DE102011109176A1

DE102011109176A1 - Thermoakustisches Energiewandlungssystem und thermische Einheit für ein thermoakustisches Energiewandlungssystem

Info

Publication number: DE102011109176A1
Application number: DE201110109176
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Weiss; Markus Zauner
Original assignee: Lauer & Weiss GmbH
Current assignee: Lauer & Weiss GmbH
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2013-02-07

Abstract

Es wird ein thermoakustisches Energiewandlungssystem, mit einem Gehäuse (3), einem in dem Gehäuse (3) unter Überdruck vorgesehenen Arbeitsgas, einem Zylinder (11) und einem in dem Zylinder (11) beweglich angeordneten Kolbenelement (13) vorgeschlagen. Das thermoakustische Energiewandlungssystem (1) zeichnet sich dadurch aus, dass das Kolbenelement (13) eine inhärente Stabilisierungseinrichtung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermoakustisches Energiewandlungssystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, eine thermische Einheit für ein thermoakustisches Energiewandlungssystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 7 und ein thermoakustisches Energiewandlungssystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 13.
Thermoakustische Energiewandlungssysteme und thermische Einheiten für diese sind bekannt. Thermoakustische Energiewandlungssysteme können als Motor betrieben werden, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Sie können auch als Wärmepumpen betrieben werden, wobei Wärme unter Zufuhr mechanischer Energie von einem kühleren Reservoir zu einem wärmeren Reservoir gefördert wird. Das Prinzip eines thermoakustischen Energiewandlungssystemes ist dem Prinzip des Stirling-Motors ähnlich: Ein in dem System dauerhaft eingeschlossenes Arbeitsgas wird periodisch komprimiert und expandiert, wobei eine von dem Arbeitsgas durchsetzte thermische Einheit des Systems mit einer Wärmequelle und – beabstandet hiervon – einer Wärmesenke in thermischem Kontakt steht.
Während klassische Stirling-Maschinen außer einem Arbeitskolben zur Entnahme oder Zufuhr mechanischer Energie auch einen Verdrängerkolben aufweisen, um das Arbeitsgas zwischen dem warmen und dem kühlen Bereich hin und her zu verlagern, kommen thermoakustische Energiewandlungssysteme ohne den Verdrängerkolben aus. Durch den damit entfallenden Lastwechsel und die geringeren Reibungsverluste weisen sie einen erheblich größeren Wirkungsgrad auf als herkömmliche Stirling-Maschinen.
Thermoakustische Energiewandlungssysteme arbeiten entweder nach dem Prinzip der stehenden Welle (standing wave) oder nach dem Prinzip der propagierenden Welle (traveling wave). In beiden Fällen wird das System – wenn es als Motor betrieben wird – dadurch getrieben, dass ein Energiegradient im Bereich der thermischen Einheit des Systems erzeugt wird. Dabei werden an bekannte thermische Einheiten im Bereich eines heißen Wärmetauschers sehr hohe Temperaturen typischerweise im Bereich von ungefähr 800°C angelegt. Dies bedingt erhebliche Materialprobleme und führt dazu, dass die thermische Einheit nicht dauertest ist. Zugleich wird das Arbeitsgas typischerweise bei einem Druck von über 30 bar gehalten, was ebenfalls Materialprobleme, aber auch Probleme mit der Dichtigkeit des Systems bedingt. Zugleich sind mit einem solch hohen Druck nicht unerhebliche Sicherheitsrisiken verbunden. Bekannte thermoakustische Energiewandlungssysteme arbeiten typischerweise bei Frequenzen im Bereich von 250 Hz und oberhalb hiervon. Dabei führt eine mechanische Einrichtung zur Entnahme mechanischer Energie eine Bewegung aus, deren Amplitude typischerweise sehr klein ist, insbesondere im Mikrometerbereich liegt. Dies führt dazu, dass nur eine geringe Leistung entnommen werden kann, und dass die Resonanz des Systems sehr empfindlich insbesondere auf rasche Lastwechsel reagiert, gegebenenfalls sogar zusammenbricht.
Insgesamt zeigt sich, dass bekannte thermoakustische Energiewandlungssysteme erhebliche Material-, Dauerfestigkeits- und Sicherheitsprobleme aufweisen, dabei sehr schlecht regelbar sind und zumindest bei raschen Lastwechseln letztlich versagen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein thermoakustisches Energiewandlungssystem und eine thermische Einheit hierfür zu schaffen, die bei optimiertem Wirkungsgrad dauerfest ist, keine Materialprobleme aufweist, insbesondere mit kostengünstigen Materialien gefertigt werden kann, über einen weiten Bereich sehr gut regelbar ist und schließlich Lastwechsel ohne Weiteres abfangen beziehungsweise flexibel auf diese reagieren kann.
Die Aufgabe wird gelöst, indem ein thermoakustisches Energiewandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dieses weist ein Gehäuse, ein in dem Gehäuse unter Überdruck vorgesehenes Arbeitsgas, einen Zylinder und ein in dem Zylinder beweglich angeordnetes Kolbenelement auf. Es zeichnet sich dadurch aus, dass das Kolbenelement eine inhärente Stabilisierungseinrichtung aufweist. Anders als in bekannten Verbrennungsmaschinen wird das Kolbenelement nicht dadurch geführt oder stabilisiert, dass es möglichst passgenau in dem Zylinder gleitet, sondern es umfasst eine ihm selbst zugeordnete, also inhärente Stabilisierungseinrichtung. Dadurch kann eine Reibung zwischen dem Kolbenelement und der Zylinderwandung deutlich reduziert werden. Dies führt zu einem großen Gewinn an Wirkungsgrad.
Bevorzugt ist ein Außendurchmesser des Kolbenelements kleiner als ein Innendurchmesser des Zylinders. Zwischen einer äußeren Mantelfläche des Kolbenelements und einer inneren Umfangsfläche des Zylinders verbleibt ein Ringspalt, in dem sich durch eine Beiströmung des Arbeitsgases während der Bewegung des Kolbenelements ein Luftkissen ausbildet, auf welchem das Kolbenelement nahezu reibfrei gleitet. Um auf dieses wirkende Radialkräfte ausgleichen zu können, umfasst die Stabilisierungseinrichtung mindestens einen, das Kolbenelement – in radialer Richtung gesehen – durchsetzenden Kanal, durch den eine Querströmung erfolgen kann. Diese stabilisiert das Kolbenelement.
Um Arbeitsgasverluste aufgrund der Beiströmung zu vermeiden, ist bevorzugt vorgesehen, dass zu beiden Seiten des Kolbenelements Arbeitsgas bei im Wesentlichen gleichem Druck vorliegt. Besonders bevorzugt sind alle Komponenten des Energiewandlungssystems einschließlich einer elektromechanischen Energiewandlungseinheit in dem Gehäuse angeordnet und von dem unter Überdruck stehenden Arbeitsgas umgeben. Dieses weist bevorzugt einen Druck von weniger oder höchstens 30 bar, bevorzugt 3 bis 7 bar, ganz besonders bevorzugt 5 bar auf. Hierdurch werden Dichtigkeitsprobleme und Materialprobleme sowie Sicherheitsrisiken aufgrund eines hohen Überdrucks vermieden.
Bevorzugt wird auch ein Ausführungsbeispiel eines thermoakustischen Energiewandlungssystems, bei dem die Stabilisierungseinrichtung eine das Kolbenelement – in Längsrichtung gesehen – durchsetzende Bohrung umfasst, die mit einem die Bohrung durchgreifenden Führungselement zusammenwirkt. Das Führungselement stabilisiert die Bewegung des Kolbenelements in radialer Richtung. Dabei gleitet es nur im Bereich der von dem Führungselement durchgriffenen Bohrung an demselben. Damit ist eine Fläche, an der Reibungsverluste auftreten, viel kleiner, als wenn das Kolbenelement mit seiner äußeren Mantelfläche an der inneren Umfangsfläche des Zylinders gleiten würde.
Es wird auch ein thermoakustisches Energiewandlungssystem bevorzugt, bei dem das Kolbenelement an seiner äußeren Mantelfläche eine reibungsarme Beschichtung aufweist. Auch hierdurch kann die Reibung an der inneren Umfangsfläche des Zylinders reduziert werden. Vorzugsweise umfasst das Kolbenelement mindestens eine Dichtlippe, die mit der inneren Umfangsfläche zusammenwirkt. Es ist bevorzugt möglich, dass ein Spalt zwischen dieser und dem Kolbenelement zusätzlich oder alternativ durch ein flüssiges Medium, beispielsweise ein Öl, abgedichtet ist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine thermische Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 7 geschaffen wird. Diese weist einen ersten und einen zweiten Energietauscher sowie eine Zwischenspeicherungseinrichtung auf, durch welche der erste und der zweite Energietauscher beabstandet sind. Entlang der Zwischenspeicherungseinrichtung stellt sich ein Temperaturgradient zwischen dem ersten und dem zweiten Energietauscher ein. Dabei stehen diese in thermischem Kontakt zu der Zwischenspeicherungseinrichtung. Die thermische Einheit zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Energietauscher, die Zwischenspeicherungseinrichtung und der zweite Energietauscher einstückig ausgebildet sind. Sie ist dadurch sehr einfach und aus kostengünstigen Materialien fertigbar. Zugleich sind die Übergänge zwischen den Energieübertragungsbereichen, also den Energietauschern und der Zwischenspeicherungseinrichtung kontinuierlich ausgebildet, was sich vorteilhaft auf den sich einstellenden Temperaturgradienten auswirkt. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad des Energiewandlungssystems. Bevorzugt wird der heiße Energietauscher bei bis zu 400°C betrieben, also bei einer deutlich niedrigeren Temperatur als bei bekannten thermoakustischen Energiewandlungssystemen. Hierdurch sind Materialien einsetzbar, die kostengünstig und leicht herstellbar sind. Die thermische Einheit ist dauerfest. Die Temperatur des kalten Energietauschers beträgt bevorzugt ungefähr 50°C. Insgesamt wird also ein Temperaturgradient von vorzugsweise etwa 350°C eingestellt. Damit werden hohe Materialbelastungen vermieden.
Es wird eine thermische Einheit bevorzugt, die Kunststoff, Keramik, Glas oder künstliches Gestein, beispielsweise Beton, bevorzugt faserverstärkten Kunststoff, faserverstärkte Keramik oder faserverstärktes künstliches Gestein oder bewehrtes beziehungsweise armiertes künstliches Gestein umfasst. Diese Materialien sind kostengünstig und leicht herstellbar. Insbesondere Kunststoff kann als Material ausgewählt werden, weil der heiße Energietauscher bei einer vergleichsweise geringen Temperatur betrieben wird, und weil der Temperaturgradient insgesamt geringer ist als bei bekannten Systemen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein thermoakustisches Energiewandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13 geschaffen wird. Dieses umfasst ein von einem Gehäuse umschlossenes Volumen für ein Arbeitsgas, eine thermische Einheit, die einen ersten und einen zweiten Energietauscher sowie eine Zwischenspeicherungseinrichtung umfasst, eine auf einer ersten Seite der thermischen Einheit angeordnete mechanische Einrichtung zur Entnahme mechanischer Energie und einen auf einer zweiten Seite derselben angeordneten Reflexionsbereich. Das thermoakustische Energiewandlungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass eine Regelungseinheit zur Regelung einer Leistungsabgabe vorgesehen ist. Aufgrund der Regelung kann es flexibel und rasch auf eine geänderte Leistungsanforderung reagieren. Dabei wird ein Zusammenbruch der Resonanz des Systems vermieden.
