WO1996023182A1 - Wärme- und kältemaschine - Google Patents

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WO1996023182A1
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cold
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Klaus Heikrodt
Thomas Bernd
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Viessmann Werke Gmbh & Co.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point

Definitions

  • the invention relates to a heating and cooling machine working according to a regenerative gas cycle process with at least two pistons, which separate at least three process spaces with the interposition of at least one heat exchanger and at least one regenerator connected in series therewith.
  • Heating and cooling machines operating according to a regenerative gas cycle process for example the Stirling or Vuilleumier cycle process
  • a regenerative gas cycle process for example the Stirling or Vuilleumier cycle process
  • Such machines have two pistons which are linearly movable in a pressure-tight housing and which together limit a warm working volume and of which one piston in the housing limits a hot, heat-loaded working volume and the other piston limits a cold working volume, the three working volumes being interconnected with the interposition of regenerators and heat exchangers and a drive and / or a Control for the pistons is provided.
  • the heating and cooling machines which operate according to a regenerative gas cycle process and which are used for heating and air conditioning buildings and vehicles and are equipped with a heat exchanger operated by the atmospheric air and operated as a heat source, there is a risk that at air temperatures around the Freezing point and at high air humidity of the air heat exchanger freezes. In this case, the continued operation of the machine also freezes the cold heat exchanger of the machine. This risk of freezing also exists if there are faults in the cold cycle of the machine, for example due to a failure of the circulation pump.
  • the invention is based on the object of providing a heating and cooling machine which operates according to a regenerative gas circuit process and in which the risk of freezing of the cold heat exchanger is eliminated in an energetically sensible manner using structurally and technically simple means.
  • the solution to this problem by the invention is characterized in that at least one of the regenerators assigned to the cold process space is provided with at least one bypass containing a control valve for changing the amount of heat transferred via the cold heat exchanger circuit between the process gas and the environment.
  • the bypass valve is opened for a limited time when icing occurs on the air heat exchanger, so that no heat is drawn from and removed from the process gas in the regenerator bypassed by the bypass In this way, the cold heat exchanger arranged in the machine is brought to a temperature above the freezing point by the amount of heat coming from the warm process space, which simultaneously de-ices the air heat exchanger. Even if the circulation pump in the circuit belonging to the cold heat exchanger fails, freezing of the cold heat exchanger is avoided in this way even when the machine is running.
  • the bypass line is designed in the form of a through opening in the regenerator, which is closed at both ends during normal operation of the machine. This results in a dead space-free design of this regenerator.
  • bypass line is closed by a plunger which can be moved against the force of a return spring via an electromagnet.
  • Figure 1 is a schematic representation of a heating and cooling machine
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through an embodiment of a regenerator provided with a bypass
  • the heating and cooling machine shown schematically in FIG. 1 comprises a pressure-tight housing 1, in which a hot piston 2 and a cold piston 3 are arranged so as to be linearly movable.
  • the hot piston 2 limits a hot working volume 4, to which heat is supplied, for example through a gas-heated combustion chamber 5.
  • the cold piston 3 limits a cold working volume 6.
  • Both pistons 2 and 3 limit a warm working volume 7.
  • For the synchronized Movement of the pistons 2 and 3 is provided in the exemplary embodiment of a gear 8 which is connected to the cold piston 3 via a hollow piston rod 9 and to the hot piston 2 via a further piston rod 10.
  • a regenerator 11 or 12 is arranged between the hot working volume 4 and the warm working volume 7 as well as between the warm working volume 7 and the cold working volume 6.
  • the warm working volume 7 is still a warm heat exchanger 14 orders, which is connected in series with the regenerator 1 1 and, like this, is flowed through by the process gas. From this warm heat exchanger 13, heat is emitted in a closed circuit via a circulating pump 13a to a heat exchanger designed, for example, as a heater 14.
  • the cold working volume 6 is also associated with a cold heat exchanger 15 connected in series with the regenerator 12 and through which process gas flows, and which is arranged with an air heat exchanger 16 in a closed circuit.
  • a circulation pump 15 a is located in this circuit.
  • the regenerator 12 assigned to the cold working volume 6 is provided with a bypass 17 in which a bypass valve 17a is arranged.
