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WO1992002724A2 - Verfahren zur umwandlung von wärme in kraft nach dem stirling-prinzip mit innerer verbrennung - Google Patents

Verfahren zur umwandlung von wärme in kraft nach dem stirling-prinzip mit innerer verbrennung Download PDF

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WO1992002724A2
WO1992002724A2 PCT/DE1991/000609 DE9100609W WO9202724A2 WO 1992002724 A2 WO1992002724 A2 WO 1992002724A2 DE 9100609 W DE9100609 W DE 9100609W WO 9202724 A2 WO9202724 A2 WO 9202724A2
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exhaust gas
power
internal combustion
heat
regenerator
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RSA-RABIEN STIRLING ANLAGEN KG
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G3/00—Combustion-product positive-displacement engine plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G3/00—Combustion-product positive-displacement engine plants
    • F02G3/02—Combustion-product positive-displacement engine plants with reciprocating-piston engines

Definitions

  • the starting niche for the new process is primarily engine power plants (combined heat and power plants) for environmentally friendly and decentralized heat and power coupling, which today operate almost exclusively according to the diesel or gas-Otto process.
  • Fig. 2 (TS diagram) schematically shows the solution: An exhaust gas-air mixture goes through a cycle from state 1 to 2, 3,, 5, 6 to 1. A counter-current cooling brings the exhaust gas-air mixture from state 6 to state 1. Between 1 and 2, a fraction of the circulating gas quantity is removed and through the same amount of combustion air replaced.
  • the exhaust air mixture is compressed, from 3 to - ⁇ from a heater. memory (regenerator) preheated.
  • the heat accumulator (regenerator) is recharged from 5 to 6.
  • valve cross sections are much too large or there is too much residual energy in the exhaust gas.
  • the heat-power process according to the invention avoids these disadvantages in that counter-flow or cross-flow cooling with acceptable areas or temperature differences is placed before the adiabatic or polytropic compression from 2 to 3.
  • the method includes a deliberate constant exhaust gas recirculation up to the ignition limit, so that the NOx content remains a minimum, with full utilization of the thermodynamic gradient.
  • the proposed method is an ecological optimization of efficiency, exhaust gas analysis and noise.
  • the noise level of the process is 0-50 decibels * without a sound insulation hood.
  • the low-temperature heat still has the level of 60-90 degrees with approx. 40-50% energy which is interesting for heating purposes, the exhaust gas loss and the machine space losses are below 10%.
  • the low final pressure at 7-8 bar is particularly interesting, so that the hot parts can be built with tolerable materials.
  • a piston (1) with crank drive and usually without oil lubrication works in a cylinder (2). It compresses the enclosed air / exhaust gas mixture when going up.
  • the displacer (3) shifts the compressed air / exhaust gas mixture via the check valve (4) and the regenerator (5) to the hot side of the system. On whether r ⁇ s exit from the regenerator is supplied to the fuel (gas or oil).
  • the exhaust gas valve (11) is opened and with the air metering device (9) with inlet valve (12) a quantity of fresh combustion air precisely assigned to the fuel metering device (10) is inserted.
  • FIGS. 1 and 2 TS diagram
  • Fig.l shows in the arrow diagram a Stirling process with 100 ° C lower and 1200 ° C upper temperature.
  • the oval curve is the real process that normally actually takes place.
  • Such a process would have a relatively high degree of efficiency, but either extremely large heating surfaces, exotic working media, an extremely hot fire and / or very high filling pressures.
  • thermodynamic optimum can be selected for every speed and desired power density. e.g. 10, 20 or 50 k temperature difference for the regenerator and not approx. 100 k as in the example.
  • the relatively low combustion temperature also has a strong NOx-preventing effect.
  • the NOx can be reduced to a minimum shortly before the CO increases.
  • valves are also unproblematic in the cold area.
  • This method can also be implemented with any number of cylinders, so that the flywheel weights and the non-uniformity of the movement improve with higher outputs.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
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Abstract

Verfahren zur Umwandlung von Wärme in Kraft nach dem Stirling-Prinzip mit innerer Verbrennung. Ein Abgas-Luftgemisch durchläuft eien Kreisprozess. Bei jedem Umlauf wird an der energetisch tiefsten Stelle ein gewisser Bruchteil Abgas entfernt und durch Frischluft ersetzt. Eine integrierte Gegenstromkühlung (6) mit nachfolgender sanfter Kompression, mit geringem Unterschied zwischen Isotherme und Adiabate, vermeidet die Nachteile einer reinen Isotherme. Die Ventile (11, 12) sind auf der kalten Seite, die Verbrennung erfolgt in einem heissen, keramischen Brennraum. Durch die Lage und Art des Kreisprozesses wird ein Minimum an NOx erzeugt bei höchstmöglichem thermodynamischem Gefälle.