Bevorzugt wird ein thermoakustisches Energiewandlungssystem, bei dem die Regelungseinheit mindestens ein Mittel umfasst, mit dem das für das Arbeitsgas zur Verfügung stehende Volumen veränderbar ist. Hierdurch kann der Wärmestrom des Systems und damit dessen Leistungsabgabe beeinflusst werden.
Bevorzugt umfasst das Mittel eine Vorrichtung zum Verschließen mindestens eines Kanals der thermischen Einheit und/oder einen im Reflexionsbereich des Systems angeordneten Körper mit variablem Volumen und/oder eine in dem Reflexionsbereich vorgesehene, verlagerbare Wand.
Bevorzugt wird auch ein System, bei dem die Regelungseinheit Mittel umfasst, mit denen ein Hub der mechanischen Einrichtung veränderbar ist. Vorzugsweise ist das Mittel so vorgesehen, dass eine Einstellung des Hubs sowohl im Ruhezustand als auch im Betrieb des Systems erfolgen kann. Die Hubveränderung bewirkt eine Änderung der Drehzahl beziehungsweise Arbeitsfrequenz des Systems und damit eine Änderung der Leistungsabgabe.
Schließlich wird ein thermoakustisches Energiewandlungssystem bevorzugt, bei dem eine elektromechanische Energiewandlungseinheit vorgesehen ist, welche eine Regelungseinheit umfasst. Diese weist insbesondere Mittel zur Regelung der abgebbaren elektrischen Leistung auf. Besonders bevorzugt weist die Regelungseinheit eine Zwischenspeicherungseinrichtung auf, um elektrische Energie zu Puffern.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines thermoakustischen Energiewandlungssystems;
2A/B eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer Stabilisierungseinrichtung des Kolbenelements eines thermoakustischen Energiewandlungssystems;
3A/B/C ein zweites, drittes und viertes Ausführungsbeispiel eines Kolbenelements mit Stabilisierungseinrichtung für ein thermoakustisches Energiewandlungssystem;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines thermoakustischen Energiewandlungssystems;
5A/B ein Ausführungsbeispiel einer thermischen Einheit für ein thermoakustisches Energiewandlungssystem im Längs- beziehungsweise Querschnitt;
6A–F verschiedene Ausführungsbeispiele von Energietauschern für eine thermische Einheit;
7A–F weitere Ausführungsbeispiele für den Energietauscher einer thermischen Einheit;
8A/B/C schematische Längsdarstellungen weiterer Ausführungsbeispiele für eine thermische Einheit, und
9 das Ausführungsbeispiel eines thermoakustischen Energiewandlungssystems gemäß 1.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines thermoakustischen Energiewandlungssystems 1 in schematischer Darstellung. Es umfasst ein Gehäuse 3. Dieses kann einstückig ausgebildet sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Gehäuse 3 jedoch verschiedene Gehäusebereiche 3', 3'', 3''', 3'''' und 3'''''. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Unterteilung des Gehäuses 3 in mehr oder weniger Gehäusebereiche möglich. Vorzugsweise sind die Gehäusebereiche 3', 3'', 3''', 3'''', 3''''' durch Flansche, die hier allgemein mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet sind, miteinander verbunden. Diese können bevorzugt miteinander verschraubt, vernietet, durch Flanschschellen oder in anderer geeigneter Weise miteinander verbunden werden. Wesentlich ist, dass die Flansche 5 druckdicht ausgebildet sind, weil bevorzugt in dem gesamten Gehäuse 3 ein Arbeitsgas unter Überdruck vorgesehen ist. Der Überdruck beträgt bis zu 30 bar, bevorzugt zwischen 3 und 7 bar, besonders bevorzugt 5 bar. Damit ist er geringer als bei bekannten thermoakustischen Energiewandlungssystemen, sodass die Anforderungen an das Material des Gehäuses sowie an die Dichtigkeit der Flansche 5 geringer sind. Außerdem werden Sicherheitsrisiken deutlich reduziert. Es ist daher ohne Weiteres möglich, das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 im Rahmen eines kleinen Blockheizkraftwerks oder einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage im Wohnungsbau, beispielsweise in einem Einfamilienhaus, einzusetzen.
Der Gehäusebereich 3''' umfasst eine thermische Einheit 7. Diese ist bevorzugt einstückig mit dem Gehäusebereich 3''' ausgebildet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, die thermische Einheit 7 separat in dem Gehäusebereich 3''' anzuordnen.
Als Arbeitsgas wird vorzugsweise ein Gas mit geringer Dichte und damit hoher Schallgeschwindigkeit ausgewählt. Wasserstoff ist unter diesem Aspekt ein sehr geeignetes Arbeitsgas. Seinem Einsatz begegnen allerdings in der Regel sicherheitstechnische Bedenken. Daher wird bevorzugt Helium als Arbeitsgas ausgewählt.
In den Gehäusebereichen 3'''' und 3''''' ist eine mechanische Einrichtung 9 vorgesehen, mittels derer mechanische Energie entnommen oder zugeführt werden kann. Mechanische Energie wird entnommen, wenn das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 als Motor arbeitet. Wird es dagegen als Wärmepumpe eingesetzt, wird mithilfe der mechanischen Einrichtung 9 mechanische Energie zugeführt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die mechanische Einrichtung 9 einen Zylinder 11 und ein in dem Zylinder 11 beweglich angeordnetes Kolbenelement 13 auf.
Die thermische Einheit 7 umfasst einen ersten Energietauscher 15, einen zweiten Energietauscher 17 und eine Zwischenspeicherungseinrichtung 19. Der erste und zweite Energietauscher 15, 17 sind durch die Zwischenspeicherungseinrichtung 19 beabstandet und stehen in thermischem Kontakt zu dieser. Durch Zu- und Abführungen 20 und Pfeile ist in 1 schematisch angedeutet, dass den Energietauschern 15, 17 entweder Wärme zugeführt oder entnommen werden kann. Wird das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 als Motor betrieben, wird dem ersten, vorzugsweise der mechanischen Einrichtung 9 zugewandten Energietauscher 15 Wärme zugeführt, während im Bereich des zweiten Energietauschers 17 Wärme abgeführt wird. Über die Zwischenspeicherungseinrichtung 19 bildet sich ein vorzugsweise stationärer Temperaturgradient aus. Die thermische Einheit 7 ist von Kanälen durchsetzt, durch welche sich Druckschwankungen im Arbeitsgas fortpflanzen können. Das Arbeitsgas kann auch durch die Kanäle strömen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1, bei welchem bevorzugt der heiße Energietauscher 15 bei ungefähr 400°C und der kalte Energietauscher 17 bei ungefähr 50°C gehalten wird. Demnach stellt sich über dem Zwischenspeicherelement 19 bevorzugt ein Temperaturgradient von 350°C ein. Weiterhin wird bei dem Verfahren bevorzugt ein Arbeitsgasüberdruck von bis zu 30 bar, vorzugsweise zwischen 3 und 7 bar, besonders bevorzugt 5 bar eingestellt.
Wie bereits angedeutet, pflanzen sich Druckschwankungen beziehungsweise akustische Schwingungen als Wellen im Arbeitsgas durch die thermische Einheit 7 fort. In dem Gehäusebereich 3' ist ein Reflexionsbereich 21 vorgesehen, der vorzugsweise, starre Wand 23 umfasst. An dieser werden Druckwellen reflektiert.
Es ist möglich, dass das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 nach dem Prinzip der stehenden Welle arbeitet. In diesem Fall bilden sich insbesondere im Bereich der thermischen Einheit 7 und in dem Reflexionsbereich 21 stehende Druckwellen aus, durch die Wärme transportiert und gegebenenfalls Arbeit geleistet wird. Es ist auch möglich, zur Unterstützung der Ausbildung stehender Wellen einen Strömungswiderstand, beispielsweise eine Blende, zwischen der thermischen Einheit 7 und der mechanischen Einrichtung 9 vorzusehen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel arbeitet das dargestellte thermoakustische Energiewandlungssystem 1 nach dem Prinzip der propagierenden Welle.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1 arbeitet nach einem Prinzip, bei welchem quasi eine Mischform aus stehender und propagierender Welle realisiert ist. Letztlich wird ein Massestrom des Arbeitsgases durch die thermische Einheit 7 erzeugt. Das Arbeitsgas wird vorzugsweise im kälteren Bereich des Systems komprimiert und im heißen, der mechanischen Einrichtung 9 zugewandten Bereich expandiert. Abhängig von dem Massestrom und der damit verbundenen Wärmeübertragung im Bereich der Energietauscher 15, 17 stellen sich der Temperaturgradient beziehungsweise auch die Temperaturen der Energietauscher 15, 17 ein. Es ist also möglich, dass der heiße Energietauscher 15 quasi mit einer Vorlauf-Temperatur von 400°C beaufschlagt wird, dass sich aber aufgrund des Massestroms letztlich eine abweichende Temperatur einstellt. Ebenso ist im Bereich des kalten Energietauschers 17 eine Abweichung von der voreingestellten Temperatur möglich.
Wesentlich ist, dass dem thermoakustischen Energiewandlungssystem 1, wenn es als Motor arbeitet, Energie dadurch zugeführt wird, dass der thermischen Einheit 7 ein Temperaturgradient aufgeprägt wird. Hierzu muss nicht notwendigerweise der kalte Energietauscher 17 aktiv gekühlt werden, er muss lediglich Wärme mit der Umgebung austauschen können. Dem heißen Energietauscher 15 wird jedoch bevorzugt aktiv Wärme beziehungsweise Energie zugeführt. Selbstverständlich wäre es bei einem Ausführungsbeispiel auch möglich, den kalten Energietauscher 17 unter die Umgebungstemperatur abzukühlen, wobei der heiße Energietauscher 15 dann Wärme passiv aus der Umgebung bezieht.
Wird das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 als Wärmepumpe betrieben, werden akustische Schwingungen beziehungsweise Druckwellen in dem Arbeitsgas erzeugt, die bevorzugt Wärme von dem ersten Energietauscher 15 zu dem zweiten Energietauscher 17 transportieren. Dadurch erwärmt sich der zweite Energietauscher 17, während sich der erste Energietauscher 15 abkühlt. Es stellt sich also unter Zufuhr mechanischer Arbeit durch die mechanische Einrichtung 9 ein Temperaturgradient im Bereich der thermischen Einheit 7 ein, bei welchem der erste Energietauscher 15 als kaltes und der zweite Energietauscher 17 als warmes Reservoir wirken. Dementsprechend kann der erste Energietauscher 15 als Wärmesenke und der zweite Energietauscher 17 als Wärmequelle betrieben werden.
Mit der mechanischen Einrichtung 9 wirkt bevorzugt eine elektromechanische Energiewandlungseinheit 25 zusammen. Sie dient der Umwandlung der mithilfe der mechanischen Einrichtung 9 entnommenen mechanischen Energie in elektrischen Strom. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist sie als Drehgenerator. ausgebildet. Es wird jedoch auch ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem die elektromechanische Energiewandlungseinheit 25 als Lineargenerator ausgebildet ist.
