SE469851B

SE469851B - Energy converter which operates according to the Stirling, Ericsson or similar thermodynamic cycle

Info

Publication number: SE469851B
Application number: SE8903573A
Authority: SE
Inventors: S G Carlqvist
Original assignee: Carlqvist Stig G Motor Consult
Priority date: 1989-10-26
Filing date: 1989-10-26
Publication date: 1993-09-27
Also published as: SE8903573D0; SE8903573L

Abstract

An energy converter, which operates according to the Stirling, Ericsson or a similar thermodynamic cycle, has an annular regenerator 4. The regenerator 4 has a greater throughflow area for the working gas on the heater side than on the cooler side. It can be made from strips of fine-mesh net which are wound in the circumferential direction of the regenerator, the cold working gas flowing into or out of the regenerator 4 on the inside of the ring and the hot working gas flowing out of or into the regenerator 4 on the outside of the ring. <IMAGE>

Description

O'\ OC) U1 10 15 20 25 30 35 ...à 2 varma arbetsgasen har större volym än den kalla är det nu möjligt att erhålla med hänsyn till värmeöverföringen nära optimal strömningshastighet på arbetsgasen i regeneratorn. O '\ OC) U1 10 15 20 25 30 35 ... à 2 hot working gas has a larger volume than the cold, it is now possible to obtain with regard to the heat transfer close to optimal flow rate of the working gas in the regenerator.

Närmare bestämt uppnås detta genom att genomströmnings- riktningen är radiell eller till viss del radiell och den varma gasen strömmande vid den större radien och den kalla vid den mindre radien.More specifically, this is achieved by the flow direction being radial or to some extent radial and the hot gas flowing at the larger radius and the cold at the smaller radius.

Ett andra ändamål med uppfinningen är att bättre ut- nyttja nätmaterialet av vilket regeneratorn framställes.A second object of the invention is to make better use of the network material from which the regenerator is made.

Detta ändamål uppnås genom att regeneratorn tack vare den radiella eller till viss del radiella strömningsriktningen såsom påvisat kan uppbyggas av en enda lång remsa av fin- maskiga nät eller flera sammanfogade remsor av nät, varigenom nätmaterialet kan utnyttjas till fullo i motsats till fallet med regneratorn med axiell genomströmning, där vid tillverkningen endast en mindre del av nätmaterialet utnyttjas.This object is achieved by the regenerator, thanks to the radial or to some extent radial flow direction as shown, can be built up of a single long strip of fine-mesh nets or several joined strips of nets, whereby the net material can be fully utilized in contrast to the regenerator with axial flow, where only a small part of the net material is used in the manufacture.

Ett tredje ändamål med uppfinningen är att minska energiomvandlarens dimensioner. Detta ändamål uppnås genom att inbyggnaden av regeneratorn i energiomvandlaren tack vare att den radiella eller delvis radiella strömningen genom regeneratorn kan utföras så att ett minimum av dödvolym uppstår, vilket är en väsentlig faktor vid ener- giomvandlare arbetande enligt Stirling-, Ericsson- eller liknande arbetscykler.A third object of the invention is to reduce the dimensions of the energy converter. This object is achieved by the incorporation of the regenerator in the energy converter thanks to the fact that the radial or partially radial flow through the regenerator can be carried out so that a minimum of dead volume occurs, which is an essential factor in energy converters operating according to Stirling, Ericsson or similar work cycles. .

