt warmte vanuit de verbrandingskamer 6, wanneer het arbeidsfluïdum passeert van de arbeidskamer 4 door de koelpijpen 9 en de generator 8 en tenslotte de verhittingspijpen 11, opgenomen, waardoor de druk toeneemt, en deze toegenomen druk is werkzaam op de arbeidszuiger 2 waardoor de arbeidszuiger 2 omlaag gedrukt wordt.

In tegenstelling hiermee, wanneer het arbeidsfluïdum stroomt van de hete ruimte 5 door de verhittingspijpen 11 en de generator 8 en tenslotte naar de koelpijpen 9. wordt het arbeidsfluïdum afgekoeld en de druk neemt af waardoor de arbeidszuiger 2 omhoog kan bewegen.

Bij een stirlingmotor derhalve gaat de arbeidszuiger 2 omlaag wanneer het arbeidsfluïdum verhit wordt en wanneer het arbeidsfluïdum gekoeld wordt, beweegt de arbeidszuiger 2 omhoog, en wanneer een dergelijke heen en weer gaande beweging van de arbeidszuiger 2 herhaald wordt, wordt nuttig vermogen daaruit verkregen.

Bij de normale stirlingmotor zoals boven beschreven, is het koelsysteem op een dergelijke manier gemaakt dat de koelkamer 10 gevormd is rond de koelpijpen 9 en het inwendige van genoemde koelkamer 10 is er voor ingericht om doorstroomd te worden door koelwater vanaf de inlaat 10a naar de uitlaat 10b zodat het arbeidsmedium in de koelpijp 9 afgekoeld wordt, zodat derhalve een dergelijk conventioneel koelsysteem altijd gevoed moet worden met koelwater, waardoor er vele problemen ontstaan voor het verkrijgen van koelwater in gebieden met watergebrek waardoor beperkingen aangebracht moesten worden wat betreft het gebruik, en aangezien de warmte weggekoeld is, wordt het arbeidsfluïdum niet opnieuw gebruikt voor het bedrijven van de stirlingmotor en omdat deze afgevoerd wordt naar de omgeving, is er een aanzienlijk warmteverlies.

Als voorbeeld, loopt het warmteverlies tengevolge van het koelwater op tot 30-40# van de aan de motor toegevoerde warmte.

Samenvatting van de uitvinding

De uitvinding beoogt een koelsysteem voor een stirlingmotor te verschaffen waarbij een continue toevoer van koelwater niet nodig is en waarbij warmte welke weggekoeld is uit het arbeidsmedium, teruggewonnen wordt, zodat het thermisch nuttig effect verbeterd kan worden.

De uitvinding wordt gekenmerkt doordat de koeler opgebouwd is met een thermo-elektrische warmtepomp voor het overbrengen van warmte door middel van elektrische energie aan de koelpijpen welke de verbinding vormen tussen de arbeidskamer en de regenerator, en dat de koelkamer gevormd rond de koeler en de luchtverhitter gevormd aan een zijde van de verbrandingskamer met elkaar verbonden zijn.

De thermo-elektrische warmtepomp is zodanig geconstrueerd dat hij de vorm van een houder heeft en inwendig gevuld is met koelwater, en dat ten minste een koelpijp verbonden is met het inwendige van genoemde thermo-elektrische warmtepomp zodat het arbeidsmedium stroomt door die koelpijp. De thermo-elektrische warmtepomp is op zodanige wijze geconstrueerd dat de binnenzijde van het omtreksoppervlak gekoeld wordt en de buitenzijde verwarmd wordt overeenkomstig de gelijkstroom die aangelegd is door het elektrisch verbinden met een elektrische vermogensbron voor gelijkstroom, en dat een aantal vinnen voor de warmte-overdracht zijn aangebracht op de uitwendige omtrek van de hoofdwand.