Besonders bevorzugt ist die elektromechanische Energiewandlungseinheit 25 in dem Gehäuse 3 angeordnet und von dem unter Überdruck stehenden Arbeitsgas umgeben. In diesem Fall führen lediglich vorzugsweise die Zu- beziehungsweise Ableitungen 20 und elektrische Durchführungen im Bereich der elektromechanischen Energiewandlungseinheit 25 aus dem Gehäuse 3 heraus beziehungsweise in dieses hinein. Im Übrigen ist das Gehäuse 3 abgeschlossen. Es ist sehr leicht zu dichten. Insbesondere kann auf eine Dichtung bewegter Teile oder eine bewegte Dichtung verzichtet werden, weil bevorzugt alle beweglichen Teile innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet sind. Ist die elektromechanische Energiewandlungseinheit 25 von dem Arbeitsgas umgeben, dient dieses bevorzugt zugleich zur Kühlung derselben. Insbesondere wird die Abwärme der elektromechanischen Energiewandlungseinheit 25 durch Konvektion des Arbeitsgases abgeführt.
Ist die elektromechanische Energiewandlungseinheit 25 als Drehgenerator ausgebildet, umfasst die mechanische Einrichtung 9 bevorzugt ein Kurbelgestänge 27, welches vorzugsweise über eine Zwischenabstützung 29 abgestützt ist. Das Kurbelgestänge 27 ist einerseits mit dem Kolbenelement 13 und andererseits bevorzugt mit einem Schwungrad 31 verbunden. Dieses stabilisiert das thermoakustische Energiewandlungssystem 1, indem es Rotationsenergie zwischenpuffert. Damit ist das System weniger anfällig gegenüber Leistungsschwankungen. Das Schwungrad 31 ist bevorzugt über ein Getriebe 33 mit der elektromechanischen Energiewandlungseinheit 25 verbunden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird auf das Schwungrad 31 und/oder das Getriebe 33 verzichtet.
Das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 wird im Rahmen des zuvor beschriebenen Verfahrens bevorzugt bei einer Frequenz unter 250 Hz betrieben. Ist die elektromechanische Energiewandlungseinheit als Drehgenerator ausgebildet, wird sie bevorzugt direkt bei einer Netzfrequenz, also ungefähr 50 Hz, betrieben. Je nach dem, ob das Getriebe 33 vorgesehen ist, kann das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 dann bei der gleichen oder einer abweichenden Frequenz betrieben werden.
Ist die elektromechanische Energiewandlungseinheit 25 als Lineargenerator ausgebildet, wird es bevorzugt bei einer Frequenz betrieben, die kleiner ist als 50 Hz. Letztlich hängt die bevorzugte Frequenz jedoch von einer wirksamen Länge des Lineargenerators, insbesondere einem Kolbenhub desselben ab. Je kleiner diese ist, desto höher kann die Frequenz sein, mit der der Lineargenerator betrieben wird.
Das Kolbenelement 13 weist bevorzugt eine inhärente Stabilisierungseinrichtung auf. Auf eine Führung desselben durch Anlage einer äußeren Mantelfläche 35 an einer inneren Umfangsfläche 37 des Zylinders 11 kann so verzichtet werden, wodurch Reibungsverluste minimiert werden.
Bevorzugt ist der Außendurchmesser des Kolbenelements 13 kleiner ausgebildet als der Innendurchmesser des Zylinders 11; sodass zwischen diesen ein Ringspalt 39 ausgebildet ist. In diesem Bereich tritt aufgrund der Bewegung des Kolbenelements 13 eine Beiströmung des Arbeitsgases auf, welche wie ein Luftkissen wirkt, auf dem das Kolbenelement 13 nahezu reibungsfrei gleitet. Die Dimensionierung des Ringspalts 39 wird vorzugsweise so gewählt, dass ein Wirkungsgradverlust aufgrund der Beiströmung höchstens 10%, besonders bevorzugt weniger als 10% beträgt.
Der Ringspalt 39 sorgt auch für einen statischen Druckausgleich zwischen einer der thermischen Einheit 7 zugewandten Vorderseite 40 des Kolbenelements 13 und einer dieser abgewandten Rückseite 40. Das Kolbenelement 13 muss daher in keiner seiner Bewegungsphasen gegen einen statischen Druck arbeiten. Auch Arbeitsgasverluste aus dem Bereich der thermischen Einheit 7 werden dadurch weitgehend vermieden.
Um das Kolbenelement 13 gegen Querkrafteinflüsse zu stabilisieren, umfasst die Stabilisierungseinrichtung mindestens einen, das Kolbenelement 13 – in radialer Richtung gesehen – durchsetzenden Kanal 41. Vorzugsweise sind – entlang einer Umfangsrichtung des Kolbenelements 13 gesehen – mindestens zwei Kanäle, bevorzugt mit gleichem Winkelabstand, vorgesehen. Der Kanal 41 mündet, bevorzugt auf diametral gegenüberliegenden Seiten, in der äußeren Mantelfläche 35. Es wird damit eine Fluidverbindung zwischen bevorzugt diametral gegenüberliegenden Bereichen des Ringspalts 39 bereitgestellt. Hierdurch ist eine Querströmung möglich.
Der Kanal 41 kann mit konstantem Durchmesser ausgebildet sein. In diesem Fall ergibt sich eine schnell ansprechende Stabilisierung, weil aufgrund des geringen Kanalvolumens auf einer Seite ausströmendes Arbeitsgas sogleich durch auf der anderen Seite einströmendes Gas ersetzt wird.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Stabilisierungseinrichtung ein im Inneren des Kolbenelements 13 angeordnetes Ausgleichsvolumen in Form einer Kammer 43 umfasst, die Teil des Kanals 41 ist. Diese weist bevorzugt ein vergleichsweise großes Volumen auf. Die Stabilisierung ist dann träger, stellt dafür jedoch eine gewisse Pufferfunktion bereit, weil eine länger anhaltende Arbeitsgasströmung möglich ist. Das Kolbenelement 13 kann in seinem Inneren also eine vorzugsweise großvolumige Kammer 43 aufweisen, sowie Öffnungen in der äußeren Mantelfläche 35, über die der Ringspalt 39 mit der Kammer 43 in Fluidverbindung steht. Die Öffnungen, die vorzugsweise als Bohrungen ausgebildet sind, weisen bevorzugt einen kleineren Durchmesser auf als die Kammer 43 und bilden gemeinsam mit dieser den mindestens einen Kanal 41.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Kolbenelement 13 nur eine Kammer 43 mit einem relativ geringen Volumen. In diesem Fall ist vorzugsweise das Kurbelgestänge 27 vergleichsweise starr ausgebildet. Außerdem umfasst bevorzugt die Zwischenabstützung 29 eine sehr enge Führung für das Kurbelgestänge 27. Auf diese Weise können Querkrafteinflüsse bereits durch das Kurbelgestänge 27 und die Zwischenabstützung 29 abgefangen werden. Die Stabilisierungseinrichtung kann dann weniger leistungsfähig angelegt sein. Jedenfalls spricht sie umso schneller an, je kleiner das Volumen der Kammer 43 ausgebildet ist.
Die Funktionsweise des mindestens einen Kanals 41 und des durch die Kammer 43 bereitgestellten Ausgleichsvolumens wird anhand von 2 näher erläutert.
2A zeigt ein von 1 verschiedenes Ausführungsbeispiel des Kolbenelements 13, dessen grundsätzliche Funktionsweise jedoch identisch zu der zuvor beschriebenen ist. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist das Kolbenelement 13 gemäß 2 zwei Kammern 43, 43' auf, die jeweils ein vergleichsweise großes Ausgleichsvolumen im Inneren des Kolbenelements 13 bereitstellen. Jeder Kammer 43, 43' ist vorzugsweise mindestens ein das Kolbenelement 13 durchsetzender Kanal 41, 41' vorgesehen, wobei bevorzugt – in Umfangsrichtung gesehen – mindestens zwei Öffnungen – vorzugsweise in konstantem Winkelabstand – den Kammern 43, 43' zugeordnet sind, durch welche das Ausgleichsvolumen mit dem Ringspalt 39 in Fluidverbindung steht. In 2 ist auch das Kurbelgestänge 27 bereichsweise dargestellt.
Durch Pfeile sind das auf das Kolbenelement 13 einwirkende Arbeitsgas und die Beiströmung desselben entlang des Ringspalts 39 dargestellt. In 2A wirkt keine Querkraft auf das Kolbenelement 13. Es ist daher symmetrisch in dem Zylinder 11 angeordnet. Der Ringspalt 39 ist – in Umfangsrichtung gesehen – überall gleich groß. Dementsprechend ist auch die Beiströmung – in Umfangsrichtung gesehen – überall gleich groß. Sie wirkt als Luftkissen, sodass das Kolbenelement 13 nahezu reibungsfrei in dem Zylinder 11 verlagerbar ist.
In 2B ist durch den Pfeil P eine auf das Kolbenelement 13 wirkende Querkraft dargestellt. Diese führt zu einer Verlagerung desselben nach rechts, sodass der Ringspalt 39 in diesem Bereich enger und umgekehrt in dem links dargestellten Bereich weiter wird. In dem schmalen, rechten Bereich erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsgases, was durch lange Pfeile P_l dargestellt ist. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist jeweils nur ein Pfeil mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet. Zugleich sinkt hier der Druck. Auf der gegenüberliegenden Seite erniedrigt sich die Geschwindigkeit der Beiströmung, was durch kurze Pfeile P_k dargestellt ist. Hier erhöht sich entsprechend der Druck. Bei einem geschlossenen Kolbenelement 13 würde dies dazu führen, dass durch den Druckunterschied eine zusätzliche Kraft in die gleiche Richtung wirkt, wie die durch den Pfeil P dargestellte Querkraft. Das Kolbenelement 13 würde also verstärkt ausgelenkt und letztlich gegen die innere Umfangsfläche 37 des Zylinders 11 gedrückt. Aufgrund des mindestens einen das Kolbenelement 13 durchsetzenden Kanals 41, 41' kann jedoch eine Ausgleichsströmung von dem Bereich höheren Drucks zu dem Bereich niedrigeren Drucks quer durch das Kolbenelement 13 erfolgen. Diese ist hier durch Pfeile P_q angedeutet.
Die Querströmung führt zu einem Druckausgleich entlang des Ringspalts 39, was das Kolbenelement 13 stabilisiert und der durch den Pfeil P dargestellten Querkraft entgegenwirkt.
Sind zwei Kammern 43, 43' vorgesehen, bewirken diese zugleich eine Momentenabstützung des Kolbenelements 13 gegen an diesem angreifende Drehmomente. Zugleich erhöht sich die Stabilisierungswirkung gegen Querkrafteinflüsse. Das vergleichsweise grolle, durch die Kammern 43, 43' bereitgestellte Ausgleichsvolumen sorgt dafür, dass eine stabilisierende Querströmung relativ lange aufrechterhalten werden kann. Daher kann in diesem Fall das Kurbelgestänge 27 vergleichsweise flexibel ausgeführt sein. Eventuell vorhandene Querkraftstöreinflüsse eines Kurbeltriebs fallen dann an dem Kolbenelement 13 geringer aus, weil sie durch das flexible Kurbelgestänge 27 gedämpft werden. Zugleich kann die Zwischenabstützung 29 mit größerer Toleranz ausgebildet sein, weil die entsprechend geringere Abstützung durch die Stabilisierung in zwei Ebenen aufgrund der Kammern 43, 43' und der Kanäle 41, 41' kompensiert wird.