Ett fjärde ändamål med uppfinningen är att termiskt isolera regeneratorn, så att värmeförluster till omgiv- ningen förhindras, eftersom dessa minskar verkningsgraden på energiomvandlaren. Detta sker genom att regeneratorn helt omslutes av termiskt isolerande material på ett sätt som gynnas av den radiella strömningsgeometrin, och är speciellt fördelaktigt vid en regenerator geometrisk med delvis radiell strömning. Isolermaterialet kommer i detta fall att fördelas på ett ur termisk synpunkt opti- malt sätt. Den termiska isoleringen har dessutom betydelse för att förhindra värmeläckage från den varma delen av regeneratorn till den kalla via värmeledande väggar. 'x 10 15 20 25 30 35 469 851 3 Föredragna utföringsexempel på uppfinningen beskrivs närmare i det följande med hänvisning itll bifogade rit- ning, på vilken: fig l i sektion visar ett parti av en känd ringformig regenerator, fig 2 i sektion visar ett parti av en ringformig re- generator enligt en utföringsform av uppfinningen, fig 3 i sektion visar regeneratorn i fig 2 försedd med isoleringsskikt, fig 4 delvis i sektion visar en Stirlingmotor med den ringformiga regeneratorn i fig 2, och fig 5 i sektion visar ett parti av en Stirlingmotor med en ringformig, isolerad regenerator enligt en annan utföringsform av uppfinningen.A fourth object of the invention is to thermally insulate the regenerator, so that heat losses to the environment are prevented, as these reduce the efficiency of the energy converter. This is done by the regenerator being completely enclosed by thermally insulating material in a manner which benefits from the radial flow geometry, and is particularly advantageous in the case of a regenerator geometric with partially radial flow. The insulating material will in this case be distributed in an optimal way from a thermal point of view. The thermal insulation is also important to prevent heat leakage from the hot part of the regenerator to the cold via heat-conducting walls. Preferred embodiments of the invention are described in more detail below with reference to the accompanying drawing, in which: Fig. 1 in section shows a portion of a known annular regenerator, Fig. 2 in section shows a portion of an annular regenerator according to an embodiment of the invention, Fig. 3 in section shows the regenerator in Fig. 2 provided with insulating layer, Fig. 4 partly in section shows a Stirling engine with the annular regenerator in Fig. 2, and Fig. 5 in section shows a portion of a Stirling engine with an annular, insulated regenerator according to another embodiment of the invention.

I fig 4 är en regenerator av rent radiell geometri inbyggd i en encylindrig motor av deplacementstyp avsedd för värmetillförsel genom förbränning av ett gasformigt bränsle. Den alstrade mekaniska effekten utnyttjas för drivning av motroterande elektriska generatorer, som är inbyggda i vevhuset. Motorn kan på detta sätt göras helt hermetiskt tillsluten utan rörliga tätningar till omgivningen. I brännkammaren 1 alstras förbränningsgaser av hög temperatur. Värmeinnehållet i förbränningsgaserna tillföres motorn genom värmeöverföring, och restvärmet tillvaratas i en luftförvärmare 2, i vilken inkommande luft till brännkammaren förvärms. Genom värmarrören 3 transporteras värmet via arbetsgasen, som oftast är helium eller väte, till regeneratorn 4, som i detta fall är rent radiell med den varma arbetsgasen vid större radien och den kalla vid den mindre radien. Det värme som ej kan omvandlas till nyttigt arbete kyls bort i kylaren 5, som i allmännhet kyles med vatten i ett konventionellt yttre radiatorsystem. Förflyttningen av gasen från varma delen av motorn till den kalla och vice versa sker med hjälp av den s k deplacementskolven 6, medan kompression av kall gas och expansion av varm gas utföres av arbetskolven 7, som i sin tur förmedlar det mekaniska, nyttiga arbetet 469 851 10 15 20 25 30 35 4 till mekanismen 8 via kolvstängerna 9. Mekanismen styr även via andra kolvstänger 10 deplacementskolven.In Fig. 4, a regenerator of purely radial geometry is built into a single-cylinder engine of the displacement type intended for heat supply by combustion of a gaseous fuel. The generated mechanical power is used to drive counter-rotating electric generators, which are built into the crankcase. In this way, the motor can be made completely hermetically sealed without movable seals to the environment. Combustion gases of high temperature are generated in the combustion chamber 1. The heat content of the combustion gases is supplied to the engine by heat transfer, and the residual heat is collected in an air preheater 2, in which incoming air to the combustion chamber is preheated. Through the heating pipes 3, the heat is transported via the working gas, which is usually helium or hydrogen, to the regenerator 4, which in this case is purely radial with the hot working gas at the larger radius and the cold at the smaller radius. The heat that can not be converted into useful work is cooled in the cooler 5, which is generally cooled with water in a conventional external radiator system. The movement of the gas from the hot part of the engine to the cold and vice versa takes place by means of the so-called displacement piston 6, while compression of cold gas and expansion of hot gas is performed by the working piston 7, which in turn mediates the mechanical, useful work 469 851 To the mechanism 8 via the piston rods 9. The mechanism also controls the displacement piston via other piston rods 10.