  • this bypass valve 17a is closed, so that the bypass 17 has no influence on the heating and cooling machine operating according to a regenerative gas cycle process.
  • the air heat exchanger 17 extracts heat from the atmospheric air, there is the risk that this air heat exchanger 16 freezes at air temperatures around the freezing point and at high atmospheric humidity.
  • the cold heat exchanger 15 would also freeze in the machine if the machine were to continue operating. This would not only impair the gas cycle process, but would also result in such a sharp drop in temperature in the cold working volume 7, so that there is a risk of the machine being destroyed. This danger also arises if, for example, the heat exchange in the cold heat exchanger 15 is impeded by a fault in the circulation pump 15a.
  • the bypass valve 17a is opened at least for a limited time. Due to the lower flow resistance, the process gas bypasses the regenerator 12 through the bypass 17, so that no heat is withdrawn from the process gas in the regenerator 12. Since the cold heat exchanger 15 is connected in series to the regenerator 12, the cold heat exchanger 15 is replaced by the warm one Working volume 7 brought or kept coming amount of heat at a temperature above freezing.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the regenerator 12 in a longitudinal section.
  • the regenerator 12 is connected to the cold working volume 6 of the machine via an annular channel 18 and is connected in series with the cold heat exchanger 15, part of which is also shown in FIG.
  • the part of the regenerator 12 shown in FIG. 2 is further provided with a through opening 12a which can be closed by a plunger 19. In the closed position, the plunger 19 fills the through-opening 12a of the regenerator 12, which acts as a bypass, so that there is no dead space in the normal operation of the machine as a result of the bypass.
  • the plunger 19 forming the bypass valve in connection with the through opening 12a can be moved out of its closed position shown in FIG. 2 against the force of a return spring 21 by an electromagnet 20.
  • This release position and thus the opening of the bypass is shown in dashed lines in FIG. 2.
  • the process gas essentially flows through the through-opening 12a, bypassing the regenerator 12, in order in this way to prevent the cold heat exchanger 15 and thus the air heat exchanger 16 (not shown in FIG. 2) from freezing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine mit mindestens zwei Kolben (2, 3), die mindestens drei Prozeßräume (4, 6, 7) unter Zwischenschaltung jeweils mindestens eines Wärmetauschers (13, 15) und mindestens eines mit diesen in Reihe geschalteten Regenerators (11, 12) voneinander trennen. Um die Einfriergefahr des kalten Wärmetauschers (15) und damit des Luftwärmetauschers (16) zu beseitigen, ist mindestens einer der dem kalten Prozeßraum (6) zugeordneten Regeneratoren (12) mit einem ein Steuerventil (17a) enthaltenden Bypass (17) versehen.

Description

Wärme- und Kältemaschine
Die Erfindung betrifft eine nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeiten¬ de Wärme- und Kältemaschine mit mindestens zwei Kolben, die mindestens drei Prozeßräume unter Zwischenschaltung jeweils mindestens eines Wärme¬ tauschers und mindestens eines mit diesem in Reihe geschalteten Regenera¬ tors voneinander trennen.
Nach einem regenerativen Gaskreisprozeß, beispielsweise nach dem Stirling- oder Vuilleumier-Kreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen sind seit langer Zeit bekannt, beispielsweise aus der GB-PS 136 195. Derartige Ma¬ schinen haben zwei in einem druckdichten Gehäuse linear bewegliche Kolben, die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen begrenzen und von denen der eine Kolben im Gehäuse ein heißes, mit Wärme beaufschlagtes Arbeitsvolumen und der andere Kolben ein kaltes Arbeitsvolumen begrenzt, wobei die drei Arbeits¬ volumina unter Zwischenschaltung von Regeneratoren und Wärmeübertragern miteinander verbunden sind und ein Antrieb und/oder eine Steuerung für die Kolben vorgesehen ist.
Trotz der unbestreitbaren Vorteile der nach einem regenerativen Gaskreispro¬ zeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschinen haben diese bisher keinen Ein¬ gang in die Praxis gefunden, und zwar hauptsächlich wegen konstruktiver Schwierigkeiten, die die Realisierung der theoretischen Vorteile derartiger Ma¬ schinen in der Praxis bisher verhinderten.
