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    公开号:WO1983004281A1
    申请号:PCT/DE1983/000097
    申请日:1983-05-27
    公开日:1983-12-08
    发明作者:Franz X. Eder
    申请人:Eder Franz X；
    IPC主号:F02G1-00
    专利说明:
    [0001] ARBEITSMASCHINE
    [0002] Die Erfindung bezieht sich auf eine Arbeitsmaschine mit ei¬ nem Druckzylinder und einem gas-oder dampfförmigen Arbeits¬ medium, welche durch äußere Zufuhr von Wärme bei höherer Temperatur und Abfuhr von Wärmeenergie bei tieferer Tempe¬ ratur mechanische Leistung abgibt. Diese Art von Wärmekraft¬ maschinen sind seit langem bekannt als Dampfkraftmaschinen,. Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf und als Stirling- Motoren. Nachteilig ist bei den genannten Beispielen der komplizierte Aufbau und bei der Dampfmaschine der verhält¬ nismäßig schlechte Wirkungsgrad. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermische Arbeitsmaschine zu schaf¬ fen, die einfach konstruiert und aufgebaut ist, mit einem höheren Wirkungsgrad arbeitet und eine lange Lebensdauer auf- weist.
    [0003] Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der Druck¬ zylinder durch einen periodisch hin- und herbewegten Ver¬ drängerkolben in zwei Arbeitsräume abgeteilt wird, die über einen thermischen Regenerator miteinander verbunden sind, daß Druckzyl.inder und thermischer Regenerator mit einem dampf-oder gasförmigen Arbe smedium relativ hohen Druckes gefüllt sind, daß einer der Arbeitsräume durch Wärmezufuhr auf eine höhere Temperatur gebracht, der andere durch Küh¬ lung auf eine niedrigere Temperatur gehalten wird, daß we- nigstens ein Arbeitsraum über zwei entgegengesetzt wirksa¬ me Rückschlagventile mit zwei Druckbehältern verbunden ist und daß die Druckbehälter mit unterschiedl chen Drücken des gas- oder dampfförmigen Arbeitsmediums über eine Expansions¬ maschine verbunden sind. Die Arbeitsmaschine nach der Erfindung bietet den Vorteil, daß sie verhältnismäßig einfach konzipiert ist, daß der Ver¬ drängerkolben lediglich das Arbeitsmedium über den parallel- liegenden thermischen Regenerator hin- und herschieben muß, wofür eine einfache und langlebige Abdichtung der Kolben- führung und eine geringe Antriebsleistung ausreicht. Wegen der hohen anwendbaren Temperaturen im "heissen" Arbeits¬ raum von z.B.600 bis 800°C und von Umgebungstemperatur im
    [0004] O PI - ά -
    [0005] kalten Arbeitsraum ist ein hoher thermodynamischer Wirkungs¬ grad erzielbar.
    [0006] Weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    [0007] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich- nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    [0008] Fig.l eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung; Fig.2 eine schematische Ansicht der gesamten Arbeits- maschine nach der Erfindung und
    [0009] Fig.3 einen Vertikalschnitt der Arbeitsmaschine nach der Erfindung. In Fig.l besitzt der Druckzylinder 1, der mit einem gas- oder dampfförmigen Arbeitsmedium vor, 10 bis 100 bar Druck ge- f llt ist, einen Verdrängerkolben 2, der über die druckdicht durch den Zylinderboden 3 geführte Kolbenstange 4 durch ei¬ nen Kurbeltrieb 5 periodisch zwischen dem oberen und unteren Totpunkt bewegt wird. Die beiden durch den am kälten Ende mit dem 0-Ring 6 abgedichteten Ve'ßrängerkolben abgeteilten Ar- beϊtsräume 7 und 8 sind über den thermischen Regenerator 9 miteinander verbunden; in ihnen herrschrt daher derselbe Druck des Arbeitsmediums. Bei de r Aufwärtsbewegung des Verdränger¬ kolbens 2 wird das Arbeitsgas durch den Wärmetauscher 10,den thermischen Regnerator 9 und den Kühler 11 vom oberen Ar- beitsraum 8 in den unteren 7 geschoben; bewegt sich der Kol¬ des Me-