Mekanismen är slutligen innesluten i vevhuset ll, som i exemplet är trycksatt med arbetsgasens medeltryck, varigenom motorn blir hermetiskt sluten.The mechanism is finally enclosed in the crankcase 11, which in the example is pressurized with the average pressure of the working gas, whereby the engine is hermetically sealed.

Ett annat exempel i fig 5 visar ett annat utförande av uppfinningen, där regeneratorn har kombinerad radiell och axiell inströmning. Exemplet är också i detta fall en Stirlingmotor i encylindrigt utförande och av deplace- mentstyp med tvà kolvar i varje cylinder. I figuren har endast den del av motorn visats, som gränsar till regene- ratorn. Brännkammaren återfinnes i l och förbränningsgasen passerar först en rad av värmarrör 3 utan ytförstoring och därefter en annan rad 3 med ytförstoring i form av flänsar. Värmarrören står i förbindelse med regeneratorn 4 vid regeneratorns yttre radie. Regeneratorn får genom sin utformning god hastighetsfördelning, vilket ökar dess verkningsgrad. Den termiska isoleringen kan genom rege- neratorns geometri utnyttjas på ett optimalt sätt, bl a genom ett stort isolerskikt mellan varma och kalla partier i omgivningen. Kylaren 5 tar emot kall gas och håller den kall under kompressionen av kall gas. Vidare visas depla- cementskolven 7 med dess värmeisolerande kupol 8 av tunn rostfri plåt. Under denna syns arbetskolven 9.Another example in Fig. 5 shows another embodiment of the invention, where the regenerator has combined radial and axial inflow. The example is also in this case a Stirling engine in a single-cylinder design and of the displacement type with two pistons in each cylinder. The figure shows only the part of the engine that borders the regenerator. The combustion chamber is located in 1 and the combustion gas first passes a row of heating pipes 3 without surface enlargement and then another row 3 with surface enlargement in the form of flanges. The heating pipes are connected to the regenerator 4 at the outer radius of the regenerator. Due to its design, the regenerator has a good speed distribution, which increases its efficiency. The thermal insulation can be utilized in an optimal way through the regenerator's geometry, for example through a large insulation layer between hot and cold parts in the surroundings. The cooler 5 receives cold gas and keeps it cold during the compression of cold gas. Furthermore, the displacement piston 7 with its heat-insulating dome 8 of thin stainless steel is shown. Below this is the work piston 9.

Användningen av ringformiga regeneratorer med radiell eller delvis radiell genomströmning är ej begränsad till de visade värmemotorerna, utan kan i lika grad utnyttjas med fördel för andra utförande av värmemotorer, såväl encylindriga som flercylindriga och dessutom för värme- pumpar och kylmaskiner av Stirlingtyp.The use of annular regenerators with radial or partially radial flow is not limited to the heat engines shown, but can equally be used to advantage for other embodiments of heat engines, both single-cylinder and multi-cylinder and also for heat pumps and cooling machines of the Stirling type.

Claims

~ x .. 10 15 20 25 PATENT REQUIREMENTS

Energy converter, which operates according to Stirling, Ericsson or a similar thermodynamic cycle and which has a radiator side and a heater side and an annular regenerator (4) arranged therebetween, through which working gas is led alternately from the radiator side to the heater side and vice versa in one and the same flow path, characterized in that this flow path is substantially radially directed and that it has an increasing flow area in the direction from the radiator side towards the heater side.

Energy converter according to claim 1, characterized in that the annular regenerator (4) is built up of one or more strips of fine mesh wound in the circumferential direction of the regenerator.

3. An energy converter as claimed in Claim 2, characterized in that the turns of fine mesh are mutually offset in the axial direction of the regenerator (4).

Energy converter according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the regenerator (4) is thermally insulated.

Energy converter according to claim 4, characterized in that the insulating layer is thicker between the hot part of the regenerator (4) and the cold part of the heat converter and between the cold part of the regenerator (4) and the hot part of the heat converter than between the hot part of the regenerator (4) and the heat converter. hot portion and between the cold portion of the regenerator (4) and the cold portion of the heat converter.