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Dokumentenidentifikation DE102004047054A1 30.11.2006
Titel Modifikation Flachplatten-Stirlingmotor und Prozessanbindung
Anmelder Post, Hugo, 72663 Großbettlingen, DE
Erfinder Post, Hugo, 72663 Großbettlingen, DE
DE-Anmeldedatum 28.09.2004
DE-Aktenzeichen 102004047054
Offenlegungstag 30.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.11.2006
IPC-Hauptklasse F02G 1/043(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]
Anwendungsgebit:

Zusätzliche Energienutzung aus Prozesswärme durch Kraft-Wärmekopplung im Niedrigtemperaturbereich. Die erzeugte mechanische Energie wird über einen elektrischen Generator in das Elektronetz eingespeist. Die verbleibende Wärmeenergie wird auf niedrigerem Temperaturniveau dem Ursprungsprozess wieder zugeführt oder anderweitig genutzt.

Flachplatten-Stirlingmotor – entwickelt von Prof. Dr. Ivo Kolin, University of Zagreb – bestehend als Entwicklung zur Umsetzung von Wärmeenergie bei geringen Temperaturdifferenzen in mechanische Arbeit – jedoch ausschliesslich in "kleinerer" Einheiten mit wenigen Watt mechanischer Leistung und im Wesentlichen zur solarthermischen Nutzung (Wasserpumpen, kleine elektrische Generatoren) in Entwicklungsländern (geringe technische Ansprüche und geringe Kosten).

Nachteile der Technik:

Wie zuvor ausgeführt eignen sich die bisher auf diesem Sektor entwickelten Einheiten nicht zur großtechnischen Nutzung im KW-Bereich. Dies beruht im Wesentlichen auf der allgemeinen Maschinenkonstruktion, der Energiezufuhr zur Einheit und der begrenzten Möglichkeit zur Anpassung an Variationen wie Steuerung/Regelung der Verdrängerplatte (Regenerator) und Einstellmöglichkeiten bei verschiedenen Wärmeträgern und Baugrößen.

Aufgabe der Erfindung:

Die beschriebenen Nachteile der vorhandenen Technik bei der großtechnischen Nutzung in Verbindung mit verschiedenen Abwärmequellen im Niedrigtemperaturbereich werden durch nachfolgende Maßnahmen behoben:

  • – die Einbringung der Energie durch – in die Einheit – integrierte Wärmetauscher wird erheblich verbessert und die Anordnung der Einheit ist räumlich unabhängig von der Energiequelle
  • – die Luftverwirbelung innerhalb der Einheit und die Geschwindigkeit des Energietransfer's zwischen warmer und kalter Seite kann entsprechend den Anlagenbedingungen (Anlagengröße, Austauschermedium, Temperaturdifferenz) durch entsprechende Einstellmöglichkeiten angepasst werden
  • – die mechanische Belastung der bewegten Verdrängerplatte wird in Hinblick auf die großtechnische Anwendung verringert

Lösung der Aufgabe:

  • .1 Die Einbringung der Wärme- bzw. Kälteenergie die für die größtmögliche Temperaturdifferenz (und damit Wirkungsgrad) wichtig ist erfolgt über Wärmetauscherrohre mit Lamellen.

    Durch die mit Lamellen versehenen Rohre (weitestgehend handelsübliche Rohre aus dem Kühlerbau der Autoindustrie) besteht eine große Austauschfläche zwischen dem Energieträger (wasserführende Rohre als Kühler oder Erhitzer) und dem Zwischenmedium zum Energietransport (z.B. Luft oder Helium).

    Durch die Einbringung bzw. Abnahme der thermischen Energie in die Einheit kann die Maschine räumlich unabhängig von der Energiequelle aufgestellt werden.
  • .2 Die Leistung der Maschine kann durch Regelung der Energiezufuhr gezielt geregelt werden.
  • .3 Die Geschwindigkeit des Wechsel's der Verdrängerplatte (Regenerator) einschliesslich der Verweilzeiten an der kalten und warmen Seite kann nach Bedarf durch Veränderung des Angriffspunktes an der Schwungscheibe oder Excenter der Kurbelwelle sowie durch Verstellung der Mitnehmer an dem Bewegungsgestänge optimal an die jeweilige Anlagensituation angepasst werden (z.B. Variation des Materials in der Verdrängerplatte Kupfer, Aluminium, Stahlwolle oder Austauschermedium z.B. Luft, Helium).
  • .4 mehrere Einzeleinheiten werden bei größeren Energieeinheiten über eine gemeinsame "Kurbelwelle" zusammengeführt und arbeiten gemeinsam auf einen Generator wobei z.B. bei der dargestellten Version mit 6 Einheiten durch den Versatz des Angriffspunktes der mechanischen Energie um 60 Grad ein ruhiger gleichmäßiger Lauf und ein selbsttätiger Anlauf gegeben sind.

