PL239476B1

PL239476B1 - Phase change mechanism of the Stirling device

Info

Publication number: PL239476B1
Application number: PL424753A
Authority: PL
Inventors: Leszek Remiorz; Wojciech Uchman; Krzysztof Grzywnowicz; Janusz Kotowicz
Original assignee: Politechnika Slaska Im Wincent
Priority date: 2018-03-05
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2021-12-06
Also published as: PL424753A1

Abstract

Mechanizm zmiany fazy urządzenia Stirlinga charakteryzuje się tym, że składa się z dwóch półcylindrów (1, 2) o średnicach wynoszących odpowiednio d1 oraz d2 przy czym d1<d2, umieszczonych koncentrycznie, naprzeciwlegle oraz jeden wewnątrz drugiego, przy czym każdy z półcylindrów (1, 2) posiada w korpusie (6) i korpusie (7) co najmniej dwa wycięcia prowadzące sworzni (prowadnice) (5), usytuowane skośnie lub podłużnie względem własnej osi obrotu, natomiast w punkcie nałożenia się prowadnic (5) zamocowany jest pojedynczy lub zwielokrotniony sworzeń regulacyjny (3), korzystnie przytwierdzony do pierścienia regulacyjnego (4) umieszczonego częściowo lub całkowicie na zewnątrz korpusu (7), a sposób mocowania sworznia regulacyjnego (3) umożliwia jego względne osiowe przesunięcie.The phase change mechanism of the Stirling device is characterized in that it consists of two half-cylinders (1, 2) with diameters of d1 and d2, respectively, wherein d1<d2, placed concentrically, oppositely and one inside the other, wherein each of the half-cylinders (1, 2) has at least two guiding pin cutouts (guideways) (5) in the body (6) and the body (7), located obliquely or longitudinally in relation to its own axis of rotation, while at the point of overlap of the guideways (5) a single or multiple adjustment pin (3) is attached, preferably attached to an adjustment ring (4) placed partially or completely outside the body (7), and the method of attaching the adjustment pin (3) enables its relative axial displacement.

Description

Przedmiotem wynalazku jest mechanizm zmiany fazy urządzenia Stirlinga, mający zastosowanie w regulacji mocy urządzenia Stirlinga, stanowiącego element układu mikrokogeneracyjnego lub mikrotrigeneracyjnego.The subject of the invention is the phase change mechanism of the Stirling device, which is used to control the power of a Stirling device that is part of a micro-cogeneration or micro-trigeneration system.

Układy mikrokogeneracyjne (produkujące jednocześnie ciepło i energię elektryczną) mają stanowić remedium na zmniejszenie obciążenia scentralizowanych systemów energetycznych. Umożliwiają one także aktywne uczestnictwo odbiorców końcowych (nazywanych prosumentami) w zarządzaniu energią. Prosumenckie instalacje mikrokogeneracyjne dedykowane są zaspokojeniu potrzeb własnych odbiorców indywidualnych, np. pojedynczych gospodarstw domowych, lub niedużych przedsiębiorstw, zlokalizowanych w wyodrębnionych budynkach. Jednym ze znanych sposobów na pokrycie zapotrzebowania na energię w wymienionych obiektach jest zastosowanie układu mikrokogeneracyjnego bazującego na urządzeniu Stirlinga. W przypadku zapotrzebowania na chłód stosuje się chłodziarki Stirlinga, stanowiące niejednokrotnie element układów mikrotrigeneracyjnych.Micro-cogeneration systems (producing both heat and electricity at the same time) are to be a remedy to reduce the load on centralized energy systems. They also enable the active participation of end-users (called prosumers) in energy management. Prosumer micro-cogeneration installations are dedicated to meeting the needs of individual recipients, e.g. individual households or small enterprises located in separate buildings. One of the known methods of meeting the energy demand in the above-mentioned facilities is the use of a micro-cogeneration system based on a Stirling device. When cooling is required, Stirling refrigerators are used, which are often an element of micro-trigeneration systems.