Bevorzugt wird das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 in der in 1 dargestellten, aufrechten Lage betrieben, sodass das Kolbenelement 13 eine vertikale Bewegung ausführt. Es treten dann keinerlei gravitationsbedingte Querkrafteinflüsse auf, die abgestützt oder gesondert stabilisiert werden müssten.
Das in 2 dargestellte Kolbenelement 13 kann dünnwandig und im Wesentlichen hohl ausgebildet sein. Besonders bevorzugt wird es durch Tiefziehen hergestellt.
3 zeigt weitere Ausführungsbeispiele des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1 beziehungsweise von Kolbenelementen 13. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Die in den 3A bis C zumindest teilweise dargestellten thermoakustischen Energiewandlungssysteme 1 umfassen jedes eine als Lineargenerator ausgebildete elektromechanische Energiewandlungseinheit 25. Sie sind im Vergleich zu 1 bevorzugt umgekehrt angeordnet, wobei die Position der thermischen Einheit 7 und der elektromechanischen Energiewandlungseinheit 25 getauscht sind. Damit erfolgt hier die Kompression des Kolbenelements 13 nach unten, sie wird also durch die Gravitation unterstützt. Dies gleicht zum einen das Fehlen des Schwungrads 31 aus, zum anderen ist die entsprechende Anordnung günstig zum Starten des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1, weil das Kolbenelement 13 quasi nur fallengelassen werden muss.
Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, auf beiden Seiten des Kolbenelements 13 je eine thermische Einheit 7 vorzusehen. Dies entspricht quasi einer Boxerkonfiguration, wobei die Bewegung des Kolbenelements 13 in jede Richtung durch eine dynamische Expansion getrieben wird. Die thermischen Einheiten 7 arbeiten also phasenverschoben so zusammen, dass jede Bewegungsphase des Kolbenelements 13 durch eine entsprechende Kraft unterstützt beziehungsweise angetrieben wird.
Das Kolbenelement 13 umfasst hier mindestens einen, vorzugsweise mehrere Permanentmagnete, von denen hier beispielhaft einer mit dem Bezugszeichen 45 gekennzeichnet ist. Es ist auch möglich, dass das Kolbenelement 13 zusätzlich mindestens eine Ausgleichsmasse zur Frequenzabstimmung des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1 umfasst, welche hier beispielhaft mit dem Bezugszeichen 47 gekennzeichnet ist. Das Kolbenelement 13 ist in dem Zylinder 11 beweglich gelagert, der vorzugsweise eine Spule 49 aufweist, in der durch die Permanentmagnete 45 eine Spannung erzeugt wird.
Es ist möglich, die Spule 49 um den Zylinder 11 herum vorzusehen. Bevorzugt wird sie allerdings in das Material des Zylinders 11 eingebettet, vorzugsweise mit diesem Material vergossen.
Die Wandung des Zylinders 11 ist vorzugsweise von der Wandung des Gehäuses 3 beabstandet angeordnet, sodass ein Zwischenraum 51 gebildet wird. Dieser ist bevorzugt mit dem Arbeitsgas gefüllt, welches – vorzugsweise durch Konvektion – Abwärme der elektromechanischen Energiewandlungseinheit 25 abführen und über die Wandung des Gehäuses 3 ableiten kann. Diese weist hierzu bevorzugt Kühlrippen 53 auf.
Vorzugsweise ist in dem Zwischenraum 51 zumindest bereichsweise ein bevorzugt flüssiges Medium 55 angeordnet, über welches die Abwärme der elektromechanischen Energiewandlungseinheit 25 noch effizienter an die Wandung des Gehäuses 3 abgegeben werden kann.
Das Kolbenelement 13 umfasst in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3A zwei Kammern 43, 43', die – in Längsrichtung gesehen – auf gegenüberliegenden Seiten der Permanentmagnete 45 und/oder Ausgleichsmassen 47 vorgesehen und Teil der Kanäle 41, 41' sind. Der Abstand, in dem die Kammern 43, 43' aufgrund der Permanentmagnete 45 und/oder Ausgleichsmassen 47 voneinander angeordnet sind, bewirkt eine besonders effektive Stabilisierung des Kolbenelements 13 gegenüber einer Verkippung. Im Bereich der Permanentmagnete 45 und/oder Ausgleichsmassen 47 kann ein Druckunterschied in dem Ringspalt 39 – in Umfangsrichtung gesehen – allerdings nicht ausgeglichen werden, weil hier kein entsprechender, das Kolbenelement 13 durchsetzender Kanal vorgesehen ist.
Dies wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3B dadurch gelöst, dass im Bereich der Permanentmagnete 45 und/oder Ausgleichsmassen 47 – in Längsrichtung gesehen – mindestens eine Bohrung 57 vorgesehen ist, über welche die Beiströmung bereichsweise quasi überbrückt wird. Im Vergleich zu dem Ringspalt 39 weist nämlich die mindestens eine Bohrung 57 einen großen Durchmesser auf, sodass – wie durch Doppelpfeile angedeutet wird – die Strömung des Arbeitsgases in deren Bereich hauptsächlich durch sie und nicht entlang des Ringspalts 39 verläuft. Dies bedeutet, dass im Bereich der Permanentmagnete 45 und/oder Ausgleichsmassen 47 bei diesem Ausführungsbeispiel keine Querkräfte aufgrund von Druckunterschieden im Ringspalt 39 auftreten können. Die Kammern 43, 43' sind durch ein zusätzliches Gestänge 59 weiter voneinander und insbesondere auch von dem Bereich der Permanentmagnete 45 und/oder Ausgleichsmassen 47 beabstandet, was zum einen überhaupt erst die Strömung entlang der Bohrung 57 ermöglicht, zum anderen zu einer verbesserten Abstützung des Kolbenelements 13 gegenüber Momenten bewirkt, die dessen Verkippung verursachen könnten.
3C zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kolbenelements 13, bei welchem die Stabilisierungseinrichtung eine dieses – in Längsrichtung gesehen – durchsetzende Bohrung 61 umfasst. Diese wirkt mit einem Führungselement 63 zusammen, welches sie durchgreift. Das Führungselement 63 umfasst bevorzugt eine Stange, ein straff gespanntes Seil oder ein anderes geeignetes Mittel. Es ist möglich, dass ein Ringspalt 39 vorgesehen ist. Die zwischen der Bohrung 61 und dem Führungselement 63 auftretende Reibung ist aufgrund der viel kleineren Kontaktfläche deutlich geringer als eine entsprechende Reibung, die bei einer Führung der äußeren Mantelfläche 35 an der inneren Umfangsfläche 37 auftreten würde.
Das Kolbenelement 13 umfasst auf seiner dem heißen Energietauscher 15 zugewandten Seite vorzugsweise eine Wärmeschutzbeschichtung 65. Durch diese werden insbesondere die Permanentmagnete 45 vor Temperatureinwirkung geschützt.
Sind auf beiden Seiten des Kolbenelements 13 thermische Einheiten 7 vorgesehen, ist es möglich, dass dieses beidseitig mit der Wärmeschutzbeschichtung 65 ausgestattet ist.
Es zeigt sich, dass die als Lineargenerator ausgebildete elektromechanische Energiewandlungseinheit 25 und die mechanische Einrichtung 9 bei dem thermoakustischen Energiewandlungssystem 1 bevorzugt integriert ausgebildet sind. Das Kolbenelement 13 umfasst mindestens einen Permanentmagnet 45 und ist damit sowohl der mechanischen Einrichtung 9 als auch der elektromechanischen Energiewandlungseinheit 25 zugeordnet. Anders als bei bekannten thermoakustischen Energiewandlungssystemen 1 treibt also das Kolbenelement 13 nicht einen externen Lineargenerator, sondern dieser umfasst vorzugsweise das Kolbenelement 13 und ist besonders bevorzugt in dem Gehäuse 3 angeordnet.
Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass das Kolbenelement 13 an seiner äußeren Mantelfläche 35 eine reibungsarme Beschichtung aufweist. Auch hierdurch kann die Reibung an der inneren Umfangsfläche 37 deutlich reduziert werden. Vorzugsweise kann auch eine Abdichtung des Ringspalts 39 über ein flüssiges Medium, beispielsweise ein Öl, vorzugsweise Schmieröl, erfolgen. Im Übrigen ist es möglich, dass das Kolbenelement 13 mindestens eine Dichtlippe umfasst, die mit der inneren Umfangsfläche 37 zusammenwirkt, um den Ringspalt 39 abzudichten. Diese Ausführungsbeispiele sind insbesondere in Kombination mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 3C möglich, bei dem die Stabilisierungseinheit die Bohrung 61 und das Führungselement 63 umfasst.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Anhand von 4 wird insbesondere erläutert, wie ein Arbeitsgasverlust aus dem Bereich der thermischen Einheit 7 aufgrund der Beiströmung entlang des Ringspalts 39 vermieden werden kann.
Bei einer von dem Arbeitsgas getriebenen Aufwärtsbewegung des Kolbenelements 13 in 4 ist der dynamische Druck unterhalb desselben höher als oberhalb. Entsprechend bildet sich eine Beiströmung von Arbeitsgas durch den Ringspalt 39 von unten nach oben aus. Bewegt sich das Kolbenelement 13 in 4 nach unten, komprimiert es aktiv das unter ihm angeordnete Arbeitsgas, sodass auch in diesem Fall eine Beiströmung durch den Ringspalt 39 von unten nach oben erfolgt. Die Beiströmung verläuft also in beiden Phasen der Bewegung des Kolbenelements 13 in die gleiche Richtung. Dies führt letztlich dazu, dass Arbeitsgas aufgrund dynamischer Druckunterschiede aus dem Bereich der thermischen Einheit 7 verlorengeht.
Der Zylinder 11 ist bevorzugt durch den Zwischenraum 51 beabstandet von einer Wandung des Gehäuses 3 angeordnet und weist vorzugsweise mindestens einen Abgang 67 auf, der durch einen Verschluss 69 – vorzugsweise insbesondere in Hinblick auf einen Durchtrittsquerschnitt regelbar – öffenbar und verschließbar ist. Vorzugsweise sind – in Umfangsrichtung gesehen – mehrere Abgänge 67 mit Verschlüssen 69 vorgesehen. Besonders bevorzugt sind – in Längsrichtung gesehen – verschiedene Ebenen mit Abgängen 67, 67' vorgesehen. So ist in 4 eine höher gelegene, zweite Ebene mit mindestens einem Abgang 67' vorgesehen, welcher durch einen Verschluss 69' – vorzugsweise regelbar – verschließbar oder öffenbar ist.
