DE202019004816U1

DE202019004816U1 - Alpha Stirling engine with regenerator

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Publication number: DE202019004816U1
Application number: DE202019004816.2U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2029-11-27

Abstract

Alpha-Stirlingmotor, dadurch gekennzeichnet, dass sechs Arbeitskolben (5a-f) in sechs Zylinder (4a-f) in zwei Zylindersträngen (4a-f) angeordnet sind.

Alpha Stirling engine, characterized in that six working pistons (5a-f) are arranged in six cylinders (4a-f) in two cylinder trains (4a-f).

Description

Die Erfindung betrifft einen Stirlingmotor vom Typ Alpha, bestehend aus sechs Arbeitszylinder mit sechs Arbeitskolben zu zwei Arbeitseinheiten in symmetrischer Anordnung. Die drei Zylinder des ersten Zylinderpaares sind mit einer hohlwandigen Ummantelung umgeben, durch dass ein Wärmeträgermedium von einer Solarthermieanlage fließt. Das zweite Zylinderpaar mit seinen drei Zylinderkammern verfügen auch über eine doppelwandige Vorrichtung zwecks Kühlung. Zwischen den Zylindersträngen befinden sich drei Regeneratoren.The invention relates to a Stirling engine of the Alpha type, consisting of six working cylinders with six working pistons for two working units in a symmetrical arrangement. The three cylinders of the first pair of cylinders are surrounded by a hollow-walled jacket, through which a heat transfer medium flows from a solar thermal system. The second pair of cylinders with its three cylinder chambers also have a double-walled device for cooling. There are three regenerators between the cylinder trains.

Hocherhitztes Thermoöl verteilt sich um die ersten drei Arbeitszylinder. Durch zyklische Bewegungen gelangt das Arbeitsgas vom erwärmten Expansionsbereich durch den Regenerator in den kalten Zylinderbereich. Hier dehnt sich das Gas aus und setzt über Kolben- und Pleuelstangen die Kurbelwelle in eine Kreisbewegung. Die Kraft kann zum Antrieb eines Generators führen.Highly heated thermal oil is distributed around the first three working cylinders. Through cyclical movements, the working gas passes from the heated expansion area through the regenerator into the cold cylinder area. Here the gas expands and sets the crankshaft in a circular motion via piston and connecting rods. The force can drive a generator.

Nachteile bei dieser Bauart entstehen, wenn die Temperaturschwankungen zwischen der kalten und warmen Zone nicht optimal geregelt wird. Eine dysfunktionale Temperaturregelung bedeutet eine spürbare Verminderung der erzeugten Arbeitsleistung.Disadvantages with this design arise if the temperature fluctuations between the cold and warm zones are not optimally controlled. Dysfunctional temperature control means a noticeable reduction in the work performed.

Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, eine Anordnung der anfangs genannten Bauart zu konstruieren, der den dargestellten Nachteil beseitigen soll.The object of the invention is seen in constructing an arrangement of the type mentioned at the outset, which is intended to eliminate the disadvantage illustrated.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, einen Regenerator mit kreisrunden, hohlen Kupferleitungen und Drosselklappen an der Stirnseite des Zu- und Abströmkanals des Wärmespeichers zu installieren.The object of the invention is to install a regenerator with circular, hollow copper lines and throttle valves on the end face of the inflow and outflow channel of the heat accumulator.

