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Dokumentenidentifikation DE3607432A1 10.09.1987
Titel Regenerative Arbeits- und Wärmemaschine mit äußerer Wärmezufuhr
Anmelder Eder, Franz-Xaver, 8000 München, DE
Erfinder Eder, Franz-Xaver, Prof. Dr.-Ing., 8000 München, DE;
Voigt, Hans, Dr., 8520 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 06.03.1986
DE-Aktenzeichen 3607432
Offenlegungstag 10.09.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.09.1987
IPC-Hauptklasse F02G 1/055
IPC-Nebenklasse F02G 1/057   F28D 7/00   
IPC additional class // F24J 3/00,F25B 9/00  

Beschreibung[de]

Es sind Arbeits- und Wärmemaschinen bekannt, deren Arbeitsgas in einem geschlossenen System, das aus Arbeitszylindern, Wärmeaustauschern und thermischem Regenerator besteht, abwechselnd unter Wärmezufuhr entspannt oder unter Wärmeentzug verdichtet und dabei durch den Regenerator gepreßt wird. Im thermischen Regenerator wird der Wärmeinhalt des Arbeitsgases während eines halben Arbeitszyklus gespeichert und in der folgenden Phase, in der er in entgegengesetzter Richtung durchströmt wird, an dieses wieder abgegeben. Die dabei auftretenten Druckänderungen im Arbeitsgas werden durch den auf- und abbewegten Verdrängerkolben hervorgerufen, der das Füllgas vom beheizten Zylindervolumen in das gekühlte und umgekehrt fördert.

An Hand der in Bild 1 dargestellten Anordnung läßt sich die Wirkungsweise der regenerativen Arbeitsmaschine erläutern. Sie besteht aus dem Arbeitszylinder (1), in dem der Verdrängerkolben (2) durch die z. B. von einem Hilfsmotor angetriebenen Kurbelwelle (3) zwischen oberem (OT) und unterem Totpunkt (UT) periodisch auf- und abbewegt wird. Die durch den Kolben (2) abgeteilten Arbeitsräume (4) und (5) sind über den Heizwärmetauscher (6), den thermischen Regenerator (7) und den Kühler (8) miteinander verbunden, so daß in der ganzen Maschine, die z. B. mit Helium von 50 bar gefüllt ist, der gleiche Druck herrscht. Dem hermetisch abgeschlossenen Drucksystem wird über dem Wärmetauscher (6) bei der Temperatur T2 (z. B. 500°C = 773 K) die Heizenergie Q2 zugeführt und über den Kühler (8) bei der tieferen Temperatur T0 (z. B. 50°C = 323 K) die Wärmemenge Q0 entzogen.

Im thermischen Regenerator (7) muß der Wärmeinhalt (Enthalpie) des Arbeitsgases, der seiner Masse und Temperaturdifferenz (T2-T0) proportional ist, gespeichert werden; seine Speichermasse besteht z. B. aus dünndrähtigen Netzen aus Bronze oder rostfreiem Cr-Ni-Stahl. Bewegt sich der Kolben (2) von oben nach unten, so wird das kalte Gas vom unteren Arbeitsraum (5) durch den Regenerator gedrückt und nimmt aus dessen Speichermasse, deren Temperatur von unten (T0) nach oben (T2) ansteigt, soviel Wärmemenge auf, daß es etwa mit T2 den Regenerator verläßt. Umgekehrt gibt das während der folgenden Phase aus dem Heizer (6) strömende Gas von der Temperatur T2 die gleiche Enthalpiedifferenz an den Regenerator ab und verläßt diesen mit der Temperatur T0.

Die bei diesem Kreisprozeß im Arbeitsgas ablaufenden Zustandsänderungen sind im T, s-Diagramm von Bild 2 schematisch dargestellt: Das Arbeitsgas vom Zustand 1 (Druck P1, Kühlertemperatur T0) wird bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens bei konstantem Gesamtvolumen (isochor) durch den Regenerator geschoben, entnimmt aus ihm die Wärmemenge Q12 = mcv (-T2-T0) und verläßt ihn mit der Temperatur T2; m und cv bedeuten Gasmenge und ihre spezifische Wärme bei konstantem Volumen. Zwischen den Zuständen 2 und 3 nimmt das Arbeitsmedium bei der Temperatur T2 im Heizwärmetauscher (6) isotherm die Wärmemenge Q2 auf, wobei es vom Druck P2 auf den Druck P3 expandiert und mechanische Arbeit leistet. Längs 3-4 wird der Regenerator in entgegengesetzter Richtung vom Gas durchströmt, das ihren Wärmeinhalt Q34 = mcv (T2-T0) auf dessen Speichermasse überträgt. Im Zustand 4 wird der geringste Gasdruck P4 erreicht. Während der anschließenden Kompressionsphase 4-1 wird bei der Kühlertemperatur T0 die Wärmemenge Q0 isotherm abgeführt, der Ausgangszustand 1 erreicht und muß mechanische Arbeit zugeführt werden.