Urządzenia obiegu Stirlinga to: silnik, który realizuje obieg prawo bieżny, oraz maszyna cieplna Stirlinga, która realizuje obieg lewobieżny. Silnik składa się z wymienników ciepła, które umożliwiają ogrzewanie i chłodzenie gazu roboczego, tłoków (wypornika i tłoka napędowego) oraz układu przekazywania mocy, który najczęściej jest oparty o mechanizm korbowy. Wypornik przetłacza gaz roboczy między strefami nagrzewania i chłodzenia, wyzwalając pulsacje ciśnienia. Pulsacje ciśnienia pozwalają na wyprowadzenie mocy na zewnątrz poprzez tłok napędowy, najczęściej współpracujący z odpowiednim układem korbowym. Silniki te charakteryzują się znakomitą kulturą pracy oraz niezawodnością ze względu na separację procesu spalania od gazu roboczego.The Stirling cycle devices are: an engine that carries out a right-running cycle, and a Stirling heat machine that carries out a left-running cycle. The engine consists of heat exchangers that enable heating and cooling of the working gas, pistons (displacement and driving piston) and a power transmission system, which is most often based on a crank mechanism. The plunger forces the working gas between the heating and cooling zones, triggering pressure pulsations. Pressure pulsations allow the output of power to the outside through the driving piston, most often cooperating with the appropriate crank system. These engines are characterized by an excellent work culture and reliability due to the separation of the combustion process from the working gas.

Jedną z istotnych wielkości, definiujących wariant konstrukcyjny silnika Stirlinga, jest kąt fazowy. W silnikach, charakteryzujących się zamocowaniem korbowodów wypornika i tłoka napędowego do wspólnego wału korbowego wraz z umieszczeniem tłoków w dedykowanych cylindrach (tzw. typ alfa), kąt fazowy odpowiada kątowi wzajemnej dyslokacji korbowodów. Jeżeli urządzenie pozbawione jest wału korbowego (tzw. silnik bezkorbowy), kąt ten można zdefiniować jako wzajemne opóźnienie ruchu tłoków, odniesione do znormalizowanego czasu cyklu pracy silnika, przedstawionego w postaci okręgu o pełnym kącie równym 2π radianów.One of the important values that define the design variant of the Stirling engine is the phase angle. In engines characterized by the mounting of the connecting rods of the displacement and the propulsion piston to the common crankshaft with the placement of the pistons in dedicated cylinders (the so-called alpha type), the phase angle corresponds to the angle of mutual dislocation of the connecting rods. If the device does not have a crankshaft (so-called crankless engine), this angle can be defined as the reciprocal delay of the pistons, related to the normalized cycle time of the engine, represented as a circle with a full angle equal to 2π radians.

Jak wskazują wyniki obliczeń przedstawione na poniższym wykresie, jeżeli uzmiennione zostanie przesunięcie fazowe (kąt fazowy) silnika, które dotychczas było w większości konstrukcji charakterystyczną cechą urządzenia, maksymalne wartości osiąganej mocy oraz sprawności przypadają na jego inną wartość. Zależności mocy oraz sprawności urządzenia Stirlinga od kąta fazowego opisano odpowiednio równaniami (1) i (2) na podstawie literatury przedmiotu (Urieli&Berchowitz, Stirling Cycle Machinę Analysis).As indicated by the results of the calculations presented in the diagram below, if the engine phase shift (phase angle), which has so far been a characteristic feature of the device in most designs, is changed, the maximum values of the power and efficiency are different. The dependencies of the power and efficiency of the Stirling device on the phase angle were described by equations (1) and (2), respectively, based on the literature on the subject (Urieli & Berchowitz, Stirling Cycle Machine Analysis).