Vorteile der Erfindung:

  • – großtechnischer Einsatz z.B. im Verbund bis 100 KW P el.
  • – unabhängige räumliche Aufstellung von Energiequelle und Stirlingeinheit
  • – Energiequellen mit geringer Temperaturdifferenz sind nutzbar z.B. großflächige solarthermische Anlagen, Abwärmenutzung bei BHKW, Abwärmenutzung in Industrieanlagen wie Giessereien, Kraftwerken usw.
  • – anpassbare Regelung der Energieerzeugung durch Variation der Energiezufuhr
  • – Weiterverwendung der verbleibenden thermischen Energie auf verringertem Temperaturniveau im Prozess oder an anderer Stelle
  • – Anpassbarkeit an verschiedene Medien, Materialien und Leistungsgrößen durch einstellbare Maschinenmechanismen

1. modifizierter Aufbau eines Flachplatten-Stirlingmotor's (auf der Grundidee von Prof. Dr. Ivo Kolin, Zagreb)

Der Flachplatten-Stirlingmotor nutzt die thermische Energie auf der Grundlage des Prinzip's von Rev. Robert Stirling aus dem Jahre 1816 mit der Eigenschaft, dass bereits bei sehr geringen Temperaturdifferenzen von dem Motor erkennbare bzw. nutzbare mechanische Leistung erzeugt werden kann.

Die beiliegenden Zeichnungen stellen Folgendes dar:

AI: Flachplatten-Stirlingmotor entsprechend der Entwicklung von Prof. Dr. Ivo Kolin mit der Ausrichtung auf relativ niedrige Leistungen durch Nutzung von Einstrahlungsenergie von der Sonne bei Verwendung einfachster mechanischer Konstruktionsteile. Diese Konstruktion bildet den Ausgangspunkt der vorliegenden Weiterentwicklung.

AII: modifizierter Flachplatten-Stirlingmotor gemäß vorliegender Patentanmeldung von H. Post mit wesentlichen Abänderungen in Hinblick auf großtechnische Nutzung

  • – Wärmetauscher in die Einheit integriert für Wärme- und Kälteeinbringung von externen Energiequellen
  • – geänderter steuerbarer Mechanismus zum zyklischen Transport der Verdrängerplatte (Regenerator) innerhalb der Einheit

Als "Einheit" ist vorstehend der – zur Erzeugung mechanischer bzw. elektrischer Energie – vorgesehene Flachplatten-Stirlingmotor bezeichnet.

2. Bildung einer großtechnischen Einheit zur Energieerzeugung mittels Flachplatten-Stirlingmotor

Die großtechnische Einheit wird von einer gemeinsamen Arbeits-/Abtriebswelle (Kurbelwelle) gebildet auf die mehrere Stirlingmaschinen als Antrieb wirken (in vorliegendem Beispiel 6 Einheiten) und bei der die Nutzenergie über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.

Durch den dargestellten Versatz der Einheiten um 60 Grad im Angriffspunkt entsteht eine große Laufruhe und die Einheit ist selbstanlaufend bei Einschaltung der Energiequelle.

Auf Grund der geringen Drehzahl (1 Sek. je Umdrehung) entstehen keine bzw. nur geringe Beanspruchungen der Lager. Die elektrische Energie wird mittels Ringgenerator und Frequenzumrichter an Spannung und Frequenz des EVU-Netzes angepasst bzw. synchronisiert.

Hierzu liegt die Zeichnung BI bei.

3. Nutzungsbeispiel zur Energienutzung im Niedertemperaturbereich

Ein Beispiel zur Nutzung im Niedertemperatur bereich liegt die Zeichnung CI bei.

Hierbei wird zunächst über ein Blockheizkraftwerk (BHKW) das von der Biogasanlage erzeugte Methangas verbrannt und anschliessend die Abwärme des BHKW aus Motor- und Abgaskühlung in einem weiteren Schritt ergänzend von einer Einheit mit 6 Flachplatten-Stirlingmotoren in elektrische Energie umgewandelt.

Die abgesenkte Temperatur auf der Austrittsseite der Kühler der Einheiten wird anschliessend dem Prozess zur Beheizung der Fermenter wieder zugeführt.