Da beim verlustlosen Kreisprozeß die im Regenerator gespeicherte Wärmemenge Q34 vollkommen auf das Gas zwischen den Zuständen 1 und 2 übertragen wird, d. h. Q34 = Q12, gilt nach dem I. Hauptsatz der Thermodynamik für die geleistete Arbeit - W = Q2-Q0; dies entspricht in Bild 2 der Fläche 1234. Von den Möglichkeiten, die Arbeit W aus dem Kreisprozeß auszukoppeln, ist in Bild 1 die eines thermischen Verdichters dargestellt: Mit Hilfe der Rückschlagventile (10) und (11) kann dem Prozeß beim Maximaldruck P2 das Gasvolumen ΔV entnommen und beim niedrigsten Systemdruck P4 wieder zugeführt werden, wobei W = ΔV (P2--P4).

Die bekannteste Anwendungsmöglichkeit dieses Prozesses führt zum Stirling-Motor", bei dem ein zweiter Gaszylinder direkt (ohne die Ventile (10, 11)) angeschlossen wird, in dem der zwischen den Drücken P2 und P4 sich verändernde Arbeitsdruck bei passender Phasenlage seines Arbeitskolbens direkt mechanische Wellenleistung erzeugt.

Die Heizenergie Q2 wird meist durch einen Gebläsebrenner aufgebracht, dessen Verbrennungsgase ihren Wärmeinhalt im Heizwärmetauscher (6) möglichst verlustlos auf das Arbeitsmedium bei der Temperatur T2 übertragen sollen. Dies ist nur möglich, wenn die spezifische Wärmekapazität des Wärmeträgers sehr groß ist, wie z. B. bei kondensierenden oder erstarrenden Substanzen. In allen anderen Fällen muß das Heizmedium, z. B. das heisse Verbrennungsgas, mit höherer Temperatur T2&min; in den Heizer (6) eintreten und kann ihn im günstigsten Fall (unendlich große Wärmeübertragungsfläche) mit der Temperatur T2 verlassen. Hat das Heizmedium die (konstante) spezifische Wärmekapazität c2, so ist Q2 = c2(T2&min;-T2) die maximal in den regenerativen Kreisprozeß einspeisbare Wärmemenge, welche die mechanische Arbeit

W&min; = =c2 (1-T0/T2) (T2&min;-T2) (1)

erzeugt. Dieser Ausdruck erreicht bei der Temperatur T2 = √T0T2&min;- seinen höchsten Wert und liefert die maximale Arbeit

W&min; = c2 (√T2&min;- √T0)2, (2)

die demnach nur von den Temperaturen T0 und T2&min; abhängt.

Das für diesen Kreisprozeß adäquate T, s-Diagramm in Bild 3 zeigt die bei gleitender Temperatur zwischen T2 und T2&min; zugeführte Wärmemenge Q2&min; und die im Vergleich zu Bild 2 größere Fläche 123&min;34 als Äquivalent für die Differenz der zu- und abgeführten Wärmemengen. Da jedoch für die Teilprozesse 2-3&min; und 3&min;-3 die regenerative Wärmerückgewinnung in der Anordnung nach Bild 1 fehlt, kann damit nur die schraffierte Fläche 1234 in Form von mechanischer Arbeit gewonnen werden:

Die durch den klassischen Stirling-Prozeß erzeugbare mechanische Arbeit entspricht nur im Ausnahmefall einer isotherm Wärmezufuhr der eines bei den selben Temperaturen T0, T2 ablaufenden Carnot-Prozesses und ist im allgemeinen wesentlich geringer.

Vorliegende Erfindung liefert die Erkenntnisses und praktischen Verfahren, um auch mit einer Wärmezufuhr bei gleitender Temperatur den Carnot- Wirkungsgrad erreichen zu können. Die hierfür notwendigen Veränderungen der ursprünglichen Anordnung gehen aus Bild 4 hervor:

Das obere (4) und untere (5) Teilvolumen des Arbeitszylinders (1) sind - ähnlich wie in der Maschine nach Bild 1 - durch den Kühler (12), den thermischen Regenerator (13) und eine Vorrichtung (14) verbunden, die sich grundsätzlich vom Heizwärmetauscher (6) in Bild 1 unterscheidet. Sie stellt nach dem Erfindungsgedanken einen regenerativen Wärmetauscher dar, dem der Wärmeinhalt des Heizmediums (Verbrennungs- oder Rauchgase) bei gleitender Temperatur zugeführt und sowohl auf die Regenerator-Speichermasse als auch auf das gasförmige Arbeitsmedium übertragen wird. Dadurch wird erreicht, daß die durch die Fläche 23&min;3 in Bild 3 charakterisiert Wärmemenge (in einer reversibel arbeitenden Maschine vollständig) auch in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Aus dem in Bild 4 eingetragenen Temperaturgradienten im Regenerator (13) und Wärmetauscher (14) geht in Übereinstimmung mit dem T, s-Diagramm von Bild 3 hervor, daß die Enthalpie des Heizmediums bis zum Temperaturniveaus T2 und seine Restwärme zur Luftvorwärmung des Heizbrenners genutzt werden kann. Bei dem in Bild 3 dargestellten Prozeß wird vorausgesetzt, daß die Wärmezufuhr bei der Temperatur T0 quasi-isotherm durch einen Wasserkühler erfolgt. Steht stattdessen als Kühlmedium nur Luft zur Verfügung, muß auch die Wärmemenge Q0 bei gleitender Temperatur zwischen T0&min; und T0 abgeführt und der Kühler (12) durch einen zweiten regenerativen Wärmetauscher ersetzt werden;

Eine analoge Anwendung findet vorliegende Erfindung bei praktischer Auslegung von regenerativen Wärme- und Kälteprozessen, wie z. B. bei der Vuillemier-Wärmepumpe, deren Wärmetauscher neben dem Heizwärmetauscher ebenfalls als Regenerativ-Wärmetauscher auszulegen sind, wenn es sich um eine Luft-Luft-Wärmepumpe handelt.

Bei der praktischen Anwendung des Erfindungsgedankens einer bei gleitender Temperatur zugeführten Heizenergie, kann diese ohne merkliche Wirkungsggradeinbuße durch eine solche in einigen Temperaturstufen ersetzt werden. Dieses Erfindungsmerkmal wird in Bild 5 anhand des T,s-Diagramms für einen regenerativen Heizwärmetauscher erläutert, bei dem die gesamte Heizenergie bei den Temperaturniveaus T2, T2&min;; T2&sec; in Teilbeträgen q2, q2&min;, q2&sec; dem Prozeß zugeführt wird. Die Zustandsänderungen 1-2, 3-2&min;, 3&min;-2&sec; stellen Isochoren dar; die in den Einzelregeneratoren (15) (s. Bild 6) gespeicherten Wärmemengen sind durch schraffierte Flächen gekennzeichnet. In Tabelle 1 sind für einen vierstufigen Prozeß bei festgehaltener Eintrittstemperatur T2* des Heizmediums und variabler Austrittstemperatur T2 des Heizmediums der thermodynamische Wirkungsgrad ηR und nC = 1-T0/T2, der auf die Temperatur T0 und T2 bezogene Carnot- Wirkungsgrad angegeben.

Tabelle 1


Diese Aufstellung zeigt deutlich den großen Vorteil des neuen Kreisprozesses: Je höher der dem Heizmedium entzogene Wärmeinhalt ist, d. h. je größer die Temperaturdifferenz T2*-T2 ist, desto effektiver arbeitet die Anlage im Vergleich zum Carnot-Prozeß, der sich zwischen T0 und T2 abspielt, wie aus den letzten beiden Zeilen von Tabelle 1 hervorgeht. Für die Realisierung des Erfindungsgedanken bietet das in Bild 5 skizzierte Modell große praktische Vorteile: An die Stelle eines thermischen Regenerators (7) in Bild 1 tritt eine mehrfach unterteilte Regenerator- Wärmetauscher-Kombination. Bei dem in Bild 6 im Schnitt dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Regeneratorabschnitte (15) zentrisch innerhalb des Außenmantels (16) der Brennkammer angeordnet, die vom Brenner (17) beheizt wird. Die zylindrischen Regeneratoren (15) von kurzer Bauhöhe sind durch kreisförmig aufgefächerte Bündel aus U-förmig gebogenen Cr-Ni-Stahlröhrchen (18) miteinander verbunden und werden vom Arbeitsmedium der Maschine hintereinander durchströmt. Das Rohrbündel am Eintritt der Brennerflamme ist über den Sammelstutzen (19) mit dem heissen Arbeitsraum (4) des Arbeitszylinders (1) verbunden; das Rohrbündel am Brennerkammeraustritt ist über einen entsprechenden Rohrstutzen (20) an den Regenerator (21) und den Kühler (8) angeschlossen. Die Betriebstemperaturen T0, T2 und T2* sind in Bild 6 eingetragen. Die auf etwa die Temperatur T2 am Brennerkammeraustritt abgekühlten Rauchgase werden in in einem nachgeschalteten Wärmetauscher genutzt, um die Verbrennungsluft für den Brenner (17) vorzuwärmen.

