DE19948808A1 - Regenerativer Wärmekraftkompressor - Google Patents

Abstract

Die wirkungsvollen Stirlingmotoren als Sonnenenergieumwandler konnten sich bisher auf dem Markt noch nicht durchsetzen, weil sie im Vergleich mit photovotaischen Anlagen teuer und aufwendig gebaut sind. DOLLAR A Durch eine Änderung des Verfahrens des Stirlingprozesses läßt sich der Arbeitskolben des Stirlingmotors reduzieren und statt dessen die isohore Zustandsänderungen des Stirlingprozesses zur Kompression des Gases ausnutzen. Ein so entstandener Wärmekraftkompressor, den man auch als Stirlingkompressor benennen kann, verdichtet das Gas nur mit Wärmeaufwand und mit Stirlingschen Wirkungsgrad. Durch einfachen und kompakten Bau eignet er sich als Sonnenenergieempfänger, insbesondere, daß man ihn parallel miteinander verbinden kann. Ein solches Netz mehrerer Kompressoren treibt ein gemeinsames Kraftwerk an. DOLLAR A Der Stirlingkompressor kann außer der Sonnenenergieanlagen auf jedem technischen Gebiet bei Verdichten des Gases verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmekraftkompressor zum Be­ treiben einer Sonnenenergieanlage mit einem Kraftwerk und einem Gas in geschlossenem Kreislauf. Solche Sonnenanlagen, wie z. B. Dish-Stirling System von Schlaich & Partner, mit Wärmekraftmaschinen, die als Stirlingmotoren in vielen Aus­ führungsarten bekanntgeworden sind, erreichen im Vergleich mit photovoltaischen Anlagen viel größeren Gesamtwirkungs­ grad. Trotzdem konnte der wirtschaftliche Durchbruch bei der Anwendung der Stirlingmotoren als Sonnenenergieumwan­ dler noch nicht erfolgen. Dies liegt hauptsächlich an der Herstellungskosten, die sich aus der Bauart der Stirlingmo­ toren ergeben.

Die Bau des Wärmekraftkompressors basiert nach dem Funk­ tionsprinzip des Stirlingmotors. Bei derartigen Motoren trennt ein Verdrängerkolben, der hin- und herbewegbar an­ geordnet ist, einen warmen kaum von einem kalten Raum, wo ein Arbeitskolben mit Phasenverschiebung arbeitet und zwischen dem warmen und kalten Raum eine Strömungsverbin­ dung über Erhitzer-Regenerator-Kühler vorgesehen ist. Die in warmen Raum zugeführte Wärme wird durch die Hin- und Herbewegung des Arbeitskolbens in Arbeit teilweise verwandelt.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren des Stirling­ prozesses so ändern, daß man auf den Arbeitskolben verzich­ ten kann und statt dessen das Gas zwischen zwei Druck­ behälter komprimieren. Dadurch läßt sich der Wärmekraft­ kompressor im Vergleich mit Stirlingmotor einfacher und kompakter bauen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der kalte Raum des Verdrängerszylinders über ein Einlaßrückschlagventil mit einem Zuführbehälter und über ein Auslaßrückschlagventil mit einem Abführbehälter verbunden ist. Dank der Rück­ schlagventilen wird das Gas während der isohoren Druck­ änderungen in dem Verdrängerzylinder aus dem Zuführbehälter in den Abführbehälter ohne Aufwand von mechanischer Arbeit verdichtet. Im idealen Fall verwandelt der Wärmekraft­ pressor den Zustand des Gases zwischen den beiden Behälter mit Stirlingschen Wirkungsgrad, der dem Carnotfaktor gleich ist.

Wegen seines kompakten Baues eignet sich der Wärmekraftkom­ pressor, den man auch als Stirlingkompressor bezeichnen kann, als ein Sonnenenergieempfänger in Solaranlagen, inbesonders daß eine parallele Verbindung mehrere Kom­ pressoren möglich ist. Jede von der Erhitzer ist mit Sonnenkolektor ausgerüstet und das komprimierte Gas aus dem Abführbehälter treibt ein gemeinsame Kraftwerk an.

Statt der inneren Kühlern der Kompressoren ist Anwendung eines gemeinsamen Außenkühlers besonders günstig. Trotz des kleineren thermischen Wirkungsgrades wird noch Nutzwärme aus dem Außenkühler wiedergewonnen. Unter Vernachlässigung der Verlusten, wie z. B. Wirkungsgrad des Kraftwerkes, kann die ganze empfangene Sonnenenergie ausgenutzt werden.