Das Ziel ist, durch eine verbesserte, technische Regeneratorgestaltung, einen hohen Leistungswirkungsgrad zu generieren. Die Funktion des Regenerators ist so konzipiert, dass das erhitzte Fluid in seinem Strömungsverlauf am Ende des Strömungskanal zur kalten Zone durch eine Drosselklappe reguliert wird. Aufgrund des verdichteten Arbeitsdrucks kann das abgekühlte Gas nicht in den Zuströmkanal zurückströmen. Der vorhandene Gegendruck schließt mittels einer Ventilklappe die Austrittsöffnung. Die Druckverhältnisse bewirken nun das Öffnen einer zweiten Klappe zum Abströmrohr. Das kalte Gas fließt jetzt in den vorgewärmten Bereich des Regenerators und dann in die Arbeitszylinder.The goal is to generate a high level of efficiency through improved, technical regenerator design. The function of the regenerator is designed so that the flow of the heated fluid at the end of the flow channel to the cold zone is regulated by a throttle valve. Due to the compressed working pressure, the cooled gas cannot flow back into the inflow channel. The existing back pressure closes the outlet opening by means of a valve flap. The pressure conditions now cause a second flap to open the outflow pipe. The cold gas now flows into the preheated area of the regenerator and then into the working cylinders.

Der Zuström- und Abströmbereich des Regenerators ist mit runden und hohlen Kupferleitungen ausgekleidet, die die Temperaturen des Arbeitsgases zwischen dem warmen und kalten Zylinderbereich regulieren. Der Vorgang wiederholt sich zyklisch. Das Ergebnis ist eine optimierte Temperaturregelung des Hin- und Herströmenden Fluids während des wechselseitgen Öffnen und Schließen der Steuerklappen.The inflow and outflow area of the regenerator is lined with round and hollow copper pipes that regulate the temperatures of the working gas between the hot and cold cylinder areas. The process is repeated cyclically. The result is an optimized temperature control of the back and forth flowing fluid during the mutual opening and closing of the control flaps.

Aus der nachfolgenden Beschreibung und der schematischen und perspektivischen Darstellungen des Stirlingmotors soll die Erfindung ausführlich erläutert werden.

1: Schematischer und perspektivischer Querschnitt des Alpha-Stirlingmotors.
2: Schematische Draufsicht des Alpha-Stirlingmotors.
3: Schematischer und perspektivischer Querschnitt des Regenerators des Alpha-Stirlingmotors.

The invention is to be explained in detail from the following description and the schematic and perspective representations of the Stirling engine.

1 : Schematic and perspective cross section of the Alpha Stirling engine.
2 : Schematic top view of the Alpha Stirling engine.
3 : Schematic and perspective cross section of the regenerator of the Alpha Stirling engine.

Wie aus den drei Darstellungen (1-3) zu ersehen ist, besteht der Alpha-Stirlingmotor aus sechs Arbeitskolben 5a-f die sich in sechs Arbeitszylinder 4a-f befinden. Dieses Konstrukt ist in Form zweier Zylindereinheiten symmetrisch angeordnet. Eine doppelwandige Ummantelung 6a-c, die um die Expansionszylinder 4a-c verlaufen, strömt hocherhitztes Thermoöl. Weiter sind die Kompressionszylinder 4d-f von hohlwandigen Kühlkörpern 7a-c ummantelt.As from the three representations ( 1-3 ) can be seen, the Alpha Stirling engine consists of six working pistons 5a-f which are divided into six working cylinders 4a-f are located. This construct is arranged symmetrically in the form of two cylinder units. A double-walled jacket 6a-c that around the expansion cylinder 4a-c run, highly heated thermal oil flows. Next are the compression cylinders 4d-f of hollow-walled heat sinks 7a-c jacketed.

Durch das Verschieben der heißen Temperatur aus den Ausdehnungszylinder 4a-c in den kühleren Bereich der Verdichtungszylinder 4d-f, wird durch das Arbeitsgas ein hoher Druck zwischen den Zylinderpaaren 4a-f aufgebaut. Luftkanäle verbinden die einzelnen Arbeitszylinder untereinander. Der Vorteil des Alpha-Stirlingmotors ist das Vermeiden von Totvolumen durch den Wegfall von Verdrängerkolben. Dadurch kann dieser Motortyp eine höhere Leistungdichte erzeugen als der Gamma-Stirlingmotor mit seinen Verdrängerkolben.By moving the hot temperature out of the expansion cylinder 4a-c in the cooler area of the compression cylinders 4d-f , the working gas creates a high pressure between the cylinder pairs 4a-f built up. Air ducts connect the individual working cylinders to each other. The advantage of the Alpha Stirling engine is the avoidance of dead volume by eliminating displacement pistons. This enables this engine type to generate a higher power density than the gamma Stirling engine with its displacement pistons.