Rys. Wykres mocy i sprawności przykładowego silnika Stirlinga w funkcji kąta fazowego przy zastosowaniu MZFFig. A diagram of the power and efficiency of an exemplary Stirling engine as a function of the phase angle with the use of MZF

PL 239 476 BIPL 239 476 BI

Korzystnym jest, jeżeli przez większość czasu pracy działanie urządzenia Stirlinga charakteryzuje się najwyższą możliwą sprawnością. Możliwość regulacji przesunięcia fazowego jest tym bardziej korzystna, że umożliwia zmianę osiąganej mocy silnika oraz sprawności w trakcie jego pracy. Zapotrzebowanie na energię elektryczną w obiekcie jest niejednokrotnie silnie zmienne, a czas pracy silnika z mocą częściową jest znacząco dłuższy. W przypadku zastosowania opisywanej regulacji zmiennofazowej, możliwą jest praca z najwyższą osiąganą sprawnością w przypadku obniżonego zapotrzebowania na elektryczność oraz zwiększenie osiąganej mocy (kosztem sprawności) w sytuacji zwiększonego zapotrzebowania.It is advantageous if the Stirling appliance is operated at the highest efficiency possible for most of the operating time. The possibility of adjusting the phase shift is all the more advantageous as it makes it possible to change the achieved engine power and efficiency during its operation. The demand for electricity in the facility is often highly variable, and the engine operation time at partial power is significantly longer. In the case of using the described variable-phase control, it is possible to work with the highest achieved efficiency in the event of reduced electricity demand and to increase the power achieved (at the cost of efficiency) in the event of increased demand.

P = * Pm /—- (Kwc ·+ Kwe ' sin(^ - 0)) (0 ^η V_swe ίΐη(β -Θ) ^{{ }} gdzie:P * = Pm / - (KWC · + Kwe 'sin (^ - 0)) ^(η 0 V _his ίΐη (β -Θ) ^{} wherein:

P - moc urządzenia, η - sprawność energetyczna urządzenia,P - device power, η - energy efficiency of the device,

Θ- kąt fazowy między tłokami urządzenia, p_m - średnie ciśnienie gazu roboczego w cylindrach urządzenia, /- częstotliwość pracy urządzenia, b - parametr konstrukcyjny, będący funkcją objętości cylindrów wypornika i tłoka napędowego, temperatur wymienników ciepła w urządzeniu i kąta fazowego Θ,Θ- phase angle between the pistons of the device, p _m - average pressure of the working gas in the cylinders of the device, / - frequency of operation of the device, b - design parameter, which is a function of the volume of the displacement and driving piston cylinders, temperatures of heat exchangers in the device and the phase angle Θ,

Vswc - maksymalna pojemność cylindra wypornika,Vswc - maximum displacement cylinder capacity,

Vswe- maksymalna pojemność cylindra tłoka napędowego, β - parametr konstrukcyjny, będący funkcją pojemności kolejnych elementów urządzenia, temperatur wymienników ciepła w urządzeniu i kąta fazowego Θ.Vswe- maximum cylinder capacity of the driving piston, β - design parameter, which is a function of the capacity of successive elements of the device, temperatures of heat exchangers in the device and the phase angle Θ.

Znane i stosowane sposoby regulacji mocy urządzenia Stirlinga polegały na zmianie: temperatury w przestrzeni rozprężania gazu - jednakże duża pojemność cieplna części gorącej silnika powoduje znaczne opóźnienie czasowe oraz średniego ciśnienia roboczego - co wymaga zbiornika ciśnieniowego gazu, sprężarki oraz układu automatycznej regulacji. Niejednokrotnie bardziej złożone układy wykorzystywały także regulację kąta fazowego, jednakże ich konstrukcje uwzględniały m.in. skomplikowane układy przekładni zębatych, charakteryzujące się potencjalnie wysoką zawodnością i koniecznością regularnego przeprowadzania czynności konserwacyjnych (S. Żmudzki, Silniki Stirlinga). Przykład mechanizmu regulacji kąta fazowego stanowi urządzenie wykorzystujące cztery współdziałające układy zębatkowe, zamocowane do korbowodów tłoków oraz dwóch pierścieni regulacyjnych, tworzące wspólnie skrzynię regulacyjną (K. Hirata, Principia of Phase Angle Mechanism, Model Stirling Engines).The known and used methods of controlling the power of the Stirling device consisted in changing: the temperature in the gas expansion space - however, the large heat capacity of the hot part of the engine causes a significant time delay and the average operating pressure - which requires a gas pressure tank, a compressor and an automatic control system. More than once, more complex systems also used the phase angle regulation, but their designs took into account, inter alia, complex systems of gears, characterized by potentially high reliability and the need for regular maintenance (S. Żmudzki, Stirling Engines). An example of a phase angle adjustment mechanism is a device using four cooperating rack systems, attached to the piston connecting rods and two adjustment rings, forming together the control box (K. Hirata, Principia of Phase Angle Mechanism, Model Stirling Engines).