zur Zeichnung 1
1
Grundrahmen
2
Rückwand wärmeisoliert
3
Arbeitsplatte wärmeisoliert
4
Arbeitshebel Lagerung
5
Wärmetauscher kalt
6
Kühlwasser Eintritt
7
Kühlwasser Austritt
8
Wärmetauscher warm
9
Warmwasser Eintritt
10
Warmwasser Austritt
11
horizontale Schienen für die Verdrängerplatte
12
Verdrängerplatte (Regenerator)
13
Bewegungsgestänge Verdrängerplatte
14
Bewegungsgestänge vom Schwungrad oder Excenter
15
Mitnehmer für Positionswechsel Verdrängerplatte
16
Lager (Stangenführung) für Bewegungsgestänge
17
Arbeitsmedium z.B. Luft, Helium usw.
zur Zeichnung 2
1
Schwungscheibe
2
Lager Schwungscheibe
3
Schwungscheibenhebel oder Excenter bei Kurbelwelle
4
Langloch zur stetig anpassbaren Einstellung des Angriffspunktes für das Bewegungsgestänge
5
Drehpunkt Bewegungsgestänge
6
Bewegungsgestänge zur Verdrängerplatte
L1–L15
Wellen-Lagerböcke
S1, S2
Schwungräder
SG1–SG6
Steuergestänge
AG1–AG6
Arbeitsgestänge
K1–K6
Flachplatten-Stirlingmotor Einheit 1–6
G
Generator
W1–W6
Wellenstellung W1 = 0/360°
W2
= 60°
W3
= 120°
W4
= 180°
W5
= 240°
W6
= 300°
1
Feststoff Fermenter
2
Fermenterbeheizung
3
Gasdom
4
Gasreinigung
5
BHKW-Gasmotor
6
Abgaskamin
7
BHKW-Generator
8
Motor-Kühler
9
Abgas-Kühler
10
Kurbelwelle mit Schwungrad
11
Erhitzer
12
Regenerator
13
Kühler
14
Generator für Stirlingeinheit
15
Schaltfeld 400V, ca. 300 KVA
A
Biogasanlage
B
BHKW
C
Flachplatten-Stirlingmotor-Einheit, ca. 8 KW


Anspruch[de]
ortsunabhängige Energieeinbringung in einen Flachplatten-Stirlingmotor

Im Gegensatz zur bestehenden Entwicklung von Flachplatten-Stirlingmotoren auf Basis der Ausführung nach Prof. Dr. Kolin mit Einbringung der Energie aus direkter externer Strahlungsenergie (solarthermische Energie) erfolgt die Einbringung der Energie durch wasserführende Wärmetauscher die in dem Stirlingmotoe direkt eingebaut sind (siehe Zeichnung AII gemäß Blatt B).

Als besonderes Merkmal wird dabei daraufhingewiesen, dass keine "normalen" glatten Rohre eingesetzt werden sondern Rohre mit angebrachten Lamellen zur Vergrößerung der Austauscherfläche Wasser/Luft. Damit wird eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärme- bzw. Kälteübertragung erreicht.
Wärmetransport innerhalb des Stirlingmotor's

Im Gegensatz zur bestehenden Entwicklung mit einer Verdrängerplatte (Regenerator) die aus Styropor gefertigt ist oder aus Styropor mit eingelagerten Segmenten (Füllung mit Eisenspänen) besteht wird im bei vorliegender Neuentwicklung mit einer Verdrängerplatte mit Leichtmetallrahmen und variabler Füllung (je nach Einsatzfall Kupfer, Aluminium, Stahlspäne) gearbeitet. Die Späne werden dabei in dem Rahmen mit einem Metallgitter (z. B. handelsüblicher Fliegendraht) festgehalten. Die Dichte des Materials ist dabei so abgestimmt, dass eine maximale Wärmeleistungsübertragung bei geringsmöglichem Luftwiderstand (bei Bewegung der Platte) entsteht. Weiterhin erfolgt der Positionswechsel der Verdrängerplatte zwischen warmer und kalter Seite (bzw. umgekehrt) nicht durch ruckartige Umkippfunktionen mit Federkraft sondern über – in der Geschwindigkeit varierbare – Bewegungsgestänge. Die Verweilzeit an der warmen oder kalten Seite kann durch Einstellung der Mitnehmer am Bewegungsstelle eingestellt werden (siehe Zeichnung AII gemäß Blatt B).
Restwärmenutzung

Die sonst beim Ausgangsmodell von Prof. Dr. Kolin verlorene Wärmeenergie auf der kalten Seite wird vom Kühler aufgefangen und kann nutzbringend weiter verwendet werden, z. B. wie in der Zeichnung CI dargestellt für die Fermenterbeheizung in einer Biogasanlage.
Selbstanlauf und Laufruhe

Bei dem Grundmodell von Prof. Dr. Kolin erfolgt kein selbsttätiger Anlauf bei "Einschalten" der Energiequelle, d. h. es muß zum Anlauf ein externer "Startimpuls" gegeben werden.

Durch Aufbau einer Antriebswelle (Kurbelwelle) gemäß Zeichnung BI ergeben sich folgende Vorteile:

– Aufbau großtechnischer Einheiten durch Zusammenschalten mehrerer kleinerer Einheiten auf eine gemeinsam wirkende Abtriebswelle mit einem gemeinsamen Generator

– Laufruhe durch gleichmäßig versetzten Antriebs-Angriffspunkten an der gemeinsamen Welle

– Selbstanlauf durch den versetzten Arbeitspunkt der einzelnen Einheiten bei "Einschalten" der Energiequelle
universelle Nutzung von Niedertemperatur-Abwärme

Im Beispiel gemäß Zeichnung CI wird die Nutzung an Hand der Abwärmenutzung eines BHKW dargestellt.

Unter Berücksichtigung nutzbringender Investitionen (Ammortisation) können alle weiteren Nutzungen mit einer Mindest-Temperaturdifferenz des Energieniveau's von ca. 40 K als sinvoll angesehen werden wie z. B. Abwärme von Anlagen wie unter A, Punkt 8 aufgeführt.






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