Volgens het koelsysteem van de uitvinding, wordt gelijkstroom gevoed aan de thermo-elektrische warmtepomp wanneer de stirlingmotor in bedrijf is, en wordt koelwater aanwezig in het inwendige ervan gekoeld en wordt het arbeidsmedium gekoeld door het koelwater terwijl het passeert door de koelpijpen. En koellucht wordt gevoed en geleid naar de koelkamer rond de koeler waardoor de koelkamer af gekoeld wordt, en aldus wordt voorverwarmde lucht gevoerd door de luchtvoorverwarmer naar de verbrandingskamer. Daardoor wordt het koel-nuttig effect van het arbeidsmedium volgens de uitvinding verbeterd en tegelijkertijd het ver-brandings-nuttig effect van de brandstof verbeterd waardoor het thermisch nuttig effect van de motor verbeterd wordt.

Korte beschrijving van de tekeningen

Fig. 1 toont een schematische dwarsdoorsnede van de stirlingmotor volgens de uitvinding,

Fig. 2 toont een gedeelte op vergrote schaal in dwarsdoorsnede langs de lijn A-A van fig. 1, terwijl

Fig. 3 een schematische dwarsdoorsnede toont van een bekende stirlingmotor.

Gedetailleerde beschrijving van een voorkeursuitvoeringsvorm

Onderstaand wordt een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding beschreven in detail onder verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen.

Zoals afgebeeld in de fig. 1 en 2, is de uitvinding zodanig gevormd dat een koeler 13 bevattende een thermo-elektrische warmtepomp 13' verbonden is met koelpijpen 12 die verbonden zijn tussen de arbeidskamer 4 en een regenerator 8 en dat een uitlaat 10b van de koelkamer 10 en een inlaat 7a van de luchtvoorverwarmer 7 met elkaar verbonden zijn.

De thermo-elektrische warmtepomp 13' heeft de vorm van een houder gevuld met water en maakt gebruik van een Peltier-element dat gebruik maakt van het Peltier-effect, en de vorm is cilindrisch volgens de tekening, doch andere vormen kunnen eveneens gebruikt worden.

Verder is een koelpijp 12 verbonden met de buitenzijde van genoemde thermo-elektrische warmtepomp 13' en verschillende aantallen koelpijpen 12’ zijn in het inwendige ervan geplaatst, zodat in het arbeidsmedium dat stroomt door de uitwendige pijp 12 naar het inwendige van de koeler 13 door verschillende aantallen koelpijpen 12' passeert in het inwendige waardoor dit effectiever gekoeld wordt.

Evenwel is het eveneens mogelijk om slechts de ene koelpijp te laten passeren door het inwendige van genoemde thermo-elektrische warmtepomp 13 ', zodat het arbeidsfluïdum passeert door de enkele pijp 12 en daarbij gekoeld wordt.

Een aantal vinnen lk voor warmteafgifte zijn gevormd op het uitwendige oppervlak van de thermo-elektrische warmtepomp 13* van de koeler 13 zoals boven beschreven.

De koelkamer 10 wordt gebruikt als luchtkoelkamer voor het geleiden van de koellucht vanaf de inlaat 10a waarbij genoemde koeler 13 met lucht gekoeld wordt door de koellucht, en de verbindingspijp 15 is aangebracht voor het toevoeren van de lucht die verhit is in de luchtkoelkamer 10 naar genoemde luchtvoorverhitter 7·

Het is gewenst dat genoemde verbindingspijp 15 vervaardigd wordt van een isolatiemateriaal.

De thermo-elektrische warmtepomp 13' van de koeler is op zodanige manier geconstrueerd dat het inwendige wandgedeelte afgekoeld wordt terwijl het gedeelte aan de buitenzijde verwarmd wordt als gevolg van het aanleggen van een gelijkstroom, en deze gelijkstroom zou verkregen kunnen worden door het aandrijven van een kleine, niet weergegeven, gelijkstroomgenerator afhankelijk van het vermogen van de stirlingmotor, echter is het eveneens mogelijk een afzonderlijke gelijkstroom vermo-gensbron te gebruiken.

Volgens de voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding zoals boven beschreven, wordt gelijkstroom aangelegd op de thermo-elektrische warmtepomp 13' van de koeler 13 gedurende de bedrijfstijd van de stirlingmotor waardoor de binnenzijde gekoeld wordt en daardoor het koelwater dat aanwezig in het inwendige wordt afgekoeld, en terwijl het arbeidsmedium stroomt van de uitwendige koelpijp 12 naar het inwendige van de koelpijpen 12' en daardoor afgekoeld worden door het koelwater, en de warmte welke geabsorbeerd is door het koelwater afgegeven wordt door een veelheid vinnen 14 en de omtrekswand van de thermo-elektrische warmtepomp 13'.