Niedogodnością powyższego rozwiązania jest konieczność regularnej konserwacji układów zębatkowych w celu zapobieżenia awarii skrzyni regulacyjnej, wiążąca się ze znacznym ograniczeniem możliwości ciągłej pracy urządzenia Stirlinga. W celu uniknięcia opisanej niedogodności oraz umożliwienia ciągłej i niezawodnej pracy urządzenia Stirlinga, regulacja przesunięcia fazowego (kąta fazowego) realizowana może być poprzez zastosowanie dedykowanego mechanizmu zmiany fazy o zmodyfikowanej konstrukcji.The disadvantage of the above solution is the need for regular maintenance of the rack and pinion systems in order to prevent the failure of the regulating box, which is associated with a significant limitation of the possibility of continuous operation of the Stirling device. In order to avoid the described inconvenience and to enable continuous and reliable operation of the Stirling device, the adjustment of the phase shift (phase angle) can be performed by using a dedicated phase change mechanism with a modified design.

Celem wynalazku jest umożliwienie regulacji kąta fazowego w urządzeniu, działającym w obiegu termodynamicznym Stirlinga, niewiążące się z koniecznością regularnej konserwacji układów zębatkowych w celu zapobieżenia awarii skrzyni regulacyjnej.The object of the invention is to enable the adjustment of the phase angle in a device operating in the thermodynamic Stirling cycle without the necessity of regular maintenance of the rack systems in order to prevent the failure of the regulating box.

Cel ten osiągnięto poprzez modyfikację konstrukcji skrzyni regulacyjnej, polegającą na wyłączeniu z jej wyposażenia układów zębatkowych.This goal was achieved by modifying the structure of the control box by excluding rack and pinion systems from its equipment.

Mechanizm zmiany fazy urządzenia Stirlinga charakteryzuje się tym, że składa się z dwóch półcylindrów o średnicach wynoszących odpowiednio di oraz d2 przy czym di < d2, umieszczonych koncentrycznie, naprzeciwległe oraz jeden wewnątrz drugiego, przy czym każdy z półcylindrów posiada w swoim korpusie co najmniej dwa wycięcia prowadzące sworzni (prowadnice), usytuowane skośnie lub podłużnie względem własnej osi obrotu, natomiast w punkcie nałożenia się prowadnic zamocowanyThe phase change mechanism of the Stirling device is characterized by the fact that it consists of two half-cylinders with diameters of di and d2, respectively, di <d2, placed concentrically, opposite and one inside the other, each half-cylinder having at least two cutouts in its body guiding pins (guides), located obliquely or longitudinally in relation to its own axis of rotation, while at the point of overlap of the guides, a

PL 239 476 B1 jest pojedynczy lub zwielokrotniony sworzeń regulacyjny, korzystnie przytwierdzony do pierś cienia regulacyjnego umieszczonego częściowo lub całkowicie na zewnątrz korpusu, a sposób mocowania sworznia regulacyjnego umożliwia jego względne osiowe przesunięcie.The plunger is a single or multiple adjusting pin, preferably attached to an adjusting ring located partially or wholly outside the body, and the method of mounting the adjusting pin allows it to be moved relatively axially.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest wysoka niezawodność pracy mechanizmu i brak konieczności jego regularnej konserwacji, spowodowane brakiem układów zębatkowych w mechanizmie.The advantage of the solution according to the invention is the high operational reliability of the mechanism and the lack of the need for its regular maintenance, due to the lack of rack systems in the mechanism.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania za pomocą rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat wykonawczy wynalazku, a fig. 2 przedstawia przykład jego zastosowania.The invention is explained in more detail in an exemplary embodiment by means of a drawing, in which Fig. 1 shows an execution diagram of the invention, and Fig. 2 shows an example of its application.

