SE463727B - Stirlingmotor - Google Patents

Description

463 727 10 15 20 25 30 35 2 kolven 12 också rör sig nedåt under den isoterma ex- pansionsperioden, expanderar arbetsfluidets utrymme och dess tryck minskar. Under denna period då Stirling- motorn alstrar en yttre effekt tack vare uppvärmningen medelst värmaren under den isokora kylningsperioden, rör sig den första arbetskolven 10 uppåt från det undre dödläget och den andra arbetskolven 12 mot det undre dödläget, så att arbetsgasens volym vid en högre tempera- tur växlar mot låg-temperatursidan, med temperaturen reducerad genom lagring av värmet i regeneratorn 20.

Under den isoterma kompressionsperioden, rör sig den första arbetskolven 10 ytterligare uppåt och den andra arbetskolven 12 uppåt likaså, så att arbetsfluidets utrymme komprimeras under medföljande tryckhöjning.

Under denna period upptar Stirlingmotorn en yttre effekt.

Skillnaden mellan effektavgivningen under den iso- terma expansionen och effektupptagningen under den iso- kora kompressionen utgör Stirlingmotorns nettoeffekt vars storlek är proportionell mot temperaturerna under expan- sionen och kompressionen och den i motorn inneslutna gasmängden. Regeneratorn 20 är avsedd för lagring av värmet under den isokora kylningen med likaså bibehållen temperaturdifferens och för utnyttjande av värmet genom regenerering av detta under den isokora värmningen, vilket ger en möjlighet att uppnå en mer tillfredsställande. värmeverkningsgrad.

I Stirlingmotorer av tvåkolvstyp enligt tidigare teknik är en ände av kylaren 25, vilken sträcker sig approximativt vinkelrätt mot den andra arbetskolvens arbetsriktning, förbunden med den övre delen av den andra cylindern 24 och den andra änden av kylaren 25 förbunden med en ände av regeneratorn 28, såsom fram- går av fig 3. Den andra änden av regeneratorn 28 och den övre delen av en första cylinder 26 är förbundna med ett flertal värmarrör 30, och en förbränníngskammare 34 an-' ordnas genom att anordna en förbränningstrumma/kanal 32 kring värmaren 30. Den är anordnad för att värma arbets- 10 15 20 25 30 463 727 3 fluidet i värmarerören 30 genom förbränning av förbrän- ningsgasen som införs genom förbränningsgasinloppet 35 vilket är anordnat på förbränningstrumman/kanalen 32.

I Stirlingmotorer av ovannämnt slag enligt tidigare teknik har emellertid av konstruktionsskäl kanallängderna för arbetsfluidet mellan den första cylindern 26 och regeneratorn 28 blivit olika långa på grund av olika längd hos de många värmarrören 30. Följaktligen blir flödet av fluiden med högre temperatur i det uppvärmda tillståndet som förekommer i vart och ett av värmare- rören 30 olikformigt. I Stirlingmotorn enligt ovan där dessutom uppvärmningsdelarna i förbränningskammaren 34, nämligen värmarerören 30 expanderas genom uppvärmning, uppstår en ytterligare kraft på var och en av de för- bindande sektionerna, vilket ger en orsak till en kon- troll av anordningens livslängd. Detta leder till en reduktion av motorns uteffekt som ett resultat av rei ducerad värmetillförsel, vilken begränsas av värmarrören med mindre flöde och av temperaturen på förbränningsgasen som värmer upp värmarerören. Vidare blir fördelningen av förbrännings-gasen olikformig, vilket förhindrar en förbättring av värmeväxlareverkningsgraden.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en värmare för en Stirlingmotor som möjliggör en ytterligare förbättring av värmeväxlarverkningsgraden.

Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en Stirlingmotor som innebär att en sådan motors uteffekt förbättras.

Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en Stirlingmotor som möjliggör en inställning av värmare- temperaturen på värmaren vid ett högt värde.

Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en Stirlingmotor som gör det möjligt att uppnå en lik- formig strömningsfördelning hos förbränningsgasen. 463 727 10 15 20 25 30 4 Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en värmare för en Stirlingmotor som möjliggör en elimine- ring av de skadlinga effekterna beroende på en expansion av de uppvärmda delarna.