Aus der thermodynamischen Durchbrechung des neuen Kreisprozesses geht hervor, daß sein Wirkungsgrad nur um etwa 5% zunimmt, wenn der vierstufige Regenerator durch eine zehnstufige Konstruktion ersetzt wird. Auch aus konstruktiven Gründen wird man daher die Unterteilung des Regenerators auf 4 oder 5 Abschnitte beschränken. Trotz der Vielfalt der konstruktiven Möglichkeiten, die dem Anwendungszweck (Stirling- Motor, thermohydraulische Arbeitsmaschine, thermischer Verdichter, Vuillemier-Wärmepumpe) angepaßt werden, sind in ihrer Konstruktion und Bemessung folgende Erfindungsmerkmale zu verifizieren:

  • a) Beim neuen regenerativen Kreisprozeß werden Heizwärmetauscher und Regenerator und/oder Regenerator und Kühler durch regenerative Wärmetauscher-Konstruktionen mit kontinuierlicher Wärmeübertragung und -speicherung bei gleitender Temperatur ersetzt.
  • b) Mit Vorteil lassen sich die in Pkt. a) definierten Wärmeübertragungs- und -speichervorrichtungen in einzelne Regeneratoren unterteilen, die durch einzelne Wärmetauscher für das Heiz- bzw. Kühlmedium verbunden sind und vom Arbeitsmedium in Serie durchströmt werden.
  • c) Die mittleren Arbeitstemperaturen der einzelnen Regeneratoren nehmen in Stufen bei der Heizkombination vom Brenner aus ab, bei der Kühleranordnung vom kalten Arbeitsraum (5) aus zu.
  • d) Die Heizwärmetauscher (18) sind in einer gemeinsamen Brennkammer angeordnet, in der das durchströmende Heizmedium seinen Wärmeinhalt bei abnehmender Temperatur auf das Arbeitsmedium überträgt.

Der neuartige regenerative Kreisprozeß mit äußerer Energiezufuhr entsprechend der vorliegenden Erfindung läßt sich auf alle bekannten regenerativen Arbeits- und Kältemaschinen sowie Wärmepumpen anwenden, welche die heute so wichtigen Vorzüge wie hoher thermodynamischer Wirkunsgrad, geringe Schadstoffemission, lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit aufweisen. Die Erfindung trägt darüber hinaus der Realität Rechnung, daß die im allgemeinen für die Wärmezufuhr und -abfuhr vorausgesetzte Isothermie nicht erreichbar ist und ersetzt diese ohne Wirkungsgradeinbuße durch eine Wärmeübertragung bei stetig oder stufenweise sich ändernder Temperatur.


Anspruch[de]
  1. 1. Regenerative Arbeits- oder Wärmemaschine, aus Arbeitszylinder(n) mit periodisch bewegten Verdrängerkolben, Wärmetauschern für die Zu- und Abfuhr der Heiz- und Kühlenergie bei hoher bzw. tiefer Temperatur und einem oder mehreren thermischen Regeneratoren bestehend, welche die vom Verdrängerkolben abgeteilten Arbeitsräume des Zylinders verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von diskreten Wärmetauschern und diskreten thermischen Regeneratoren Regenerativ-Wärmetauscher angewandt werden, bei denen Wärmeübertragung und -speicherung bei gleitender Temperatur erfolgen.
  2. 2. Regenerative Arbeits- und Wärmemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerativ-Wärmetauscher als Kreuzstrom- Wärmetauscher ausgebildet sind, und das einem Röhrchenbündel aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit und hoher spezifischen Wärmekapazität bestehen.
  3. 3. Regenerative Arbeits- und Wärmemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerativ-Wärmetauscher für die Wärmezufuhr in mehrere kurze Regeneratoren unterteilt ist, die durch Rohrbündel- Wärmetauscher für das Heizmedium verbunden sind und vom Arbeitsgas der Maschine durchströmt werden, bzw. daß der Regenerativ-Wärmetauscher für die Abfuhr der Kühlenergie in mehrere kurze Regeneratoren unterteilt ist, die durch Rohrbündel-Wärmetauscher für das Kühlmedium verbunden sind.
  4. 4. Regenerative Arbeits- oder Wärmemaschine nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Heizwärmeaustauscher (18) in einer gemeinsamen, diese umhüllenden Brennkammer angeordnet sind und außen vom Heizmedium nacheinander angeströmt werden.
  5. 5. Regenerative Arbeits- oder Wärmemaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizgasstrom in der Brennkammer nach dem Durchströmen der Heiz-Wärmetauscher einen zusätzlichen Wärmetauscher für die Vorwärmung der Verbrennungsluft für den Heizbrenner passiert.






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