Mechanizm zmiany fazy według wynalazku składa się z dwóch półcylindrów (1, 2) o różnych średnicach, wynoszących odpowiednio: d1 oraz d2 i powiązanych ze sobą zależnością d1 < d2, umieszczonych współosiowo, naprzeciwlegle oraz jeden w drugim. W korpusach (6, 7) półcylindrów (1, 2) umieszczone są co najmniej dwa wycięcia prowadzące sworzni (prowadnice) (5), ukośne i podłużne w stosunku do własnej osi obrotu, umieszczone w osi wzdłużnej półcylindrów (1, 2). W punkcie styku wycięć prowadzące sworzni (prowadnice) (5) umieszczony jest sworzeń regulacyjny (3), który dla ułatwienia obsługi mechanizmu, może być przytwierdzony do pierścienia regulacyjnego (4) umieszczonego częściowo lub całkowicie na zewnątrz korpusu (7) półcylindra (2). Przemieszczanie sworznia regulacyjnego (3) lub sworznia przytwierdzonego do pierścienia regulacyjnego (4) w osi wzdłużnej złożonego mechanizmu skutkuje częściowym obrotem półcylindrów (1, 2) względem tej osi i zmianą ich wzajemnego kąta położenia. Jeżeli każdy z półcylindrów (1,2) złożonego mechanizmu połączony jest bezpośrednio lub pośrednio z korbowodem jednego z tłoków urządzenia Stirlinga (fig. 2), odpowiednio: tłoka napędowego (1) lub wypornika (2), zmiana wzajemnego kąta położenia półcylindrów (1,2) stanowi sposób regulacji kąta fazowego w urządzeniu Stirlinga. Kąt położenia wycięć prowadzących sworzni (prowadnic) (5) względem osi wzdłużnej półcylindrów (1,2) jest dobrany tak, że powoduje samohamowność mechanizmu, czyli zmianę stanu pracy mechanizmu, która nie skutkuje samoistnym przesunięciem sworznia regulacyjnego (3).The phase change mechanism according to the invention consists of two half-cylinders (1, 2) of different diameters, d1 and d2, respectively, and related to each other by the relationship d1 <d2, placed coaxially, opposite and one inside the other. In the bodies (6, 7) of the half-cylinders (1, 2) there are at least two notches leading the pins (guides) (5), oblique and longitudinal to their own axis of rotation, located in the longitudinal axis of the half-cylinders (1, 2). In the contact point of the cutouts (guides) (5) there is an adjustment pin (3) which, to facilitate the operation of the mechanism, can be attached to the adjustment ring (4) partially or completely outside the body (7) of the half-cylinder (2). Moving the adjustment pin (3) or a pin attached to the adjustment ring (4) along the longitudinal axis of the complex mechanism results in a partial rotation of the half-cylinders (1, 2) in relation to this axis and a change in their relative position angle. If each of the half-cylinders (1,2) of the complex mechanism is connected directly or indirectly to the connecting rod of one of the pistons of the Stirling device (Fig. 2), respectively: the drive piston (1) or the displacement (2), the change of the relative position of the half-cylinders (1, 2) is a method of adjusting the phase angle in the Stirling device. The angle of the position of the guiding notches of the bolts (guides) (5) in relation to the longitudinal axis of the half-cylinders (1,2) is selected so that it causes the mechanism's self-locking, i.e. a change in the operating state of the mechanism, which does not result in spontaneous shift of the adjustment pin (3).

Claims

1. Phase change mechanism of the Stirling device, characterized by the fact that it consists of two half-cylinders (1, 2) with diameters of d1 and d2, respectively, with d1 <d2 placed concentrically, opposite and one inside the other, each of the half-cylinders (1, 2) has in the body (6) and the body (7) at least two pin-guiding notches (guides) (5), located obliquely or longitudinally in relation to its axis of rotation, while a single or multiple pin is mounted at the point of overlap of the guides (5) the adjusting pin (3), preferably fixed to the adjusting ring (4) partially or completely outside the body (7), and the method of fixing the adjusting pin (3) allows its relative axial displacement.