Enligt uppfinningen åstadkommes sålunda en Stir- lingmotor innefattande en första cylinder och en andra cylinder med en första arbetskolv och en andra arbetskolv, vilka kolvar har en inbördes fixerad fasskillnad, i I vilken motor den första cylindern och den andra cylindern är förbundna med varandra via en värmare, en regenerator och en kylare, att en bestämd mängd arbetsfluid är inne- sluten i den första cylindern och den andra cylindern, och att motorn drivs genom uppvärmning eller kylning av arbetsfluidet medelst värmaren eller kylaren. Motorn enligt uppfinningen kännetecknas av att värmaren för uppvärmning av arbetsfluidet har en fördelningsrörsektion som är anordnad i ett cylinderhuvud på den andra cylindern för förbindelse med regeneratorn; ett flertal värmeväxlar- rör anbringade vid cylinderhuvudet för förbindning av fördelningsrörsektionen med den andra cylindern; och en brännare för uppvärmning av värmeväxlarrören.

Dessa och andra syften och fördelar med föreliggande uppfinning skall framgå tydligare av följande beskrivning av ett föredraget utföringsexempel, i vilken hänvisning görs till de medföljande ritningarna.

Fig l är ett P V diagram för en Stirling cykel; Fig 2 är ett grundläggande blockschema för en allmän Stirlingmotor av tvåkolvstyp; Fig 3 är ett förenklat blockschema av en stirling- motor av tvåkolvstyp enligt tidigare teknik; Fig 4 är en fullständig tvärsektionsvy a en Stirling- motor enligt föreliggande uppfinning; Fig 5 är en förstorad tvärsektionsvy av värmeväxlar- 10 15 20 25 30 35 463 727 5 rörsektionen på Stirlingmotorn enligt fig 4; Fig 6 är en vy av den i fig 4 visade Stirlingmotorn utmed ett snitt vid VI; och Fig 7 är en planvy av fördelningsrördelen av värme- växlarrörsektionen som visas i fig 5.

Med avseende på fig 4 visas en Stirlingmotor enligt föreliggande uppfinning angiven med hänvisningsbeteck- ning 40. Stirlingmotorn 40 innefattar en första cylin- der 42 som är fixerad i gravitationens riktning och en andra cylinder 44 som är anbringad på den första cylindern med en förutbestämd lutningsvinkel med avseende på denna, där en första arbetskolv 46 inryms fritt rörlig i den första cylindern 42 och en andra arbetskolv 48 inryms fritt rörlig i den andra cylindern 44. Vinkeln mellan av de två cylindrarna har valts för att möjliggöra drivningen av de två kolvarna med en fasskillnad på 90°. kylare 50 anbringad vid vilken i sin tur en regenerator 52 Vid den övre delen av cylindersektionen 44 är en är anbringad. Den första arbetskolven 46 och den andra arbetskolven 48 är förbundna med en vevaxel 53 via vev- stakar 54 och 56 för att tvinga fram vevaxelns 53 rotation genom rörelsen hos den första resp den andra arbets- kolven 46 och 48.

Vid den övre delen av cylindern 42 finns en vär- mare 58 anordnad, och värmaren har en förbränningskam- mare 62 vid den övre delen av expansionscylindern 42 som utgöres av ett värmeisolerande material 60. Vid den yttre periferin av den övre sektionen av det första cylinderhuvudet 64 finns anordnat ett flertal värme- växlarrör 66 utmed periferin av en cirkel vars lutning är förutbestämd. Det vill säga cylinderhuvudet 64 inne- fattar en undre del av cylinderhuvudet 68 en övre del av cylinderhuvudet 70, och ett fördelningsrörmaterial 72 som är infört mellan den undre delen av cylinderhuvudet 68 och den övre delen av cylinderhuvudet 70, såsom framgår av fig 5. I den övre delen av cylinderhuvudet 70 och fördelningsrörsmaterialet 72 är ett flertal hål 74 och 463 727 10 15 20 25 30 35 6 76 anordnade för montering av de många värmeväxlarrören 66 med en förutbestämd lutningsvinkel. Cylinderhuvudet 64 är så konstruerat att det bildar en fördelningsrörs- sektion 78 när värmeväxlarrören 66 monterats och i vart och ett av värmeväxlarrören 66 finns en kanal 80 anordnad för gasen, vilken kanal skapats genom dubbel ombockning av röret. En ände 82 av gaskanalen 80 är öppen mot den övre delen av den första cylindern 42, medan den andra änden 84 är öppen mot fördelningssektionen 78 genom ombockning. I fördelningssektionen 78 finns en kanal till regeneratorn 86 anordnad för införing av gasen till regeneratorn 52. Vid läget motsvarande kanalen för rege- neratorn 86 finns ett speciellt värmeväxlarrör 88 anbringat med en fràn andra värmeväxlarrör 66 avvikande konstruktion.