    [0010] Diesem geschlossenen Prozeß wird über den Wärmetauscher 10 die Wärmemenge Q2 bei der höheren Temperatur T2 zugeführt und im Kühler 11 die Wärmemenge QQ bei der niedrigeren Tempera¬ tur T entnommen. Im thermischen Regenerator 9 stellt sich da¬ her im Beharrungszustand das Temperaturgefälle T~-T ein, wo¬ durch das Arbeitsmedium in den-Arbeitsräumen 7 und 8 eben¬ falls die Tempreratur To bzw.T2c annimmt. Da die Gesamtmasse des Arbeitsmediums unabhängig von der Stellung des Verdrän¬ gerkolbens ist und konstant bleibt, ändert sich nach dem I.Hauptsatz der Thermodynamik die Druckenergie des Arbeits- ediums und damit der Gasdruck periodisch mit der Kolbenstel¬ lung: im oberen Totpunkt des Verdrängerkolbens befindet sich - abgesehen vom Gasanteil in den Wärmetauschern 10, 11 und im thermischen Regenearator 9 - das Arbeitsmedium auf der Tempe¬ ratur T und wird der Druck
    [0011] P.,n- ■ * T„/ϊ (1) herrschen, wenn V das vom Kolben 2 verdrängte Volumen und R die Gaskonstante ist. Analog stellt sich für den unteren Tot¬ punkt des Verdrängerkolbens der Druck
    [0012] Pmax= m R T2/V (2) ein. Der Druck des Arbeitsmediums ändert sich periodisch wäh¬ rend einer Umdrehung des Kurbelantriebs 5 zwischen den Werten p• mmi.n und ^max* das Druckverhältnis wird aus der Beziehung
    [0013]
    erhalten und Hegt in der Praxis zwischen 2 und 3. Abgesehen von den Strömungsverlusten des Arbeitsmediums im thermischen Rgenerator 9 und in den Wärmetauschern 10, 11, sowie den Kol- benrεibungsverlusten ist für das Hin- und Herschieben des Arbeitsmediums keine mechanische Arbeit aufzuwenden.
    [0014] In Fig.2 wird das Verfahren angegeben, wie die periodi¬ sche Druckschwankung für die Erzeugung mechanischer Arbeit nutzbar gemacht werden kann. Der untere Arbeitsraum 7 ist über die Rückschlagventile 12, 13 mit entgegengesetzter Durch- laßrichtung mit zwei Gasdruckbehältern 14, 15 verbunden, in denen der Druck des Arbeitsmediums p' bzw.p" beträgt. In der an die Gasdruckbehälter angeschlossenen Expansionsmaschine 16 wird das Druckgefälle (p'-p") in Arbeit umgewandelt und die mechanische Leistung P = (p'-p")V (4) erzeugt, wenn V das pro Sekunde durchgesetzte Volumen des Arbeitsmediums bedeutet. Befindet sich der Verdrängerkolben 2 in der Nähe des unteren Totpunkts, entsteht im Arbeitszy¬ linder ein hoher Druck p', der das Rückschlagventil 12 so lange offenhält, bis der Druckbehälter 14 auf diesen Druck aufgepumpt ist. Am oberen Totpunkt von 2 wird der Tiefst¬ wert p" des Systems erreicht und eine bestimmt Gasmenge über das geöffnete Rückschlagventil 13 aus dem Druckbehälter 15 r - - in den Arbeitszylinder 1 bis zum Druckausgleich strömen. Abhängig vom Volumendurchsatz der Expansionsmaschine 16 stellt sich das Druckgefälle (p'-p") selbsttätig ein; sein Grenzwert nach Gl.(3) wird für V=0, d.h.im Stillstand der Expansionsmaschine erreicht.
    [0015] Arbeitszylinder 1 mit Verdrängerkolben 2 und thermischer Regenerator 9 stellen einen durch äußere Wärmezufuhr betrie¬ benen Kompressor dar, der das Arbeitsmedium durch Schmier¬ mittel nicht verunreinigt und dessen einziger beweglicher Maschinenteil im Idealfall kraftfrei im Arbeitszylinder 1 hin- und hergleitet. Nach dem I.Hauptsatz der Thermodynamik verwandelt sich theoretisch die Differenz von zu-und abge¬ führter Wärmeleistung (Q 'Qr "*π die durch Gl.(4) berechne¬ te mechanische Leistung. Als Expansionsmaschine können Kolben- und Strömungsma¬ schinen verwendet werden, sofern sie für relativ große Drük- ke des Arbeitsmediums geeignet sind. Auch Kreiskolbenmaschi- nen nach Wanke! lassen sich anwenden und bieten den Vorteil eines ruhigen Arbeitsablaufs. Probleme werden mit reinen Ga- sen , wie z.B.Helium als Arbeitsmedium zu erwarten sein, da diese e-ine Expansionsmaschine für Trockenlauf erfordern und die Gasabdichtung bei hohen Drücken schwierig ist. Diese Schwierigkeiten lassen sich überwinden, wenn als Arbeitsme¬ dium ein kondensierbares Gas angewandt und !der Arbeitsdruck so hoch gewählt wird, daß es ;in der Expansionsmaschine, dem kältesten Teil der Gesamtanlage, kondensiert und als Schmier- und Dichtmittel fungiert.