Bei den nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschinen, die für die Heizung und Klimatisierung von Gebäuden und Fahrzeugen eingesetzt und mit einem von der atmosphärischen Luft beauf¬ schlagten, als Wärmequelle betriebenen Wärmeübertrager ausgestattet sind, besteht die Gefahr, daß bei Lufttemperaturen um den Gefrierpunkt und bei hoher Luftfeuchtigkeit der Luftwärmetauscher einfriert. In diesem Fall erfolgt durch den weiteren Betrieb der Maschine auch ein Einfrieren des kalten Wär¬ metauschers der Maschine. Diese Einfriergefahr besteht auch dann, wenn Stö¬ rungen im kalten Kreislauf der Maschine auftreten, zum Beispiel durch Ausfall der Umwälzpumpe.
Um diese Gefahr zu beseitigen, ist es bekannt, den Luftwärmetauscher abzu¬ tauen bzw. vor dem Einfrieren zu beheizen. Dies erfordert aufwendige Heiz¬ einrichtungen, die nicht nur energetisch unerwünscht sind, sondern auch auf¬ wendige Steuerungen erfordern, die normalerweise auch ein Abschalten der gesamten Maschine bewirken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nach einem regenerativen Gas¬ kreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine zu schaffen, bei der die Einfriergefahr des kalten Wärmetauschers mit konstruktiv und regeltechnisch einfachen Mitteln auf energetisch sinnvolle Weise beseitigt wird.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekenn¬ zeichnet, daß mindestens einer der dem kalten Prozeßraum zugeordneten Regeneratoren zur Veränderung der über den kalten Wärmetauscherkreislauf zwischen Prozeßgas und Umgebung übertragenen Wärmemenge mit min¬ destens einem ein Steuerventil enthaltenen Bypass versehen ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung eines Bypasses zu mindestens einem der dem kalten Wärmetauscher zugeordneten Regeneratoren wird beim Auf¬ treten von Vereisungen am Luftwärmetauscher das Bypassventil zeitlich be¬ grenzt geöffnet, so daß dem Prozeßgas in diesem durch den Bypass umgan¬ genen Regenerator keine Wärme entzogen und auf diese Weise der in der Ma¬ schine angeordnete kalte Wärmetauscher durch die aus dem warmen Proze߬ raum kommende Wärmemenge auf eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunk¬ tes gebracht wird, womit zugleich der Luftwärmetauscher enteist wird. Auch bei einem Ausfall der Umwälzpumpe in dem zum kalten Wärmetauscher ge¬ hörenden Kreislauf wird auf diese Weise selbst bei weiterlaufender Maschine ein Einfrieren des kalten Wärmetauschers vermieden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Bypassleitung in Form einer Durchgangsöffnung im Regenerator ausgebildet, die an beiden Enden im Normalbetrieb der Maschine verschlossen ist. Hierdurch ergibt sich eine totraumfreie Ausgestaltung dieses Regenerators.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Bypassleitung durch einen Tauchkolben verschlossen, der über einen Elektromagnet entgegen der Kraft einer Rückzugsfeder bewegbar ist. Diese erfindungsgemäße Weiterbildung ergibt eine besonders einfache und funktionssichere Konstruk¬ tion mit geringem Raumbedarf.
Auf der Zeichnung ist außer einem schematischen Ausführungsbeispiel einer nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältema¬ schine eine konstruktive Ausführungsmöglichkeit der Erfindung dargestellt und zwar zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Wärme- und Kältemaschine und
Figur 2 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines mit einem Bypass versehenden Regenerators
Die in Figur 1 schematisch dargestellte Wärme- und Kältemaschine umfaßt ein druckdichtes Gehäuse 1 , in dem ein heißer Kolben 2 und ein kalter Kolben 3 linear beweglich angeordnet sind. Der heiße Kolben 2 begrenzt ein heißes Ar¬ beitsvolumen 4, dem Wärme zugeführt wird, beispielsweise durch eine gasbe¬ heizte Brennkammer 5. Der kalte Kolben 3 begrenzt ein kaltes Arbeitsvolumen 6. Beide Kolben 2 und 3 begrenzen ein warmes Arbeitsvolumen 7. Für die synchronisierte Bewegung der Kolben 2 und 3 ist beim Ausführungsbeispiel ein Getriebe 8 vorgesehen, das über eine hohle Kolbenstange 9 mit dem kal¬ ten Kolben 3 und über eine weitere Kolbenstange 10 mit dem heißen Kolben 2 verbunden ist.