I värmeväxlarröret 88 finns, såsom framgår av fig 5, ett innervärmeväxlarrör 80 anordnat, och i det inre värmeväxlarröret 90 finns ett litet rör 92 anordnat som är anslutet till den första cylindern 42 genom genom- föring genom kanalen till regeneratorn 86. Dessutom är på utsidan av det inre värmeväxlarröret 90 ett yttre rör 94 anordnat som är anslutet till ett litet rör 92 och också till fördelaren 78. Dessutom har en skâlformad intryckning anordnats vid den övre mittre delen av den första arbetskolven 46, och en halvsfärisk förtjockning 64a har anordnats i bottenytan av det första cylinderhuvu- det 64, dvs bottenytan på fördelningsrörsmaterialet 72 motsvarar formen hos urtagningen 46a.

Med den ovan beskrivna konstruktionen, där arbets- fluidet som strömmar från den första cylindern 42 genom en ände 82 av gaskanalen 80 in i värmeväxlarröret 66, transporteras till sidan av regeneratorn 52 från den andra änden 84 av gaskanalen 80 genom fördelningsrörs- sektionen 78. Arbetsfluidet som strömmar från den första cylindern 42 genom det inre av det lilla röret 97 in i det speciella värmeväxlarröret 88, är avsedd att strömma ut till sidan av regeneratorn 52 genom spelrummet mellan det inre värmeväxlarröret 90 och det yttre röret 94 10 15 20 25 30 35 463 727 7 och fördelningsrörssektionen 78. Som en konsekvens därav, blir längden på kanalen för arbetsfluidet från den första cylindern genom värmeväxlarrören 66 och 88 till regene- ratorn 52 likformig, och följaktligen blir arbetsfluid- volymen också likformig. Därför blir likaså temperaturen hos värmeväxlarrören 66 och 68 likformig, så att det blir möjligt att ställa in värmningstemperturen hos värmeväxlarrören 66 och 68 i förbränningskammaren vid ett högt värde, vilket gör att man får möjlighet att förbättra motorns driftsegenskaper. Dessutom är värme- växlarrören 66 och 68 så anordnade att de har en av sina respektive ändar fixerade, medan de andra båda ändarna är fria. Såsom en konsekvens härav kan, även då värmeväxlarrören 66 och 68 expanderar under inverkan av uppvärmningen, förlängningen i värmeväxlarrörens axelriktning upptas, så att expansionen inte kommer att ge några skadliga inverkningar pà andra delar i anordningen.

Vidare finns i den övre delen av förbränningskam- maren 62 brännaremunstycke 98 anordnat för insprutning av högtemperaturgasen, och utblåsningsgasen som genereras i förbränningskammaren 62 släpps ut från avgasröret 102 via en förvärmare 100. Med konstruktionen enligt ovan, värmer högtemperaturgasen, vilken genereras av bränningen vid brännaremunstycket 98, upp värmeväxlar- rören 66 och 68 då den cirkulerar i förbränningskammaren 62, den passerar genom utrymmet mellan värmeväxlarrören 66 och strömmar ut vid sidan av förvärmaren 100 medan och 88. Följaktligen är fördelningen av flödesmängden högtemperaturgas nära nog likformig, varför alla värme- växlarrören 66 och 88 värms upp på ett mera likformigt sätt. Dessutom kan värmet från högtemperaturgasen över- föras till värmeväxlarrören 66 på ett mera effektivt sätt eftersom värmeväxlarrören 66 och 88 är monterade med en förutbestämd lutningsvinkel, såsom tidigare nämnts.

