DE4314000A1 - Verfahren zum Betreiben einer Kolbenmaschine mit geschlossenem Kreislauf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbenmaschine mit Regenerator, Erhitzer und Kühler und einem Gas im geschlossenem Kreislauf. Solche Kolbenmaschinen sind als Stirling-Maschinen in vielen Ausführungsarten bekannt­ geworden. Einen umfassenden Überblick darüber gibt der vom Bundesministerium für Forschung und Technologie herausgegebene Forschungsbericht T 84-196.

Während die Stirling-Kältemaschinen als auf dem Markt ein­ geführt gelten, konnte der wirtschaftliche Durchbruch bei den Stirling-Kraftmaschinen noch nicht erfolgen. Dies liegt zum einen an den Herstellungskosten, zum anderen aber auch an Mängeln des Arbeitesverfahrens. Dem Arbeitsverfahren wird der Stirling-Prozeß zugrunde gelegt, welcher eigentlich diskonti­ nuierliche Kolbenbewegungen erfordert und keine Totvolumen zuläßt. Es soll zwischen gleich großen Räumen unterschied­ licher Temperatur ein isochorer Wärmetausch im Regenerator realisiert werden.

Das Arbeitsmittel läßt sich zwar durch entsprechenden mechanischen Aufwand bei gleichbleibendem Gesamtvolumen verschieben, dies genügt aber nicht, einen isochoren Wärme­ tausch zu realisieren. Beim Verschieben des Arbeitsmittels vom kalten in den heißen Raum nimmt ein Teil der Gasmasse im Regenerator gespeicherte Wärme auf und steigert den System­ druck. Ein anderer Teil der Gasmasse befindet sich im Kühler und wird dort, durch den steigenden Systemdruck und den Gas­ gesetzen folgend, gleichzeitig Wärme abgeben. Dies kann unmöglich im Sinne eines guten Regenerationsgrades sein.

Man ist daher bestrebt, das Totvolumen möglichst klein zu halten. Dies führt wiederum zu widersprüchlichen Anforderungen an die Wärmetauscher und hat einen negativen Einfluß auf die isothermen Zustandsänderungen, da diese nur in Aufnahmevolumen der Wärmetauscher stattfinden können, während sie in den Hub­ räumen der Zylinder eher adiabat verlaufen. Die isothermen Zustandsänderungen sind wiederum Voraussetzung für einen hohen Regenerationsgrad, da es nichts nutzt, die Wärme nach der adiabaten Expansion auf umgekehrtem Weg aufzunehmen und dann im Regenerator zu speichern, weil diese Wärme dann zusätzlich zuzuführen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Arbeitsver­ fahren zu entwickeln, das unter Berücksichtigung der Aufnahme­ volumen der Wärmetauscher den Regenerationsgrad erhöht. Diese Aufgabe wird erfindunsgemäß dadurch gelöst, daß der Wärmetausch ohne Änderung des Systemdrucks stattfindet und die Aufnahmevolumen in den Wärmetauschern mindestens so groß sind wie die Hubvolumen der zugehörigen Kolben.

Das Verfahren soll anhand der Figuren des Ausführungsbei­ spiels erläutert werden.

Die in den Figuren verwendeten Ziffern bedeuten:
1 = heißer Raum
2 = Erhitzer
3 = Regenerator
4 = Kühler
5 = kalter Raum

Der isobare Wärmetausch bedingt, daß das Hubvolumen des kalten Raumes kleiner als das Hubvolumen des heißen Raumes ist. Beim Ausführungsbeispiel geschieht dies durch gleiche Kolbenhübe bei verschiedenen Zylinderdurchmessern. Der im Durchmesser größere Kolben eilt dabei dem kleineren Kolben um 90° voraus. Bei gegebenen Grenztemperaturen, welche durch die Warmfestigkeit der eingesetzten Werkstoffe und die erreich­ bare Kühltemperatur gegeben sind, läßt sich das Verhältnis der Räume zueinander aus dem Gasgesetz der Isobaren ermitteln.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Kolbenkraftmaschine zu Beginn der Verdichtung. Jede Teilgasmasse wird nun auf ihrem Tempe­ raturniveau verdichtet. Dabei wird sowohl an den Kühler als auch an Regenerator und Erhitzer Wärme abgeführt. Die Ver­ dichtung erzeugt das für die Wärmeabfuhr treibende Temperatur­ gefälle. Die an den Erhitzer abgeführte Wärme ist nicht schädlich, da sie über den Luftvorerhitzer wieder in das System zurückgeführt wird. In den Zylindern verläuft die Verdichtung mangels genügender Wärmetauschfläche eher adiabat. Je größer nun das Aufnahmevolumen der Wärmetauscher im Verhältnis zum Zylindervolumen ist, desto besser wird die isotherme Zustandsänderung erreicht.