Bevorzugt wird eine bestimmte Öffnung der Abgänge 67, 67' mithilfe des Verschlusses 69 eingestellt, um ein Leerpumpen des Arbeitsvolumens durch die Beiströmung entlang des Spalts 39 zu vermeiden. Schwingt das Kolbenelement 13 über seine in 4 dargestellte Lage hinaus nach oben und gelangt es so in einen Bereich oberhalb des Abgangs 67', kann es bei seiner darauffolgenden Bewegung nach unten eine Strömung durch den Abgang 67' erzeugen, durch welche Arbeitsgas zurück in das Arbeitsvolumen strömt.
Eine Regelung der Öffnung der Abgänge 67, 67' durch die Verschlüsse 69, 69' kann auch der Leistungsregelung des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1 dienen. Insbesondere kann über die Regelung ein Hub des Kolbenelements 13 eingestellt werden. Dieses gleitet bei seiner Aufwärtsbewegung in 4 ungehindert an dem geschlossenen Abgang 67 vorbei. Gelangt es jedoch in den Bereich oberhalb des geöffneten Abgangs 67', bricht der Expansionsdruck auf der Vorderseite 40 zusammen, weil über den Abgang 67' quasi die Rückseite 40' mit der Vorderseite 40 kurzgeschlossen ist. Damit erreicht das Kolbenelement 13 hier seinen Umkehrpunkt und geht in seine Abwärtsbewegung über. Entsprechend umfasst eine einfache Leistungsregelung die Einstellung des Kolbenhubs durch Öffnen des mindestens einen Abgangs 67, 67' auf der Ebene, unmittelbar oberhalb derer der Umkehrpunkt des Kolbenelements 13 angeordnet sein soll. Eine komplexere Regelung kann bevorzugt eine Einstellung der Öffnungsweiten der verschiedenen Abgänge 67, 67' umfassen.
Die Beiströmung führt tendenziell auch dazu, dass sich auf der Rückseite 40' des Kolbenelements 13 ein Gegendruck beziehungsweise eine damit verbundene Gegenkraft aufbaut, die zu Wirkungsgradverlusten führt. Um dies weitestgehend zu vermelden, ist bevorzugt das Volumen im Bereich der Rückseite 40' größer, vorzugsweise viel größer ausgebildet als das dem Arbeitsgas zur Verfügung stehende Volumen auf der Vorderseite 40 im Bereich der thermischen Einheit 7 und dem Reflexionsbereich 21. Die Beiströmung führt dann zumindest nicht zur Ausbildung eines relevanten Gegendrucks, weil das durch sie geförderte Volumen vernachlässigbar klein ist im Vergleich zu dem Volumen, welches dem Arbeitsgas auf der der thermischen Einheit 7 abgewandten Rückseite 40' des Kolbenelements 13 zur Verfügung steht.
Der Zylinder 11 und das Kolbenelement 13, insgesamt die mechanische Einrichtung 9, bevorzugt aber auch das Gehäuse 3, umfassen vorzugsweise Kunststoff, Keramik, Glas oder künstliches Gestein, besonders bevorzugt faserverstärkten Kunststoff, faserverstärkte Keramik, faserverstärktes Glas oder faserverstärkten künstlichen Stein. Auch bewehrtes beziehungsweise armiertes künstliches Gestein ist möglich. Der Begriff „künstliches Gestein” umfasst beispielsweise Beton. Die genannten Materialien, insbesondere Kunststoff, können ausgewählt werden, weil das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 bei vergleichsweise geringer Temperatur betrieben wird. Sie sind bei dieser dauerfest. Insbesondere sind sie preisgünstig und leicht zu verarbeiten, sodass das thermoakustische Energiewandlungssystem einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Es ist auch möglich, dass die mechanische Einrichtung 9 Metall umfasst, bevorzugt aus Metall besteht.
Die mechanische Einrichtung 9 umfasst bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Balg, wobei das durch den Balg definierte Volumen zu der thermischen Seite 7 hin offen und zu der elektromechanischen Energiewandlungseinheit 25 hin geschlossen ist. Als Verschluss kann eine mit dem Kurbelgestänge 27 verbundene Platte oder eine Baugruppe dienen, die mindestens einen Permanentmagneten 45 und/oder mindestens eine Ausgleichsmasse 47 umfasst. Der Abschluss des Balgs wirkt damit als Kolbenelement 13. Der Balg kann als Faltenbalg, Ellipsoidbalg mit – im Längsschnitt gesehen – ellipsoidförmigen Wänden, als Rollbalg, als Schlauchbalg oder als Gewölbebalg mit vorzugsweise nach innen gerichteten, bereichsweise gewölbeartig ausgebildeten Wandabschnitten ausgebildet sein. Insbesondere wenn der Balg als Schlauchbalg oder Gewölbebalg ausgebildet ist, umfasst er bevorzugt Versteifungsringe, die seine Ausdehnung – in radialer Richtung gesehen – verhindern, um eine Expansion des Arbeitsgases möglichst vollständig für eine Ausdehnung des Balgs in dessen Längsrichtung nutzen zu können.
Der Balg kann Teflon umfassen, bevorzugt aus Teflon bestehen.
5 zeigt eine thermische Einheit 7 für ein thermoakustisches Energiewandlungssystem 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Die thermische Einheit 7 ist in 5A in schematischer Längsschnittdarstellung gezeigt. Sie umfasst den ersten Energietauscher 15, den zweiten Energietauscher 17 und die Zwischenspeicherungseinrichtung 19. Durch diese sind der erste und der zweite Energietauscher 15, 17 beabstandet. Sie stehen in thermischem Kontakt zu der Zwischenspeicherungseinrichtung 19.
Die thermische Einheit 7 kann auch mehr als zwei Energietauscher und/oder mehr als eine Zwischenspeicherungseinrichtung 19 umfassen. Es ist insbesondere möglich, diese hintereinander, insbesondere als Kaskade anzuordnen. Ebenso ist es möglich, dass das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 mehr als eine thermische Einheit 7 umfasst. Diese können bevorzugt ebenfalls hintereinander, insbesondere als Kaskade angeordnet sein. Auf diese Weise sind insbesondere größere Temperaturgradienten möglich.
Der erste Energietauscher 15, der zweite Energietauscher 17 und die Zwischenspeicherungseinrichtung 19 sind bevorzugt einstückig ausgebildet. Vorzugsweise sind sie auch einstückig mit dem Gehäuseabschnitt 3''' ausgebildet, welcher die thermische Einheit 7 aufnimmt und über Flansche 5 mit den restlichen Gehäusebereichen zu dem Gehäuse 3 verbindbar ist. Es ist bei einem anderen Ausführungsbeispiel auch möglich, dass die thermische Einheit 7 in dem Gehäusebereich 3''' angeordnet ist, ohne einstückig mit ihm ausgebildet zu sein.
Schematisch dargestellt sind Zugänge Z, Z' und Abgänge A, A', durch welche Energie beziehungsweise Wärme den Energietauschern 15, 17 zu- beziehungsweise von diesen abgeführt werden kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist durch Pfeile ein Energiestrom entlang der Zugänge Z, Z' und Abgänge A, A' angedeutet. Vorzugsweise wird der erste Energietauscher 15 mittels eines heißen Mediums erwärmt, während der zweite Energietauscher 17 mittels eines kühleren Mediums gekühlt wird. Dabei sprechen die Begriffe „kühl” und „heiß” insbesondere relative Temperaturbereiche an. Beispielsweise kann die Temperatur des ersten Energietauschers 15 400°C betragen, während die Temperatur des zweiten Energietauschers 50°C beträgt. Entlang der Zwischenspeicherungseinrichtung 19 wird ein Temperaturgradient erzeugt. Durch das Arbeitsgas erfolgt eine dynamische Energiezufuhr beziehungsweise -entnahme insbesondere auch im Bereich der Zwischenspeicherungseinrichtung 19.
Der erste und zweite Energietauscher 15, 17 und die Zwischenspeicherungseinrichtung 19 umfassen bevorzugt ein gleiches Material oder bestehen aus diesem. Es ist aber auch möglich, dass für diese Elemente verschiedene, miteinander verbundene Materialien vorgesehen sind.
Als Material für die thermische Einheit 7 kommt Kunststoff, Keramik, Glas oder künstliches Gestein, bevorzugt faserverstärkter Kunststoff, faserverstärkte Keramik oder faserverstärktes künstliches Gestein in Frage. Es ist auch möglich, bewehrtes beziehungsweise armiertes künstliches Gestein einzusetzen. Der Begriff „künstliches Gestein” umfasst dabei vorzugsweise insbesondere Beton. Die genannten Materialien sind insbesondere deswegen einsetzbar, weil die thermische Einheit 7 mit einer relativ geringen Temperatur im heißen Bereich betrieben wird. Insbesondere sind die genannten Materialien bei dieser Temperatur dauertest. Sie sind kostengünstig und leicht zu verarbeiten. Die thermische Einheit 7 ist daher einfach und kostengünstig herstellbar.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Energietauscher 15, 17 und/oder die Zwischenspeicherungseinrichtung 19 aus mindestens einem Sintermetall herzustellen. Bevorzugt ist es auch möglich, dass mindestens eines dieser Elemente mindestens ein Sintermetall umfasst. Auch auf diese Weise sind die Energietauscher 15, 17 sowie die Zwischenspeicherungseinrichtung 19 kostengünstig und einfach herstellbar.
Sie weist bevorzugt – in radialer Richtung gesehen – insbesondere im Bereich der Energietauscher 15, 17 eine hohe thermische Leitfähigkeit auf, um einen Wärmeübergang von einer Wärmequelle oder – senke zur thermischen Einheit 7 und von dieser in das Arbeitsgas zu erleichtern. Bevorzugt weist sie jedoch insbesondere im Bereich der Zwischenspeicherungseinrichtung 19 – in Längsrichtung gesehen – eine geringe thermische Leitfähigkeit auf, sodass möglichst kein Wirkungsgradverlust aufgrund einer Wärmebrücke zwischen dem heißen und dem kalten Energietauscher 15, 17 auftritt. Insbesondere ist eine geringe thermische Leitfähigkeit – in Längsrichtung gesehen – auch Voraussetzung dafür, dass der Temperaturgradient entlang der Zwischenspeicherungseinrichtung 19 aufrechterhalten bleibt.
Ist die thermische Einheit 7 vollständig aus einem Material gebildet, werden die verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten – in Längsrichtung und radialer Richtung gesehen – bevorzugt durch eine entsprechende Dimensionierung realisiert. Durch vergleichsweise kleine Längenskalen – in radialer Richtung gesehen – besteht hier eine hohe Leitfähigkeit, während eine vergleichsweise lange Erstreckung – in Längsrichtung gesehen – für eine vergleichsweise geringe Leitfähigkeit in diese Richtung sorgt.
Zugleich ist das Material für die thermische Einheit 7, insbesondere für die Zwischenspeicherungseinrichtung 19, bevorzugt so ausgewählt, dass es über eine hohe Wärmespeicherungskapazität verfügt. So kann Energie in Form von Wärme lange in der thermischen Einheit 7, insbesondere in der Zwischenspeicherungseinrichtung 19, gespeichert werden.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, die entsprechenden thermischen Leitfähigkeiten durch eine gezielte Materialwahl zu beeinflussen. Beispielsweise kann wenigstens einer der Energietauscher 15, 17 ein thermisch leitfähiges Material umfassen, während für die Zwischenspeicherungseinrichtung 19 ein weniger leitfähiges Material ausgewählt wird. Die Materialien werden in geeigneter Weise miteinander verbunden. Beispielsweise können sie durch Gießen verbunden werden. Insbesondere für Kunststoffe kommt ein Spritzgussverfahren, ganz besonders ein Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren, in Betracht.