Sowohl zwischen dem heißen Arbeitsvolumen 4 und dem warmen Arbeits¬ volumen 7 als auch zwischen dem warmen Arbeitsvolumen 7 und dem kalten Arbeitsvolumen 6 ist jeweils ein Regenerator 1 1 bzw. 12 angeordnet. Dem warmen Arbeitsvolumen 7 ist weiterhin ein warmer Wärmetauscher 14 zuge- ordnet, der mit dem Regenerator 1 1 in Reihe geschaltet ist und ebenso wie dieser vom Prozeßgas durchströmt wird. Aus diesem warmen Wärmetauscher 13 wird im geschlossenen Kreislauf über eine Umwälzpumpe 13a Wärme an einen beispielsweise als Heizung 14 ausgebildeten Wärmetauscher abgegeben.
Auch dem kalten Arbeitsvolumen 6 ist ein mit dem Regenerator 12 in Reihe geschalteter, von Prozeßgas durchströmter kalter Wärmetauscher 1 5 zugeord¬ net, der mit einem Luftwärmetauscher 16 in einem geschlossenen Kreislauf angeordnet ist. In diesem Kreislauf befindet sich eine Umwälzpumpe 1 5a.
Bei dem in Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel einer Wärme- und Kältemaschine ist der dem kalten Arbeitsvolumen 6 zugeordnete Regenerator 12 mit einem Bypass 17 versehen, in dem ein Bypassventil 17a angeordnet ist. Im Normalbetrieb ist dieses Bypassventil 17a geschlossen, so daß der Bypass 17 keinen Einfluß auf die nach einem regenerativen Gaskreis¬ prozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine hat.
Da der Luftwärmetauscher 17 der atmosphärischen Luft Wärme entzieht, be¬ steht die Gefahr, daß bei Lufttemperaturen um den Gefrierpunkt und bei hoher Luftfeuchtigkeit dieser Luftwärmetauscher 16 einfriert. In diesem Fall würde bei einem weiteren Betrieb der Maschine auch der kalte Wärmetauscher 1 5 in der Maschine einfrieren. Hierdurch würde nicht nur der Gaskreisprozeß beein¬ trächtigt, sondern eine derart starke Absenkung der Temperatur im kalten Ar¬ beitsvolumen 7 auftreten, so daß die Gefahr einer Zerstörung der Maschine besteht. Diese Gefahr entsteht auch dann, wenn beispielsweise durch eine Störung der Umwälzpumpe 15a der Wärmeaustausch im kalten Wärmetauscher 15 behindert wird.
Um diese Einfriergefahr des Luftwärmetauschers 16 und damit des kalten Wärmetauschers 15 nicht nur bei Lufttemperaturen um den Gefrierpunkt, son¬ dern auch beim Ausfall der Umwälzpumpe 1 5a zu beseitigen, wird das By¬ passventil 17a zumindest zeitlich begrenzt geöffnet. Das Prozeßgas wird auf¬ grund des geringeren Strömungswiderstandes den Regenerator 12 durch den Bypass 17 umgehen, so daß dem Prozeßgas im Regenerator 12 keine Wärme entzogen wird. Da der kalte Wärmetauscher 15 in Reihe zum Regenerator 12 geschaltet ist, wird der kalte Wärmetauscher 1 5 durch die aus dem warmen Arbeitsvolumen 7 kommende Wärmemenge auf einer Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes gebracht bzw. gehalten.