Fig. 2 zeigt die Kolbenkraftmaschine am Ende der Ver­ dichtung. Die Gasmasse befindet sich nun in den Aufnahme­ volumen der Wärmetauscher und im kalten Raum. Eine Gasmasse entsprechend der im kalten Raum befindlichen wird nun in den heißen Raum geschoben. Dabei wird im Regenerator ge­ speicherte Wärme bei gleichbleibend hohem Druck aufgenommen und das Gesamtvolumen vergrößert. Im Erhitzer und im Kühler findet kein Wärmefluß statt, da kein ausreichend treibendes Temperaturgefälle vorhanden ist.

Fig. 3 zeigt die Kolbenkraftmaschine am Ende der Wärme­ zufuhr durch den Regenerator. Die nun anschließende Expansion verläuft nahe der Isothermen. Jede Teilgasmasse expandiert auf ihrem Temperaturniveau. Die Expansion erzeugt das für die Wärmezufuhr treibende Temperaturgefälle. Dabei wird sowohl im Erhitzer als auch in Regenerator und Kühler Wärme aufgenommen. Die im Kühler aufgenommene Wärme ist nicht schädlich, da sie nicht durch zusätzlichen Brennstoffeinsatz bereitgestellt wird. Die im Regenerator aufgenommene Wärme ist gleich der bei der isothermen Verdichtung gespeicherten.

Fig. 4 zeigt die Kolbenkraftmaschine am Ende der Expansion. Ein Teil der Gasmasse wird nun bei gleichbleibend niedrigem Druck in den kalten Raum geschoben. Dabei wird Wärme an den Regenerator abgeführt und das Gesamtvolumen verringert. Im Erhitzer und im Kühler findet kein Wärmefluß statt, da kein ausreichend treibendes Temperaturgefälle vorhanden ist.

Es wird also Wärme bei hoher Temperatur zugeführt und bei niedriger Temperatur an die Umgebung abgegeben. Alle anderen Wärmemengen sind regenerativ. Dies entspricht dem Carnot- Wirkungsgrad.

Fig. 5 zeigt das zugehörige ideale Druck-Volumen-Diagramm.

Durch das Aufnahmevolumen der Wärmetauscher fällt die Nutz­ arbeit pro Zyklus geringer aus. Bei großzügig bemessenen Durchströmungsquerschnitten läßt sich der Arbeitsverlust durch Erhöhung der Drehzahl ausgleichen. In einer günstigen Ausführung sind die Durchströmungsquerschnitte so bemessen, daß die Strömungsgeschwindigkeit überall gleich ist.

Ein weiterer Vorteil des Arbeitsverfahrens liegt darin, daß Maximal- und Minimaldruck näher beieinander liegen, so daß zumindest bei den Stirling-Maschinen mit doppelt wir­ kenden Kolben statt der bisher üblichen Kolbenringe be­ rührungslos abdichtende Labyrinthdichtungen verwendet werden können. Diese haben sich bereits bei Kompressoren für die Nahrungsmittelindustrie bewährt. Die trocken laufenden Kolbenringe sind zur Zeit das lebensbegrenzende Bauelement bei Stirling-Maschinen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl für eine Wärmekraftmaschine als auch für eine Arbeits­ maschine verwendet werden und läßt die Verwendung der preis­ günstigen und für hohe Drehzahlen geeigneten einfachen Kurbelwelle zu.

Claims (3)

1. Verfahren zum Betreiben einer Kolbenmaschine mit Erhitzer, Regenerator und Kühler und einem Arbeitsgas im geschlossenen Kreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme­ tausch im Regenerator bei gleichbleibendem Druck erfolgen soll und die Aufnahmevolumen von Erhitzer, Regenerator und Kühler insgesamt mindestens so groß wie die Hubvolumen der zuge­ hörigen Zylinder sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Verfahren zur Erzeugung von Kraft aus einer Wärmequelle handelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Verfahren zur Erzeugung von Wärme oder Kälte aus einer Kraftquelle handelt.