    [0016] 'Das in Fig. schematisch dargestellte Prinzip der Erfin- auch düng läßt sich^auf Prozesse anwenden, in denen das obere Ar- beitsvolumen 8 auf sehr tiefe Temperaturen gebracht wird, während das untere Arbeitsvolumen 7 auf Umgebungstemperatur gehalten wird. In diesem Fall kann der Wärmetauscher 10 z.
    [0017] B. in ein Bad von siedendem flüssigem Stickstoff gebracht werden, dessen Temperatur etwa 80 K beträgt. Nach Gl.(3) wird für diesen Anwendungsfall das Druckverhäl n s etwa
    [0018] (300/80) = 3,7.
    [0019] In Fig.3 ist ein konstrukti es Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei lediglich auf den im Schnitt gezeigten Arbeitszylinder eingegangen wird. Der Arbeitszylinder 17 aus einer hochtemperaturbeständigen Me¬ tallegierung ist durch den halbkugelförmigen Zylinderkopf 18 aus dem gleichen Material abgeschlossen und ist mit sei¬ nem Flansch 19 am Kühler 20 befestigt und durch den O-Ring 21 abgedichtet. Der Kühler 20 besteht aus dem von Wasser durchströmten ringförmigen Gehäuse mit axial angeordneten, vom Arbeitsmedium durchflossenen Röhrchen 22. Seine feinbe¬ arbeitete Innenfläche 23 stellt gleichzeitig die Laufflä¬ che für die Gleitbuchse 24 des Verdrängerkolbens 25 dar, die mit Labyrinthnuten zur dynamischen Abdichtung versehen ist.
    [0020] Der Zylinderkopf 18 wird von einem halbkugelförmigen Dia- . phrag a- oder Strahlungsbrenner 26 umgeben, der aus der z.B. Zirkonoxid enthaltenden keramischen Lochplatte 27 besteht. ' Das durch die Brennerdüse 28 zugeführte Gas-Luf -Gemisch ver- brennt in vielen kleinen nichtleuchtenden Flämmchen und bringt die Lochplatte 27 zum Glühen. Die Außenfläche des me¬ tallischen Zylinderkopfes 18 wird durch aufgeschweißte Ste¬ ge, Kegel 29 u.ä.vergrößert, um die Austauschfläche für die Wärmeübertragung durch Strählung und Konvektion zu vergrö- ßern. Die warmen Abgase werden im Blechmantel 30 außerhalb des Brenners 26 zurückgeführt und zum Vorwärmen der Verbren¬ nungsluft genutzt.
    [0021] Auf der Innenseite des Zyl nderkopfes 18 sind metallische Stege oder Rippen 31 aufgeschweißt oder durchgenietet und wird das Arbeitsmedium durch die halbkugelförmige Leitflä¬ che 32 aus keramischem Material gezwungen, den Weg vom obe¬ ren Arbeitsraum 33 zum thermischen Regenerator 34 di-'Cht an der Innenfläche des Zylinderkopfes 18 zu nehmen.
    [0022] Der thermische Regenerator 34 besteht aus einem Ringbehäl- ter aus wärmeisolierendem keramischen oder glasartigem Ma¬ terial, dessen Innenwand 35 gleichzeitig dorn Arbeitszylin¬ der darstellt, in dem der aus dem selben Werkstoff herge¬ stellte Verdrängerkolben 25 hin- und hergleitet. Die .Außen¬ wandung 36 des Regenerators 34 besteht aus dem gleichen ke- ramischen Material und bildet gleichzeitig die thermische Isolationsschicht zum Außenmantel 17. Als Speichermasse des Regenerators 34 werden Kügelchen gleichen Durchmessers (0,5 bis 2 mm) aus Keramik oder ringförmige, axial von dünnen Boh¬ rungen durchsetzte Einsätze verwendet. Um etwaigen Oberflä- chenabrieb der Kugelschüttung zu verhindern, werden die Kügelchen vor dem Einfüllen in eine Glasurlösung getaucht und im gefüllten Regenerator so hoch erhitzt, daß sie un¬ tereinander und mit den Behälterwänden 35, 36 verbacken. Für den periodischen Antrieb des Verdrängerkolbens 25 wird der technisch Versierte verschiedene Lösungen bereit¬ halten; in jedem Fall wird die Kolbenstange 37 druckdicht durch den Boden 38 des Arbeitszyl nders geführt', an den das Antriebsgehäuse 39 angeflanscht ist. Für den Antrieb des Verdrängerkolbens kommen außer mechanischen Getrieben elektromagnetische oder elektrodynamische Methoden in Be¬ tracht; aber auch pneumatische oder hydraulische Kolben mit umgesteuertem Druckflüssigkeitszulauf lassen sich mit Vorteil anwenden.