Es ist auch möglich, die thermische Leitfähigkeit insbesondere der Zwischenspeicherungseinrichtung 19 durch ein sogenanntes Schwallgussverfahren zu verringern. Dabei wird ein Grundkörper der Zwischenspeicherungseinrichtung 19 schwallweise gegossen, sodass in bestimmten Abständen Bereiche auftreten, deren Eigenschaften von den dazwischen angeordneten Bereichen verschieden sind. Dies sind Bereiche, die zwischen zwei Schwallgussphasen bereits leicht ausgehärtet oder in anderer Weise verändert sind, sodass eine Verbindung zu einem danach gegossenen Bereich eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als dies für das in einem Guss gefertigte Material charakteristisch ist. Wesentlich ist also, dass durch das Schwallgussverfahren die physikalischen Eigenschaften des Materials, insbesondere dessen thermische Leitfähigkeit – in Längsrichtung gesehen –, quasi moduliert wird, wodurch die Wärmeleitfähigkeit insgesamt abnimmt.
Die Energietauscher 15, 17, vorzugsweise auch die Zwischenspeicherungseinrichtung 19 umfassen bevorzugt spezielle Oberflächen zur Erhöhung des Wärmeübergangs in das Arbeitsgas. Es ist auch möglich, die wirksame Oberfläche des kalten Energietauschers 17 größer auszubilden als die des heißen Energietauschers 15. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass trotz des geringeren Temperaturniveaus im Bereich des kalten Energietauschers 17 die gleiche Energiemenge pro Zeiteinheit übertragen wird wie im Bereich des heißen Energietauschers 15 bei dessen höherem Temperaturniveau.
5B zeigt eine schematische Querschnittsansicht der thermischen Einheit 7 gemäß 5A im Bereich der Zwischenspeicherungseinrichtung 19. Gleiche und funktionsgleiche Element sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dargestellt ist die Wandung des Gehäusebereichs 3''' sowie die darin angeordnete Zwischenspeicherungseinrichtung 19. Die thermische Einheit 7 umfasst Kanäle für das Arbeitsgas, von denen hier beispielhaft einer mit dem Bezugszeichen 71 bezeichnet ist. Insbesondere ermöglichen es die Kanäle 71, dass Druckwellen beziehungsweise akustische Wellen sich in dem Arbeitsgas durch die thermische Einheit 7 fortpflanzen können. Es kann auch Arbeitsgas durch die Kanäle 71 strömen.
Die Kanäle 71 können beliebige Querschnittsformen aufweisen. Bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sie im Wesentlichen rechteckig, insbesondere quadratisch ausgebildet. Möglich ist auch eine Kreisform, Sechseckform, Dreieckform – wie hier im Randbereich dargestellt – sowie jede beliebige andere Form. Zwischen den Kanälen 71 sind insbesondere im Bereich der Energietauscher 15, 17 bevorzugt Wärme verteilende Elemente vorgesehen. Diese sorgen insbesondere dafür, dass sich entlang von Querschnittsebenen durch die thermische Einheit 7 die gleiche Temperatur einstellt.
Zur Wärmeverteilung zwischen den Kanälen können beispielsweise Gitter, insbesondere Metallgitter, vorgesehen sein.
Ein Querschnitt der Kanäle 71 kann bei einem Ausführungsbeispiel bevorzugt – in Längsrichtung gesehen – moduliert sein, also keinen konstanten Wert aufweisen. Durch entsprechende Formung der Kanäle 71 können die Druckverhältnisse sowie die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsgases in der thermischen Einheit 7 eingestellt werden. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Mittel vorgesehen, um den Querschnitt der Kanäle 71 zumindest bereichsweise aktiv zu verändern. Damit ist es möglich, die Druckverhältnisse und die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsgases in der thermischen Einheit 7 zu steuern beziehungsweise zu regeln.
Es ist auch möglich, anstelle von Kanälen 71, die in einem Vollmaterial der Zwischenspeicherungseinrichtung 19 vorgesehen sind, Kanäle 71 vorzusehen, welche durch regelmäßige oder unregelmäßige Strukturen aus Drähten, Platten mit geringem Abstand, Rohren, schneckenförmigen Aufwicklungen oder unregelmäßigen Strukturen wie beispielsweise einem gepressten Gestrick und/oder Gewirk gebildet werden. Beispielsweise kann die Zwischenspeicherungseinrichtung 19 einen Behälter umfassen, in dem in geringem Abstand angeordnete Platten, eine schneckenförmige Aufwicklung oder eine regelmäßige oder unregelmäßige Struktur aus Drähten beziehungsweise aus beispielsweise einem gepressten Gestrick und/oder Gewirk vorgesehen ist. Die Zwischenspeicherungseinrichtung 19 kann auch – in Längsrichtung gesehen – übereinander angeordnete Platten beziehungsweise scheibenförmige Elemente umfassen, welche jeweils eine Drahtstruktur aus kreisförmig konzentrisch angeordneten, sich kreuzenden oder einfach linear gespannten Drähten oder Platten umfasst. In jeder Lage oder Ebene der Zwischenspeicherungseinrichtung 19 stellt sich bevorzugt eine konstante Temperatur ein, während – in Längsrichtung gesehen – über die Zwischenspeicherungseinrichtung 19 ein Temperaturgradient ausgebildet wird.
6 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele, wie im Bereich der Energietauscher 15, 17 Wärme in die thermische Einheit 7 ein- beziehungsweise aus dieser ausgeleitet werden kann. Gleiche und funktionsgleiche Element sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Insbesondere kann die Energieeinleitung oder -ausleitung außen an der thermischen Einheit – vergleiche 6A und 6D –, innen in der thermischen Einheit 7, bevorzugt in einem vorbestimmten Bereich – vergleiche 6B und 6E – oder verteilt in der thermischen Einheit 7 – vergleiche 6C und 6F – stattfinden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6A ist im Bereich des Energietauschers 15, 17 eine Ringleitung 73 für ein vorbeiströmendes Medium vorgesehen, welche im äußeren Umfangsbereich der thermischen Einheit 7 vorgesehen ist. Die Strömung des Mediums ist durch Pfeile angedeutet. Das Medium kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Es kann sich beispielsweise im Fall des heißen Energietauschers 15 um den Abgasstrahl einer Verbrennungseinrichtung handeln. Entsprechend können im Bereich des kalten Energietauschers 17 Medien entlang einer Ringleitung 73 geführt werden.
6B zeigt ein Rohr 75, durch welches ein Medium – wie durch Pfeile angedeutet – zentral durch den Bereich der Energietauscher 15, 17 führbar ist.
6C zeigt eine verteilte Anordnung von Rohren 75, 75', 75'', 75''', 75'''' für einen möglichst homogenen Wärmeeintrag oder -austrag.
Die Energie- beziehungsweise Wärmeübertragung kann auch durch Kontakt mit einem temperierten Körper erfolgen. Beispielsweise ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6D ein temperierter Körper 77 außen um den Bereich der Energietauscher 15, 17 angeordnet. Es ist auch ein Wärmetransport durch eine Wärmetransporteinheit, beispielsweise ein Wärmerohr (heat pipe) möglich.
6E zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem ein entsprechender Körper oder ein Wärmerohr 79 zentral durch den Bereich der Energietauscher 15, 17 geführt ist.
6F zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem Körper oder Wärmerohre 79, 79', 79'', 79''' und 79'''' dezentral beziehungsweise verteilt in dem Bereich der Energietauscher 15, 17 vorgesehen sind.
7 zeigt weitere Ausführungsbeispiele insbesondere für einen Energieeintrag in den heißen Energietauscher 15.
Gemäß 7A erfolgt der Energieeintrag aufgrund von Wärmestrahlungsaustausch außen an einer Oberfläche des Energietauschers 15.
Gemäß 7B ist eine Wärmestrahlung absorbierende Oberfläche in einem Absorptionsbereich 81 zentral in dem Energietauscher 15 vorgesehen.
Gemäß 7C sind absorbierende Oberflächen in Absorptionsbereichen 81, 81', 81'', 81''', 81'''' verteilt in dem Energietauscher 15 vorgesehen.
Die Wärmestrahlung wird in den 7A bis 7C jeweils durch wellenförmige Pfeile symbolisiert.
Gemäß 7D ist eine absorbierende Oberfläche 83 an einer äußeren Mantelfläche des Energietauschers 15 vorgesehen. Hier wird Lichtenergie in Wärme umgewandelt. Das Licht wird vorzugsweise durch Lichtwellenleiter eingeleitet, von denen einer hier symbolisch mit dem Bezugszeichen 85 gekennzeichnet ist.
Gemäß 7E findet die Umwandlung von Lichtenergie in Wärme zentral innerhalb des Energietauschers 15 statt, wobei die Energie bevorzugt durch Lichtleiter 85 eingeleitet wird.
Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7F wird bevorzugt Lichtenergie vorzugsweise durch Lichtwellenleiter 85 eingeleitet. Allerdings findet die Umwandlung der Lichtenergie in Wärme verteilt innerhalb des Energietauschers 15 statt.
Es ist möglich, verschiedene Mechanismen zur Energieein- beziehungsweise -ausleitung im Bereich des heißen Energietauschers 15 und des kalten Energietauschers 17 miteinander zu kombinieren. Beispielsweise kann im Bereich des heißen Energietauschers 15 vorgesehen sein, dass die Energie als Lichtenergie zugeführt und an absorbierenden Oberfläche in Wärme umgewandelt wird, während der kalte Energietauscher 17 von einem Medium umströmt oder durchströmt wird, um Wärme abzuführen. Beliebige Kombinationen sind möglich.
In Hinblick auf die 6 und 7 wird auch deutlich, weshalb hier der Begriff „Energietauscher statt des Begriffs „Wärmetauscher” verwendet wird. Es ist möglich, insbesondere die in das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 einzuleitende Energie nicht in Form von Wärme, sondern beispielsweise in Form von Lichtenergie einzuleiten. Daher ist der allgemeinere Begriff „Energietauscher” gerechtfertigt. Wesentlich ist, dass im Bereich der Energietauscher 15, 17 ein Wärme- beziehungsweise Energieaustausch zwischen dem Arbeitsgas und einer externen Wärmequelle beziehungsweise Wärmesenke stattfinden kann.
Dabei werden besonders Ausführungsbeispiele bevorzugt, bei denen die Energie über die Systemgrenze, insbesondere das Gehäuse 3, hinweg in die Energietauscher 15, 17 eingetragen wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Anschlüsse beziehungsweise Durchführungen für ein Medium, ein Wärmerohr oder einen Lichtwellenleiter vorgesehen sind. Die Wärme muss dann nicht durch die Wandung des Gehäuses 3 diffundieren, sondern wird der thermischen Einheit 7 unmittelbar zugeführt.