Fig. 1 zeigt schematische Darstellung des Wärmekraftkom­ pressors 10. Im wesentlichen besteht er aus einem Verdrän­ gerzylinder 11, in dem ein Verdrängerkolben 12 den warmen Raum 13 von den kalten Raum 14 trennt und hin- und herbewegbar von einer Antriebsvorrichtung 20 gelagert ist und zwischen den beiden Räumen 13, 14 eine Strömungsverbin­ dung über Erhitzer 15, Regenerator 16, Kühler 17 vorgesehen ist. Der kalte Raum 14 ist über ein Einlaßrückschlagventil 18 mit einem Zuführbehälter 21 und über ein Auslaßrück­ schlagventil 19 mit einem Abführbehälter 22 verbunden, so daß das Gas nur aus dem Zuführbehälter 21 über den kalten Raum 14 in den Abführbehälter 22 strömen kann. Während der Kolbenbewegung nach oben steht das Gas isohoren Zustands­ änderungen unter und wenn der Druck im Verdrängerzylinder 11 unten dem Druck im Zuführbehälter 21 absinkt, wird das Gas über Einlaßrückschlagventil 18 in den kalten Raum 14 angesaugt. Umgekehrt während der Kolbenbewegung nach unten, wenn der Druck im Verdrängerzylinder 11 den Druck in Ab­ führbehälter 22 übersteigt, wird das Arbeitsmedium über das Auslaßrückschlagventil 19 in den Abführbehälter 22 ver­ dichtet. Die beide Behälter 21, 22 sind mit einem Kraftwerk 24 verbunden, das als eine Kraftturbine, eine Kraftmaschine u. a. vorgesehen ist. Um die Toträume der Wärmetauschern 15, 16, 17 zu verkleinen und einen noch kompakteren Bau zu erreichen, ist ein Außenkühler 23 statt den Kühlern 17 vorgesehen. Bei einer solcher Lösung wird der kalte Raum 14 durch das aus dem Zuführbehälter 21 hereinströmende Gas und die Zylinderwände gekühlt.

Fig. 2 zeigt schematische Darstellung einer Sonnenenergie­ anlage mit mehrere parallel verbundene Wärmekraftkompresso­ ren 10. Jede von ihm ist mit einem auf die Sonne gerichte­ ten Sonnenkolektor ausgerüstet und die Rückschlagventile 18, 19 sind an einer Netz Verteilungsröhren 26 und Sammel­ röhren 27 angeschlossen. Das aus der Sammelröhre 27 strömende Gas füllt den Abführbehälter 22 auf, treibt das Kraftwerk 24 an, kehrt in den Zuführbehälter 21 zurück und wird wieder in Wärmekraftkompressoren 10 ver­ dichtet. Im Fall der Wärmetauschern ohne Kühlern 17 ist Anwendung eines gemeinsamen Außenkühlers 23 und wärme­ dämmender Isolierung 28 der Sammelröhren 27 vorgesehen. Die mit dem Kühlmittel 29 übertragene Wärme ist auf ver­ schiedene Weise ausnutzbar.

Bezugszeichen

10

Wärmekraftkompressor

11

Verdrängerzylinder

12

Verdrängerkolben

13

warmer Raum

14

kalter Raum

15

Erhitzer

16

Regenerator

17

Kühler

18

Einlaßrückschlagventil

19

Auslaßrückschlagventil

20

Antriebsvorrichtung des Verdrängerkolbens

21

Zuführbehälter

22

Abführbehälter

23

Außenkühler

24

Kraftwerk

25

Sonnenkolektor

26

Verteilungsröhre

27

Sammelröhre

28

wärmedämmende Isolierung

29

Kühlmittel

Claims (6)

1. Wärmekraftkompressor in welchem ein Verdrängerkolben, der in einem Verdrängerzylinder angeordnet ist und einen warmen Raum von einem kalten Raum trennt, hin- und her­ bewegbar von einer Antriebsvorrichtung gelagert ist und zwischen dem warmen und dem kalten Raum eine Strömungsver­ bindung über seriell verbundene Erhitzer, Regenerator, Kühler vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömungsverbindung aus einem Zuführbehälter (21) über ein Einlaßrückschlagventil (18) in den kalten Raum (14) und aus dem kalten Raum (14) über ein Auslaßrückschlagventil (19) in einen Abführbehälter (22) vorgesehen ist.

2. Wärmekraftkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das verdichtete Gas zwischen dem Auslaßrück­ schlagventil (19) und dem Abführbehälter (22) über einen Außenkühler (23) strömt.

3. Sonnenenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere mit Sonnenkolektoren (25) ausgerüsteten Wärmekraftkompressoren (10) über Verteilungsröhren (26) und Sammelröhren (27) mit dem Zuführbehälter (21) und dem Ab­ führbehälter (22) parallel verbunden sind.

4. Sonnenenergieanlage nach Anspruch 1, 2, 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das komprimierte Gas aus der Sammelröhren (27) über ein gemeinsamer Außenkühler (23) in den Abführbe­ hälter (22) strömt.

5. Sonnenenergieanlage nach Anspruch 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelröhren (27) mit einer wärme­ dämmenden Isolierung (28) isoliert sind und die aus dem Außenkühler (23) mit einem Kühlmittel (29) übertragene Wärme als Nutzwärme vorgesehen ist.

6. Sonnenenergieanlage nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß statt der Verteilungsröhren (26) und dem Zuführbehälter (21) die Erdatmosphäre vorgesehen ist und als Arbeitsmedium die Umgebungsluft dient.