Då arbetsfluiden värms upp genom uppvärmning av vart och ett av värmeväxlarrören 66 och 68 och tillförs till det inre av den första cylindern 42, rör sig den 463 727 10 15 20 25 30 35 8 första arbetskolven 46 (fig 4) nedåt för att vrida vev- axeln 53. Då den första arbetskolven 46 rör sig uppåt, töms arbetsfluiden från den första cylindern 42 och strömmar in i kylaren 50 via regeneratorn 52. Då arbets- fluiden strömmar ut till kylaren 50 kyls den ned genom överföring av värmet till värmelagringsmaterialet som uppfyller regeneratorn 52. I kylaren 50 kyls arbetsfluidet ytterligare och strömmar in i den andra cylindern 44.

Arbetsfluiden som strömmar in genom sidan av den andra cylindern 44 komprimeras under den andra arbetskolvens 48 rörelse uppåt, och det komprimerade arbetsfluidet trans- porteras till sidan av regeneratorn 52. Arbetsfluidet strömmar in i värmeväxlarrören 66 och 88 och dess tempe- ratur höjs genom att utvinna värme från värmelagrings- materialet i regeneratorn 52, och värms där upp och expanderas återigen av högtemperaturgasen. Eftersom nu det faktum att den övre delen av den första arbets- kolven 46 är utformad som konkav yta och den undre ytan av det första cylinderhuvudet 64 är utformad som en konvex yta, såsom tidigare beskrivits, kommer under den första arbetskolvens uppåtrörelse arbetsfluidet som trycks ut av den första arbetskolven 46 att strömma i riktningarna som framgår av pilarna i fig 5. Därför kan, jämfört med fallet enligt tidigare teknik där den övre delen av kol- ven är platt utformad eller utformad med ett halvsfäriskt utskott, strömningsmotståndet i föreliggande fall reduce- rad så att uttömningen av arbetsfluidum från den första cylindern 42 kan ske mjukare.

Det skall påpekas att föreliggande uppfinning inte avses begränsande till utförandet som beskrivits enligt ovan. Således kan exempelvis den övre delen av kompres- sionskolven ha en konkav form.

Sammanfattningsvis uppnås föreliggande uppfinning genom att åstadkomma ett speciellt värmeväxlarrör vid läget motsvarande läget för kanalen till regeneratorn som anordnats på expansionscylinderhuvudet för en Stir- lingmotor. Därför blir strömningsmotståndet i det stora 11 10 463 727 9 flertalet av värmeväxlarrören som är anordnade cirkulärt nära nog likformigt, vilket gör det möjligt att lika fördela strömningen av högtemperaturgas i förbrännings- kammaren. Dessutom ökas värmeväxlarytan genom att använda ett speciellt värmeväxlarrör i läget motsvarande kanalen till regeneratorn, så att det blir möjligt att uppnå en ytterligare förbättring av värmeväxlarverkningsgraden.

Vidare reduceras strömningsmotstándet för arbetsfluidet genom att forma en urtagning i den övre delen av kolven så att det blir möjligt att minska tryckfallet hos arbets- fluidet liksom att värmeutbytesmängden ökas genom en ökning av värmeutbytesytan.

Claims (11)

463 727 10 15 20 25 30 10 PATENTKRAV

1. l. Stirlingmotor innefattande en första cylinder (42) och en andra cylinder (44) med en första arbets- kolv (46) och en andra arbetskolv (48), vilka kolvar har en inbördes fixerad fasskillnad, i vilken motor den första cylindern och den andra cylindern är för- bundna med varandra via en värmare (58), en regenerator (52) och en kylare (50), att en bestämd mängd arbets- fluid är innesluten i den första cylindern och den andra cylindern, och att motorn drivs genom uppvärmning eller kylning av arbetsfluidet medelst värmaren eller kylaren, k ä n n e t e c k n a d av att värmaren (58) för upp- värmning av arbetsfluidet, har: en fördelningsrörsektion (78) som är anordnad i ett cylinderhuvud (64) på den andra cylindern (44) för förbindelse med regeneratorn (52); ett flertal värmeväxlarrör (66) anbringade vid cylinderhuvudet (64) för förbindning av fördelnings- rörsektionen (78) med den andra cylindern (44); och en brännare (98) för uppvärmning av värmeväxlarrören (66).