Hierdurch wird beim Auftreten von Vereisungen des Luftwärmetauschers 16 dieser abgetaut bzw. vor dem Einfrieren geschützt, vorausgesetzt daß die Umwälzpumpe 1 5a arbeitet. Sollte die Umwälzpumpe 1 5a ausfallen, wodurch zugleich eine Unterkühlung des Luftwärmetauschers 16 unterbleibt, sorgt die aus dem warmen Arbeitsraum 7 kommende Wärme dafür, daß bei einer trotz Ausfalls der Umwälzpumpe 1 5a weiterbetriebenen Maschine keine Unterkühlung des kalten Wärmetauschers 15 stattfindet, die zu einer Zerstörung der Maschine führen würde.
Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Regenerators 12 in einem Längsschnitt.
Auf der Zeichnung ist ein Teil des Gehäuses 1 und des kalten Kolbens 3 der Maschine zu erkennen. Der Regenerator 12 steht mit dem kalten Arbeitsvo¬ lumen 6 der Maschine über einen Ringkanal 18 in Verbindung und ist in Reihe mit dem kalten Wärmetauscher 15 geschaltet, von dem ebenfalls ein Teil in Figur 2 dargestellt ist. Der in Figur 2 gezeigte Teil des Regenerators 12 ist weiterhin mit einer Durchgangsöffnung 12a versehen, die durch einen Tauch¬ kolben 19 verschließbar ist. In der Schließstellung füllt der Tauchkolben 19 die als Bypass wirkende Durchgangsöffnung 12a des Regenerators 12 aus, so daß sich durch den Bypass kein Totraum im Normalbetrieb der Maschine er¬ gibt.
Der in Verbindung mit der Durchgangsöffnung 12a das Bypassventil bildende Tauchkolben 19 kann aus seiner in Figur 2 dargestellten Schließstellung ent¬ gegen der Kraft einer Rückstellfeder 21 durch einen Elektromagneten 20 her¬ ausbewegt werden. Diese Freigabestellung und damit die Öffnung des By- passes ist gestrichelt in Figur 2 eingezeichnet. In dieser gestrichelten Stellung wird das Prozeßgas im wesentlichen unter Umgehung des Regenerators 12 dessen Durchgangsöffnung 12a durchströmen, um auf diese Weise ein Ein¬ frieren des kalten Wärmetauschers 1 5 und damit des in Figur 2 nicht darge¬ stellten Luftwärmetauschers 16 zu verhindern. Bezugszeichenliste:
1 Gehäuse 20 Elektromagnet
2 heißer Kolben 21 Rückstellfeder
3 kalter Kolben
4 heißes Arbeitsvolumen
5 Brennkammer
6 kaltes Arbeitsvolumen
7 warmes Arbeitsvolumen
8 Getriebe
9 hohle Kolbenstange
10 Kolbenstange
11 Regenerator
12 Regenerator
12a Durchgangsöffnung
13 warmer Wärmetauscher 13a Umwälzpumpe
14 Heizung
15 kalter Wärmetauscher 15a Umwälzpumpe
16 Luftwärmetauscher
17 Bypass
17a Bypassventil
18 Ringkanal
19 Tauchkolben

Claims

Pa te nta ns p rü c h e :
1. Nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kälte¬ maschine mit mindestens zwei Kolben (2, 3), die mindestens drei Proze߬ räume (4, 6, 7) unter Zwischenschaltung jeweils mindestens eines Wär¬ metauschers (13, 15) und mindestens eines mit diesen in Reihe geschal¬ teten Regenerators (11, 12) voneinander trennen, d a d u rc h g e ke n nze i c h n et, daß mindestens einer der dem kalten Prozeßraum (6) zugeordneten Re¬ generatoren (12) zur Veränderung der über den kalten Wärmetauscher¬ kreislauf zwischen Prozeßgas und Umgebung übertragenen Wärmemenge mit mindestens einem ein Steuerventil (17a) enthaltenden Bypass (17) versehen ist.
2. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (17) in Form einer Durchgangsöffnung (12a) im Regenerator (12) ausgebildet ist, die an beiden Enden im Normalbetrieb der Maschine verschlossen ist.
3. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Bypassleitung (17) durch einen Tauchkolben (19) ver¬ schließbar ist, der über einen Elektromagnet (20) entgegen der Kraft einer Rückstellfeder (21) bewegbar ist.
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