Es zeigt sich auch ein weiterer Vorteil des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1: Da anders als beim internen Verbrennungsmotor das Arbeitsgas dauerhaft in dem Gehäuse 3 eingeschlossen ist, ist es möglich, quasi beliebige Wärmequellen beziehungsweise Energiequellen zum Betrieb des Systems einzusetzen. In Frage kommt die Verbrennung gasförmiger, flüssiger und/oder fester Brennstoffe, wobei die Verbrennung nicht explosionsartig erfolgen muss, sondern insbesondere in einem externen Brenner konstant und bei optimalen, besonders abgastechnisch optimierten Bedingungen erfolgen kann. Auch Prozessabwärme ist nutzbar. Weiterhin ist es möglich, Licht, insbesondere Sonnenlicht, als Wärmequelle einzusetzen. Damit ist das thermoakustische Energiewandlungssystem insbesondere im Bereich der erneuerbaren Energien vielfältig und flexibel einsetzbar. Es leistet also einen Beitrag zur nachhaltigen, ökologischen Energieversorgung.
8 zeigt schematische Längsdarstellungen weiterer bevorzugter Ausführungsbeispiele der thermischen Einheit 7. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
8A zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Zwischenspeicherungseinrichtung 19 diskrete, voneinander beabstandete Ebenen umfasst. Innerhalb der Ebenen herrscht bevorzugt eine homogene Temperaturverteilung, während – in Längsrichtung gesehen – über die Ebenen hinweg ein vorzugsweise linearer Temperaturgradient verwirklicht ist. Es ist möglich, zwischen den in 8A dargestellten Ebenen Isolierschichten vorzusehen. Beispielsweise können die einzelnen Ebenen Bleche umfassen, auf denen als Isolierschicht Backlack aufgetragen ist. Isolierschichten sind auch in einem Schwallgussverfahren herstellbar.
Aus 8A wird auch deutlich, dass der kalte Energietauscher 17 bevorzugt eine größere Oberfläche aufweisen kann als der heiße Energietauscher 15. Dies ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch verwirklicht, dass der kalte Energietauscher 17 – in Längsrichtung gesehen – länger ausgebildet ist. Auf diese Weise kann in dessen Bereich bei niedrigerer Temperatur eine ähnliche oder gleiche Energiemenge übertragen werden wie im Bereich des heißen Energietauschers 15 bei höherer Temperatur.
8B zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Zwischenspeicherungseinrichtung 19 mit einer aufgelösten, regelmäßigen Struktur. Diese umfasst beispielsweise in verschiedenen Ebenen angeordnete Drähte oder Drahtgeflechte.
8C zeigt eine Zwischenspeicherungseinrichtung 19 mit unregelmäßiger Struktur. Beispielsweise kann hier ein gepresstes Gestrick und/oder Gewirk, eine Art Wolle, beispielsweise Stahlwolle, oder ein anderes geeignetes Material vorgesehen sein. Ein Gestrick beziehungsweise Gewirk ist vorteilhaft, weil es eine geringe Wärmeleitfähigkeit in Längsrichtung, zugleich aber eine hohe Wärmespeicherfähigkeit aufweist. Insbesondere ist die große Oberfläche des Gestricks beziehungsweise Gewirks vorteilhaft. Sie ermöglicht einen besonders effizienten, dynamischen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsgas und dem Gestrick beziehungsweise Gewirk.
Die Erstreckung der thermischen Einheit 7 – in Längsrichtung gesehen –, also ihre Länge, wird bevorzugt auf den Außendurchmesser des Kolbenelements 13 abgestimmt. Vorzugsweise weist sie einen Betrag auf, der größer oder gleich dem Außendurchmesser des Kolbenelements 13 oder kleiner oder gleich dem zweifachen Außendurchmesser des Kolbenelements 13 ist. Ganz besonders bevorzugt beträgt die Länge der thermischen Einheit das 1,5-fache des Außendurchmessers des Kolbenelements 13. Wird ein sehr großer Hub für das Kolbenelement 13 gewählt, kann die thermische Einheit 7 auch länger sein.
Der Hub des Kolbenelements 13 ist bevorzugt größer oder gleich der Länge der thermischen Einheit 7. Er kann im Prinzip beliebig lang gewählt werden, wobei mit längerem Hub der Wirkungsgrad des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1 steigt. Letztlich führen praktische Erwägungen zu einer Begrenzung des Hubs, insbesondere wenn das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 in ein Einfamilienhaus integriert werden soll. Ganz besonders bevorzugt beträgt der Hub etwa das 10-fache, insbesondere das 12-fache des Außendurchmessers des Kolbens.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Außendurchmesser des Kolbenelements 13 10 cm betragen. Der Hub beträgt dann bevorzugt 1,2 m. Wie bereits angedeutet ist es möglich, die Leistungsabgabe des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1 dadurch zu regeln, dass der Kolbenhub insbesondere über eine Öffnung von Abgängen 67, 67' eingestellt wird.
Der Durchmesser des Kolbenelements 13 kann im Prinzip beliebig groß gewählt werden. Insbesondere treten dank des Ringspalts 39 keine Toleranzprobleme auf, die andernfalls eine Passung zwischen dem Zylinder 11 und dem Kolbenelement 13 bei großen Dimensionen erschweren würden.
9 zeigt eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1 gemäß 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Allerdings wird in 9 explizit auf verschiedene Regelungsmechanismen für das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 eingegangen. Es werden daher nicht alle in 1 dargestellten Bezugszeichen wiederholt.
Das Energiewandlungssystem 1 umfasst bevorzugt mindestens eine Regelungseinheit, durch die eine Leistungsabgabe desselben regelbar ist.
Die Regelungseinheit umfasst bevorzugt mindestens ein Mittel, mit dem das für das Arbeitsgas zur Verfügung stehende Volumen veränderbar ist.
In 9 werden verschiedene Ausführungsbeispiel einer Regelungseinheit dargestellt, die einzeln oder miteinander kombiniert bei dem thermoakustischen Energiewandlungssystem 1 vorgesehen sein können.
Ein erstes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die starre Wand 23 im Reflexionsbereich 21 – wie durch einen Doppelpfeil D angedeutet in Längsrichtung gesehen – verlagerbar ist. Es ist bevorzugt ein Balg, insbesondere Faltenbalg 87 vorgesehen, um die Verlagerung zu ermöglichen. Vorzugsweise ist die Verlagerung der starren Wand 23 von außerhalb des Gehäuses 3 aus steuer- beziehungsweise einstellbar. Durch eine Verlagerung der starren Wand 23 ist das dem Arbeitsgas im Reflexionsbereich 21 zur Verfügung stehende Volumen veränderbar. Sinkt dieses, sinkt auch der Masse- und damit Wärmestrom durch die thermische Einheit 7 und damit die Leistungsabgabe. Letztlich ändert sich der Temperaturgradient in der thermischen Einheit 7, weil der Wärmeaustausch im Bereich der Energietauscher 15, 17 und der Zwischenspeicherungseinrichtung 19 durch den geänderten Massestrom beeinflusst wird. Insbesondere auch im Bereich der Energietauscher 15, 17 stellt sich dann eine andere Temperatur ein. Auch die Eigenfrequenz des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1 ist durch eine Verlagerung der Wand 23 einstellbar.
Das dem Arbeitsgas im Reflexionsbereich 21 zur Verfügung stehende Volumen kann auch durch einen in dem Reflexionsbereich 21 angeordneten Körper 89 mit variablem Volumen verändert werden. Bevorzugt ist der Körper 89 aufblasbar, besonders bevorzugt von außen aufblasbar. Jedenfalls ist das Volumen des Körpers 89 bevorzugt von außerhalb des Gehäuses 3 einstellbar beziehungsweise änderbar.
Bevorzugt ist der Körper 89 als Ballon ausgebildet. Es ist eine Zuleitung 91 vorgesehen, mithilfe derer das Volumen des Körpers 89 – vorzugsweise durch Aufblasen oder durch Ablassen von Druck – vergrößert oder verkleinert werden kann. Die Volumenänderung des Körpers 89 führt unmittelbar zu einer Änderung des dem Arbeitsgas im Reflexionsbereich 21 zur Verfügung stehenden Volumens. Die Regelung wirkt auf den Wärmetransport in der thermischen Einheit 7 und damit auf den Temperaturgradienten. Bei sinkendem Volumen des Reflexionsbereichs 21 sinkt der Wärmestrom und damit auch die Leistungsabgabe. Auch die Eigenfrequenz des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1 wird geändert.
Schließlich ist das dem Arbeitsgas zur Verfügung stehende Volumen durch eine Vorrichtung 93 zum Verschließen mindestens eines Kanals 71 der thermischen Einheit 7 veränderbar. Die Vorrichtung 93 umfasst mindestens einen, bevorzugt mehrere vorzugsweise strömungsgünstig geformte, beweglich angeordnete Verschlusskörper, von denen hier beispielhaft einer mit dem Bezugszeichen 95 gekennzeichnet ist. Die Vorrichtung 93 ist bevorzugt von außerhalb des Gehäuses 3, besonders bevorzugt mithilfe einer Betätigungsmimik 97, betätigbar.
Besonders bevorzugt sind auf beiden Seiten der thermischen Einheit 7 – in Längsrichtung gesehen – Verschlusskörper 95 vorgesehen, sodass die Kanäle 71 beidseitig verschließbar sind, um Fehlströmungen in einseitig geschlossene Kanäle 71 zu vermeiden.
Durch ein Verschieben der Verschlusskörper 95 können sehr schnell große Volumenbereiche mit den entsprechenden Oberflächen für die Energieübertragung im Bereich der thermischen Einheit 7 aktiviert beziehungsweise abgestellt werden. Die Regelung wirkt daher über den Expansionsdruck auf die Leistungsabgabe.
Es ist möglich – in radialer Richtung gesehen –, nur innere Kanäle 71 der thermischen Einheit 7 zu verschließen. Es ist auch möglich – in radialer Richtung gesehen –, nur äußere Kanäle 71 zu verschließen. Das Verschließen ausschließlich innerer Kanäle 71 wirkt sich vorteilhaft auf die Regelgeschwindigkeit aus. Da im inneren Bereich die Temperaturverteilung auch ohne Durchsetzen der Kanäle 71 mit Arbeitsgas länger erhalten bleibt als im äußeren Bereich, kann eine weggeschaltete Leistung rasch wieder zugeschaltet werden. Es braucht dann keine lange Zeit zur erneuten Einstellung der Temperaturverteilung.
Schließlich ist es möglich, die Kanäle 71 gemäß einem Muster zu verschließen. Beispielsweise kann jeder zweite Kanal verschlossen werden. Dies ist vorteilhaft, weil sich so nur eine sehr geringe Störung des Temperaturgradienten ergibt.
Letztlich ist das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 auch komplett ab- beziehungsweise zuschaltbar, indem alle Kanäle 71 der thermischen Einheit 7 komplett verschlossen beziehungsweise geöffnet werden. Dabei bleibt der Temperaturgradient über die thermische Einheit 7 durch die bestehende Energiezufuhr beziehungsweise -abfuhr über die Energietauscher 15, 17 erhalten. Daher ist das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 durch ein Öffnen der Kanäle 71 quasi sofort wieder anfahrbar. Insbesondere muss nicht erst eine Einstellung des Temperaturgradienten abgewartet werden.
Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn mehrere thermoakustische Energiewandlungssysteme 1 zusammengeschaltet sind. Diese können vorzugsweise jedes eine eigene elektromechanische Energiewandlungseinheit 25 aufweisen, sie können aber auch gemeinsam auf eine elektromechanische Energiewandlungseinheit 25 wirken. Jedenfalls sind für eine schnelle Leistungsregelung einzelne thermoakustische Energiewandlungssysteme 1 rasch durch komplettes Verschließen der Kanäle 71 der thermischen Einheit 7 abschaltbar beziehungsweise durch Öffnen der Kanäle 71 wieder zuschaltbar. Die Leistung kann so sehr schnell und sehr flexibel geregelt werden.
Die thermoakustischen Energiewandlungssysteme 1 können gleichsam in Reihe oder parallel geschaltet werden. Sind sie in Reihe geschaltet, wird der Ausgang des heißen Energietauschers 15 eines ersten Systems mit dem Eingang des heißen Energietauschers 15 eines zweiten Systems verbunden. Dieses Schaltmuster wird fortgesetzt. Vorzugsweise wird entsprechend mit den Ein- und Ausgängen der kalten Energietauscher 17 verfahren. Um die Systeme parallel zu schalten, werden bevorzugt die Eingänge der heißen Energietauscher 15 mit einem Knoten einer Energiezufuhr verbunden. Entsprechend wird mit den Ausgängen verfahren. Vorzugsweise wird auch entsprechend mit den Ein- beziehungsweise Ausgängen der kalten Energietauscher 17 verfahren. Es ist auch möglich, die thermoakustischen Energiewandlungssysteme bezüglich ihrer heißen Energietauscher 15 in Reihe und bezüglich ihrer kalten Energietauscher 17 parallel oder umgekehrt zu schalten.
Insoweit umfasst die Erfindung auch ein Ensemble aus mindestens zwei thermoakustischen Energiewandlungssystemen 1, welche auf eine der beschriebenen Weisen zusammenwirken. Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Ensembles, bei welchem eine Regelung der durch das Ensemble abgebbaren Leistung vorgenommen wird, indem einzelne thermoakustische Energiewandlungssysteme 1 mithilfe der Vorrichtung 93 ab- beziehungsweise zugeschaltet werden.
Die Regelungseinheit umfasst bevorzugt Mittel, mit denen der Hub der mechanischen Einrichtung 9 einstellbar ist. Beispielsweise können Abgänge 67, 67' vorgesehen sein, die – wie bereits beschrieben – zur Regelung des Hubs öffen- beziehungsweise verschließbar sind. Das in 9 dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst eine Hubeinstellvorrichtung 99, mithilfe derer ein Anlenkpunkt 101 – wie durch einen Doppelpfeil D' angedeutet in radialer Richtung – an dem Schwungrad 31 verschoben werden kann. Hierdurch ist ein Hub des Kolbenelements 13 beziehungsweise der mechanischen Einrichtung 9 einstellbar.
Über den variablen Hub kann das Kompressionsvolumen des thermoakustischen Energiewandlungssystems 1 verändert werden. Vorzugsweise ist der Hub sowohl im Ruhezustand als auch im Betrieb einstellbar. Insbesondere wird bevorzugt, dass im Betrieb der Einrichtung keine Vorrichtung vorgesehen sein muss, die zusätzliche Kräfte zur Hubeinstellung bereitstellt. Insoweit werden bevorzugt die ohnehin im System auftretenden Kräfte zur Einstellung herangezogen. Dies kann beispielsweise durch phasenrichtige Aktivierung der Hubeinstellvorrichtung 99 erfolgen, sodass eine Aus- oder Einwärtsbewegung des Anlenkpunkts 101 aufgrund der Fliehkraft oder der durch das Kurbelgestänge 27 eingeleiteten Kräfte erfolgt. Die Regelung wirkt im Wesentlichen über die Drehzahl auf die Leistungsabgabe.
Schließlich wird eine Regelungseinheit bevorzugt, welche von der elektromechanischen Energiewandlungseinheit 25 umfasst ist. Insbesondere kann diese Mittel zur Regelung der abgebbaren elektrischen Leistung umfassen.
Es ist auch möglich, die elektromechanische Energiewandlungseinheit 25 mit einem externen Energiezwischenspeicher, beispielsweise einem Akkumulator, einer Batterie oder einem Kondensator zu verbinden. Dieser wirkt als Puffer und kann der Leistungsregelung dienen. Er ist bevorzugt mit einem Wechselrichter zur Erzeugung einer für das Stromnetz geeigneten Wechselspannung verbunden. Dieser kann je nach angeforderter Leistung des Energiezwischenspeichers mehr oder weniger Energie entnehmen und in das Netz einspeisen. Vorzugsweise ist auch eine Rückspeisung aus dem Netz in den Energiezwischenspeicher möglich, wenn im Stromnetz mehr Energie zur Verfügung steht als momentan angefordert wird.
Mit dem Energiezwischenspeicher kann ein thermoakustisches Energiewandlungssystem 1 verbunden sein. Es ist aber auch möglich, mehrere thermoakustische Energiewandlungssysteme 1 mit einem Energiezwischenspeicher zu verbinden. Dieser kann zunächst Leistungsspitzen abpuffern. Dauert eine hohe Leistungsanforderung an, können thermoakustische Energiewandlungssysteme 1 zugeschaltet oder bezüglich ihrer Leistung hochgeregelt werden. Durch einen solchen Cluster an thermoakustischen Energiewandlungssystemen 1 ist es insbesondere möglich, Systeme mit konstanter Leistungsabgabe oder mit sehr einfacher Regelung einzusetzen, weil die Regelung im Wesentlichen über den Energiezwischenspeicher erfolgt.
Das hier vorgeschlagene thermoakustische Energiewandlungssystem 1 weist bevorzugt einen Wirkungsgrad von ungefähr 40% auf.
Es zeigt sich insgesamt, dass das thermoakustische Energiewandlungssystem 1 und die thermische Einheit 7 kostengünstig und einfach herstellbar, dabei dauerfest und leicht regelbar sind. Sie sind daher vielfältig und flexibel für verschiedenste Anwendungen einsetzbar.

Claims

Thermoakustisches Energiewandlungssystem, mit – einem Gehäuse (3), – einem in dem Gehäuse (3) unter Überdruck vorgesehenen Arbeitsgas, – einem Zylinder (11) und – einem in dem Zylinder (11) beweglich angeordneten Kolbenelement (13), dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (13) eine inhärente Stabilisierungseinrichtung aufweist.
Thermoakustisches Energiewandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser des Kolbenelements (13) kleiner ist als ein Innendurchmesser des Zylinders (11), und dass die Stabilisierungseinrichtung mindestens einen, das Kolbenelement (13) – in radialer Richtung gesehen – durchsetzenden Kanal (41) umfasst.
Thermoakustisches Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungseinrichtung mindestens ein im Inneren des Kolbenelements (13) vorgesehenes Ausgleichsvolumen umfasst.
Thermoakustisches Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungseinrichtung eine das Kolbenelement (13) – in Längsrichtung gesehen – durchsetzende Bohrung (61) umfasst, die mit einem die Bohrung durchgreifenden Führungselement (63) zusammenwirkt.
Thermoakustisches Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (13) an seiner äußeren Mantelfläche (35) eine reibungsarme Beschichtung aufweist, wobei es vorzugsweise mindestens eine Dichtlippe umfasst, die mit einer Innenwandung des Zylinders (11) zusammenwirkt.
Thermoakustisches Energiewandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektromechanische Energiewandlungseinheit (25), die in dem Gehäuse (3) angeordnet und von dem unter Überdruck stehenden Arbeitsgas umgeben ist.
Thermische Einheit für ein thermoakustisches Energiewandlungssystem (1), mit – einem ersten und einem zweiten Energietauscher (15, 17), – einer Zwischenspeicherungseinrichtung (19), durch die der erste und der zweite Energietauscher (15, 17) beabstandet sind, wobei – der erste und der zweite Energietauscher (15, 17) in thermischen Kontakt zu der Zwischenspeicherungseinrichtung (19) stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energietauscher (15), die Zwischenspeicherungseinrichtung (19) und der zweite Energietauscher (17) einstückig ausgebildet sind.
Thermische Einheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energietauscher (15), die Zwischenspeicherungseinrichtung (19) und der zweite Energietauscher (17) aus einem gleichen Material bestehen oder verschiedene, miteinander verbundene Materialien umfassen.
Thermische Einheit nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Einheit (7) Kunststoff, Keramik, Glas oder künstliches Gestein, bevorzugt faserverstärkten Kunststoff, faserverstärkte Keramik oder faserverstärktes künstliches Gestein, oder bewehrtes künstliches Gestein umfasst.
Thermische Einheit nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Einheit (7) im Schwallgussverfahren und/oder im Zweikomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt ist.
Thermische Einheit nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeeinleitung im Bereich des ersten Energietauscher (15) in einem äußeren Umfangsbereich der thermischen Einheit (7), innerhalb der thermischen Einheit (7) in einem vorbestimmten Bereich, oder räumlich verteilt innerhalb der thermischen Einheit (7) erfolgt, wobei als Energiequelle bevorzugt ein heißes Medium, eine Wärmetransporteinrichtung, ein in thermischem Kontakt mit der thermischen Einheit (7) stehender heißer Körper, Wärmestrahlung oder Licht vorgesehen ist.
Thermoakustisches Energiewandlungssystem, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine thermische Einheit (7) nach einem der Ansprüche 7 bis 11.
Thermoakustisches Energiewandlungssystem mit – einem von einem Gehäuse (3) umschlossenen Volumen für ein Arbeitsgas, – einer thermischen Einheit (7), die einen ersten und einen zweiten Energietauscher (15, 17) sowie eine Zwischenspeicherungseinrichtung (19) umfasst, – einer auf einer ersten Seite der thermischen Einheit (7) angeordneten mechanischen Einrichtung (9) zur Entnahme mechanischer Energie, – einem auf einer zweiten Seite der thermischen Einheit (7) angeordneten Reflexionsbereich (21), gekennzeichnet durch eine Regelungseinheit zur Regelung einer Leistungsabgabe des thermoakustischen Energiewandlungssystems (1).
Thermoakustisches Energiewandlungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinheit mindestens ein Mittel umfasst, mit dem ein für das Arbeitsgas zur Verfügung stehende Volumen veränderbar ist, wobei das Mittel bevorzugt eine Vorrichtung (93) zum Verschließen mindestens eines Kanals (71) der thermischen Einheit (7) und/oder einen im Reflexionsbereich (21) angeordneten Körper (89) mit variablem Volumen und/oder eine in dem Reflexionsbereich (21) vorgesehene verlagerbare Wand (23) umfasst.
Thermoakustisches Energiewandlungssystem nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinheit Mittel umfasst, mit denen ein Hub der mechanischen Einrichtung (9) veränderbar ist.
Thermoakustisches Energiewandlungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch eine elektromechanische Energiewandlungseinheit (25), welche die Regelungseinheit, insbesondere Mittel zur Regelung der abgebbaren elektrischen Leistung umfasst.
Thermoakustisches Energiewandlungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoakustische Energiewandlungssystem (1) ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist und bevorzugt eine thermische Einheit (7) nach einem der Ansprüche 7 bis 12 umfasst.