    权利要求:
    Claims

    P a t e n t a n s p r ü c h e
    Arbeitsmaschine mit einem Druckzylinder, welche durch äußere Zufuhr von Wärme bei höherer Temperatur und Ab¬ fuhr von Wärmeenergie bei tieferer Temperatur mechani¬ sche Leistung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckzylinder (1) durch einen periodisch hin- und her¬ bewegten Verdrängerkolben (2) in zwei Arbeitsräume (7, 8) abgeteilt wird, die über einen thermischen Regenera¬ tor (9) miteinander verbunden sind, daß Druckzylinder (1) und Regenerator (9) mit einem gas- oder dampfför¬ migen Arbeitsmedium relativ hohen Druckes gefüllt sind, daß einer der Arbeitsräume (8) durch Wärmezufuhr auf ei¬ ne höhere Temperatur gebracht, der andere (7) durch Küh¬ lung auf eine niedrigere Temperatur gehalten wird, daß wenigstens ein Arbeitsraum (8) über zwei entgegengesetzt wirkende Rückschlagventile (12, 13) mit zwei Druckbe¬ hältern (14, 15) verbunden ist und daß die Druckbehäl _ ter (14, 15) mit unterschiedlichen Drücken über die Ex¬ pansionsmaschine (16) verbunden sind.
    2. Arbe tsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, daß der Verdrängerkolben (2) über eine druckdicht durch den Boden (3) des Druckzylinders (1) geführte Kolbenstange (4) mittels eines mechanischen, pneumati¬ schen, hydraulischen oder elektromagnetischen Antriebs (5) hin- und herbewegt wird.
    3. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Druckzylinder (1) aus einem relativ dünn¬ wandigen, hochtemperaturbeständigen Stahlrohr (17) und einem dickwandigen Innenzyl inder(35) sowie einem Zylin¬ derabschluß (32) aus schlecht wärmeleitendem Material bes teht .
    4. Arbeitsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Innenzylinder (35) als doppelwandiger Ringbehälter (35, 36) ausgebildet ist, dessen Innen¬ raum den thermischen Regenerator (34) in Form einer dichten Schüttung von kompakten oder hohlen Kügelchen gleichen Durchmessers aus schlecht wärmeleitendem Ma¬ terial aufnimmt.
    5. Arbeitsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich¬ net, daß der doppelwandige Ringbehälter (35, 36) und die Kugelfüllung (34) aus keramischem oder glasartigem Material besteht, vor dem Einfüllen mit Glasurflüssig¬ keit überzogen und anschließend gemeinsam bei Glasier¬ temperatur gebrannt sind.
    6. Arbeitsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich- net, daß die Innenwand des Druckzylinders (17) mit über- einandergeschichteten, ringförmigen Einsätzen aus ke¬ ramischem Material mit regelmäßig verteilten axialen Bohrungen ausgekleidet ist, welche gegeneinander abge¬ dichtet sind.
    7. Arbeitsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der obere Abschluß des Druckzylinders (17) als halbkugelförmiger Zylinderkopf (18) ausgebil¬ det ist, der von einem diesen konzentrisch umfassenden Diaphragma- oder Strahlungsbrenner (26) beheizt wird, dessen Keramikoberfläche (27) durch viele nichtleuch¬ tende Fläm chen mit hoher Temperatur erhitzt wird.
    8. Arbeitsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der halbkugelförmige Zylinderkopf (18) auf der Innen- und Außenseite mit dünnen zylindrischen Ansätzen (29, 31) oder dünnwandigen Rippen aus einem hochtemperaturbeständigen metallischen Werkstoff ver¬ sehen ist und die aus Keramik bestehende Auskleidung (32) mit dem Zylinderkopf ein hohl kugelför iges Volumen ein¬ sch ießt.
    9. Arbeitsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß einer der Druckbehälter (14, 15) vom hermetisch abgedichteten Kurbel- oder Antriebsgehäuse gebildet ist.
    10. Arbeitsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Verdrängerkolben (25) hohl ausge¬ bildet ist und aus keramischem oder glasartigem Material besteht.
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    优先权:
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