Daarbij stroom de koellucht in de koelkamer 10 en er doorheen, waardoor deze in eerste instantie verhit wordt door de warmte afgegeven vanaf de thermo-elektrische warmtepomp 13' en de verwarmde lucht naar de luchtvoorverhitter 7 gevoerd wordt door de verbindingspijp 15, en in tweede instantie verwarmd wordt door genoemde luchtvoorverhitter 7 en vervolgens toegevoerd wordt aan de verbrandingskamer 6, al waar hij verbrand wordt samen met brandstof toegevoerd aan de verbrandingskamer 6.

Doordat volgens de uitvinding het koelwater positief gekoeld wordt door de thermo-elektrische warmtepomp waardoor het arbeidsmedium afgekoeld wordt door het koelwater, wordt het koeleffect verbeterd, en aangezien de lucht in eerste instantie voorverhit wordt door de warmte afgegeven door de thermo-elektrische warmtepomp en in tweede instantie verhit wordt in de luchtvoorverhitter en vervolgens toegevoerd wordt aan de verbrandingskamer, is er het voordeel dat het verbrandings-nuttig effect verbeterd wordt.

Meer in het bijzonder, volgens de uitvinding, is het niet noodzakelijk om koelwater continu toe te voeren aangezien de motor kan werken wanneer slechts koelwater in de vooraf bepaalde hoeveelheid gevuld is in het inwendige van de thermo-elektrische warmtepomp, is er het voordeel dat het mogelijk is de motor te gebruiken zonder enige beperking zelfs in gebieden waar het moeilijk is om koelwater te verkrijgen.

Tenslotte, hoewel de uitvinding zoals boven beschreven op een zodanige wijze geconstrueerd is dat de lucht verhit door de warmte afgegeven uit de koeler geleid wordt door de verbindingspijp naar de luchtvoorverhitter teneinde het thermisch nuttig effect te verhogen van de stirlingmotor en deze opnieuw te verhitten en vervolgens toe te voeren aan de verbrandingskamer, is het eveneens mogelijk om lucht te gebruiken die verhit is door de warmteafgifte van de koeler als een thermisch medium voor ruimteverwarming. Dat wil zeggen, hij kan eveneens gebruikt worden als warmtebron voor het verwarmen van ruimten door het rechtstreeks van de uitlaat van genoemde verbindingspijp met een ruimte die ruimteverwarming nodig heeft te verbinden.

Claims

1. Koelsysteem voor een stirlingmotor, welke een thermo-elek-trische warmtepomp omvat, welke gevormd is in de vorm van een houder, en welke, wanneer gelijkstroom aangelegd is en het binnenzijgedeelte af gekoeld wordt en het buitenzijgedeelte verhit wordt, verbonden is met de koelpijp welke een vermogenskamer en een regenerator met elkaar verbindt, en waarbij koelwater gevuld is in het inwendige ervan.

2. Koelsysteem voor een stirlingmotor volgens conclusie 1, waarbij genoemde thermo-elektrische warmtepomp gevormd wordt door pieze-element.

3· Koelsysteem voor een stirlingmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de koelkamer aangebracht rond genoemde thermo-elektrische warmtepomp en een luchtvoorverhitter aangebracht aan de zijde van de verbrandingskamer met elkaar verbonden zijn door middel van de verbin-dingspijp, waardoor er een luchtstroom verhit wordt welke de koelkamer binnenstroomt door de afgegeven warmte van genoemde thermo-elektrische warmtepomp, waarna de lucht opnieuw verhit wordt in de luchtvoorverhitter en vervolgens toegevoerd aan de verbrandingskamer. k. Koelsysteem voor een stirlingmotor volgens conclusie 1 of 3» met het kenmerk, dat genoemde thermo-elektrische warmtepomp uitgevoerd is met ten minste een of meer warmte-af gevende vinnen op het uitwendige omtreksoppervlak.