Jetzt zum Regenerator:Now to the regenerator:

Die Erfindung betrifft einen Regenerator 8a-c zur kurzzeitigen Speicherung und Wiedergabe der Wärme eines abwechselnd in zwei Richtungen strömenden Abeitsmedium in einem Stirlingmotor des Typs Alpha.The invention relates to a regenerator 8a-c for the short-term storage and reproduction of the heat of an alternating flowing medium in a Stirling engine of the type Alpha.

Das Ziel des Regenerators ist es, die im Arbeitsgas nach Verlassen des Erhitzers mitgeführte Wärme möglichst vollständig an die Kupferschlangen 9g-l des Regenerators 8a-c abzugeben, bevor das Fluid in den Kühler eintritt. Wenn im nächsten Schritt des Arbeitszyklus das im Kühler abgekühlte Gas zurückströmt, soll die zuvor in der Kupferspirale 9g-l des Regenerators 8a-c gespeicherte Wärme wieder möglichst vollständig an das Arbeitsgas abgegeben werden, bevor es in die heiße Zone eintritt. Durch diese Funktion ergibt sich eine permanent heiße Seite und eine permanent kalte Seite des Regenerators.The aim of the regenerator is to transfer the heat carried in the working gas after leaving the heater as completely as possible to the copper coils 9g-l of the regenerator 8a-c dispense before the fluid enters the cooler. If the gas cooled in the cooler flows back in the next step of the work cycle, it should be in the copper spiral beforehand 9g-l of the regenerator 8a-c stored heat is given back to the working gas as completely as possible before it enters the hot zone. This function results in a permanently hot side and a permanently cold side of the regenerator.

Der Regenerator ist wie folgt aufgebaut:

Der Regenerator hat die Form eines Doppelzylinders, und an beiden Stirnseiten zwei Längskanäle mit kreisrunden Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen.

The regenerator is constructed as follows:

The regenerator has the shape of a double cylinder and two longitudinal channels on both ends with circular inlet and outlet openings.

Die Erfindung dient dazu, den erreichbaren Wirkungsgrad des Alpha-Stirlingmotors heraufzusetzen. Dies wird mit Hilfe einer Ventilklappensteuerung 9a-f erreicht, die das Arbeitsmedium auf einen verlustarmen Weg zwischen den Zylindern des Motors leitet. Durch diesen effizienten Weg wird Energie eingespart und der Gesamwirkungsgrad angehoben.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Austrittsöffnung des Strömungskanal vom Erhitzer zum Kühler mit einer Drosselklappe 9a-f versehen ist. Strömt Gas durch den Kanal, öffnet sich eine Ventilklappe. Ist das Gas abgekühlt, so schließt sich die Klappe 9a-f (aufgrund des gebildeten Gegendruck). Just in dem Moment öffnet eine zweite Klappe die Eintrittsöffnung zum Abströmkanal. Der Vorgang des Hin- und Herschieben und das Öffnen und Schließen der Drosselklappen wiederholt sich wechselseitig im periodischen Arbeitsrhytmus.The invention serves to increase the achievable efficiency of the Alpha Stirling engine. This is done with the help of a valve flap control 9a-f reached, which directs the working medium on a low-loss path between the cylinders of the engine. This efficient way saves energy and increases the overall efficiency.
The object is achieved in that the outlet opening of the flow channel from the heater to the cooler with a throttle valve 9a-f is provided. If gas flows through the channel, a valve flap opens. When the gas has cooled, the flap closes 9a-f (due to the back pressure formed). Just then a second flap opens the inlet opening to the outflow channel. The process of pushing back and forth and the opening and closing of the throttle valves is repeated alternately in the periodic working rhythm.