2. Värmare för Stirlingmotorer enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att värmeväxlarrören (66) är koncentriskt anbringade på cylinderhuvudet för att ha en viss förutbestämd lutningsvinkel.

3. Värmare för Stirlingmotorer enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att värmeväxlarrören (66) är anbringade på cylinderhuvudet pá ett koncentriskt sätt med en förutbestämd lutningsvinkel, för överföring av värmet från förbränningssubstansen på ett effektivt sätt.

4. Värmare för Stirlingmotorer enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att cylinderhuvudet (64) (68), och en för- delningsrörkomponent (72) införd mellan cylinderhuvudets har en övre del (70) och en undre del 'I V] 10 15 20 25 30 35 463 727 ll undre del (68) och dess övre del (70), och att det i cylinderhuvudets övre del (70) och i fördelningsdelen finns anordnade ett flertal hål (74, 76) för koncentrisk montering av de manga värmeväxlarrören (66).

5. Värmeväxlare för Stirlingmotorer enligt krav 4, i vilka cylinderhuvudet (64) är konstruerat för att bilda en fördelningssektion (78) där då värmeväxlarrören (60) monterats i vart och ett av hålen (74, 76) det bildas en kanal för arbetsfluiden som formas genom dub- belbockning, vars ena ände är öppen mot den övre delen av den första cylindern och den andra änden är öppen mot fördelningsrörsektionen (78) genom en dubbelbockning, och fördelningsrörsektionen (78) innefattar en kanal (86) till regeneratorn för införing av arbetsfluidet till denna.

6. Värmare för Stirlingmotorer enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att det stora antalet vär- meväxlarrör (66) är anordnade på approximativt lika avstånd från varandra.

7. Värmeväxlare för Stirlingmotorer enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att värmeväxlarröret som monterats i läget svarande mot kanalen till regeneratorn (52) innefattar ett inre värmeväxlarrör (90) med ett litet rör anslutet till den första cylindern (42) genom penetrering genom kanalen till regeneratorn (52), och ett yttre rör (94) som är anordnat på utsidan av det inre värmeväxlarröret (90) och som är anslutet till det lilla röret (96) liksom till fördelningssektionen för att skapa en fluidpassage medelst det lilla röret (96) och det yttre röret.

8. Värmare för Stirlingmotorer enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d att en urtagning (46a) formas vid den övre centrala delen av den första arbetskolven (46), och ett utskott (64a) formas vid den undre ytan av det första cylinderhuvudet (64) för att motsvara formen av urtagningen.

9. Värmeväxlare för Stirlingmotorer enligt krav l, 463 727 10 15 20 12 k ä n n e t e c k n a d av att en förbränningskammare (62) är fäst vid den första cylindern (42).

10. Värmeväxlare för Stirlingmotorer enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d av att brännaren (98) är kon- struerad för insprutning av en förbränningsbar substans i förbränningskammaren (62), att värmeväxlarrören (66) är konstruerade för att bilda ett flertal återförings- kanaler (80) för arbetsfluidet som genomströmmar för- bränningskammaren (62) mellan den första cylindern (42) och regeneratorn (52), för att värma arbetsfluidet med den förbränningsbara substansen för brännaren (98), och ett cylinderhuvud (64) som är konstruerat för monte- ring av värmeväxlarrören (66) på den första cylindern (42) utmed periferin av en cirkel på väsentligen lika avstånd från varandra och med en bestämd snedställnings- vinkel, för att göra arbetsfluidumkanalernas (80) läng- der lika mellan den första cylindern (42) och regeneratorn (52) liksom för att ge ett bestämt spelrum åt värme- växlarrören (66) i förbränningskammaren (2).

11. ll. Värmare för Stirlingmotorer enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d av att den är anordnad fram- för den första cylinderns (42) cylinderhuvud (64).