Das zyklische Verschieben des Wärmemediums von der heißen in die kalte Zone verursacht einen Druckanstieg im Kompressionszylinder. Der Druck versetzt die Arbeitskolben in eine Hubbewegung. Die generierten linearen Hin- und Her-Bewegungen der Kolben werden mit Hilfe der Doppel-Pleuelstangen 3a-d, die mit einer Kurbelwelle 2 verbunden sind, in eine Drehbewegung umgestzt. Die erzeugte Arbeitsleistung kann mechanisch an einen Generator weitergeleitet werden.
Die symmetrische Installation der beiden dreifach verschalteten Zylinderpaaren zu zwei Antriebssträngen, bewirkt einen höheren Energieoutput der Stirlingkonstruktion als bei einer parallelen Zylinderanordnung.The cyclical shifting of the heat medium from the hot to the cold zone causes an increase in pressure in the compression cylinder. The pressure sets the working pistons in a stroke movement. The linear reciprocating movements of the pistons are generated using the double connecting rods 3a-d that with a crankshaft 2 connected, converted into a rotational movement. The work generated can be mechanically forwarded to a generator.
The symmetrical installation of the two triply connected cylinder pairs into two drive trains results in a higher energy output of the Stirling construction than with a parallel cylinder arrangement.

Eine weitere Komponente stellt der Kompressor 10 dar. Er hat die Funktion, den Betriebsdruck in dem hermetisch verkapselten Motorgehäuse zu erhöhen. Der komprimierte Arbeitsdruck erzeugt eine zusätzliche Steigerung an mechanischer Leistung der Arbeitskolben. Eine zweite Nutzungsform ist die Abwärmeverwertung. Sie kann über einen geeigneten Wärmetauscher 11 in Verbindung mit einer Dampfturbine-Generator/Kombination 12 ergänzend elektrischen Strom produzieren.The compressor is another component 10 It has the function of increasing the operating pressure in the hermetically encapsulated motor housing. The compressed working pressure creates an additional increase in the mechanical performance of the working pistons. A second form of use is waste heat recovery. You can use a suitable heat exchanger 11 in connection with a steam turbine generator / combination 12 also produce electrical power.

Die dargestellte Konfiguration der einzelnen Konstruktionselemente zu einer Wärmekraftmaschine ermöglicht ein Maximum an Arbeitsleistung im Niedertemperaturbereich.The configuration of the individual construction elements shown to form a heat engine enables maximum work performance in the low temperature range.

Claims

Alpha Stirling engine, characterized in that six working pistons (5a-f) are arranged in six cylinders (4a-f) in two cylinder trains (4a-f).

Alpha Stirling engine after Claim 1 , characterized in that three cylinders (4a-c) of the first pair of cylinders (4a-c) are surrounded by hollow-walled casings (6a-c) through which a heat transfer medium flows.

Alpha Stirling engine after Claim 1 to 2 , characterized in that between the two symmetrically arranged triple cylinder rows (4a-f) three regenerators (8a-c) for temperature control between the three warm cylinder chambers (4a-c) and the three cold cylinder bodies (4d-f) are installed.

Alpha Stirling engine after Claim 1 to 3 , characterized in that the three regenerators (8a-c) on the front side of the flow channel openings to the cold zone are provided with throttle valves (9a-f) and copper pipe coils (9g-l. They optimize the temperature and flow behavior between the two cylinder strands (4a -f).

Alpha Stirling engine after Claim 1 to 4 , characterized in that the cylinder unit (4d-f) are surrounded by three double-walled heat sinks (7a-c).

Alpha Stirling engine after Claim 1 to 5 , characterized in that the two piston units (5a-f) are mechanically connected to the crankshaft (2) via two double connecting rods (3a-d).

Alpha Stirling engine after Claim 1 to 6 , characterized in that a compressor (10) ensures an optimal working pressure in the hermetically encapsulated housing.

Alpha Stirling engine after Claim 1 to 7 , characterized in that the waste heat of the working medium can be used to generate electricity via a heat exchanger (11) and a steam turbine / generator combination (12).