Description

Verfahren zur Umwandlung von Wärme in Kraft nach
dem Stirling-Prinzip mit innerer Verbrennung
In den letzten 200 Jahren wurden zahlreiche Wärme-Kraft¬ verfahren mit innerer und äußerer Verbrennung entwickelt, erprobt und gebaut.
Die Mehrzahl der Verfahren beruht auf einer ständigen Verbesserung des Leistungsgewichtes und des Preis- Leistungsverhältnisses.
Im Rahmen der aktuellen Umweltdiskussion ist diese ein¬ dimensionale Entwicklungsrichtung nicht mehr ausreichend. Ein zeitgemäßes und zukunftsorientiertes Wärme-Kraftver- fahrε/ι muß folgende Eigenschaften haben: leise, hoher thermodynamischer Wirkungsgrad, gute Abgasanalyse, mö¬ glichst ohne ständigen Ölwechsel, bescheidene Drücke, keine exotischen Werkstoffe, geeignet für Wärme-Kraft- Kopplung, lange Lebensdauer, einfache Wartung.
Nach dem heutigen Stand der Technik schließen sich zu¬ nächst ein Teil dieser Parameter aus. Lange Zeit erhoffte sich die Fachwelt vom Stirling- Prinzip den entscheidenen Durchbruch. Aber Fig.l (TS-Diagra m) zeigt das entscheidende Handi¬ cap des Stirling-Verfahrens.
Man muß mit der gesamten Heizleistung bei hohem Druck und hoher Temperatur durch eine Metallwand. Insofern ist das Diesel-^oder Otto-Prinzip mit der Explosion des Brennstoffs* direkt über dem Kolben thermo- dynamisch intelligent"".
Andererseits sprechen bessere Ab^asanalyse, niedriges Geräusch und denkbarer Grenzwirkungsgrad eindeutig für das Stirling-Prinzip. Zur Verdeutlichung:
Als Startnische des neuen Verfahrens ist in erster Linie an Motorkraftwerke (Blockheizkraftwerke) zur umweltfreund¬ lichen und dezentralen Wärme-Kraft-Kopplung gedacht, die heute fast ausschließlich nach dem Diesel- oder Gas-Otto- Verfahren arbeiten.
Der hohe Lärmpegel der Explosion des Brennstoffs erfordert aufwendige Schallschutzmaßnahmen, die ihrerseits wieder die Wartung und Entwärmung erschweren. Weiterhin muß in regelmäßigen und kurzen Abständen eine gründliche Wartung und laufender Ölwechsel mit Dioxin¬ problemen beim Altölrecycling akzeptiert werden.
Dazu kommen beachtliche Korrosions- und Werkstoffprobleme beim Abgaswärmetauscher, die Abgasanalyse ist mit und ohne Katalysator erschreckend.
Als aussichtsreiche Kompromißlösung wurden nun von einigen Forschern wie Naotsugu Isshiki, Shinji Moriya, fktβs, Paveletic und Miwa die Vorteile der inneren Verbrennung mit den Vorteilen des Stirling-Verfahrens verbunden. Kurz "ICSE" (Internal Combustion Stirling Engine) Verfahren genannt.
Die Ergebnisse sind bisher enttäuschend, sie sollen durch das im Folgenden "beschriebene neue Verfahren entscheidend verbessert werden.
Fig. 2 (TS-Diagramm) zeigt schematisch die Lösung: Ein Abgas-Luftgemisch durchläuft einen Kreisprozeß vom Zustand 1 über 2, 3, , 5, 6 nach 1. Eine Gegenstromkühlung bringt das Abgas-Luftgemisch von Zustand 6 auf Zustand 1. Zwischen 1 und 2 wird ein Bruchteil der umlaufenden Gasmenge entfernt und durch die gleiche Menge Verbren¬ nungsluft ersetzt.
Von 2 nach 3 wird das Abga .uftgemisch komprimiert, von 3 nach -\ aus einem Wärn. speicher (Regenerator) vorgewärmt.
Von -\ nach 5 erfolgt die Brennstoffzugabe und Verbren¬ nung bei Arbeitsleistung und Expansion.
Von 5 nach 6 wird der Wärmespeicher (Regenerator) wieder aufgeladen.
Dann beginnt der Zyklus von vorne.
Die bisher bekannt gewordenon Verfahren zur Umwandlung von Wärme in Kraft nach de,.. Jtirling-Prinzip mit innerer Verbrennung haben den Nachteil, daß versucht wurde, von 6 nach 3 isotherm zu komprimieren, im Grenzfall also unendlich langsam bzw. mit unendlich großer Tauschfläche.
Weiterhin arbeiten die meisten Verfahren mit stöchio- metrischeπ Luftmengen oder kleinen Luftüberschußzahlen.
Die Folge sind extrem Hohe Endtemperaturen, die exo¬ tische Werkstoffe erfordern und beim NOx eine "schmutzige" Abgasaπalyse.
Will man andererseits mit mehrfachem Luftüberschuß zwischen 1 und 2 und der ganzen Reaktionsgasmenge ein- und austreten, so ergeben sich viel zu große Ventilquer¬ schnitte bzw. steckt im Abgas zuviel Restenergie. Das erfindungsgemäße Wärme-Kraft-Verfahreπ vermeidet diese Nachteile, indem vor der adiabatischen oder polytropen Kompression von 2 nach 3 eine Gegen- oder Querstromkühlung mit akzeptablen Flächen bzw. Temperaturdifferenzen ge¬ legt wird.
Dann ist der C02 - Gehalt der Abgase extrem hoch, die Abgastemperatur niedrig und damit der Abgasverlust eben¬ falls sehr klein.
Das Verfahren beinhaltet eine gewollte ständige Abgas¬ rückführung bis an die Zündgrenze, sodaß der NOx-Gehalt ein Minimum bleibt, bei voller Ausnützung des ther o- dynamischen Gefälles.
Das vorgeschlagene Verfahren ist eine ökologische Opti¬ mierung von Wirkungsgrad, Abgasanalyse und Geräusch.
Setzt man zur Verdeutlichung für ein Abgas-Luftgemisch mit Erdgas (oder Heizöl) konkrete Zahlenwerte ein, mit im Mittel z.B. 100° C unterer und 1200° C oberer Tem - peratur, so lassen sich bei richtigen Drehzahlen und Brennraumgeometrien 40-50% praktischer ther odynamischer Wirkungsgrad, CO-Werte von 0-10 ppm und NOx-Werte von 150 ppm ohne Katalysator erreichen.
Der Geräuschpegel des Verfahrens liegt ohne Schalldämm¬ haube bei 0-50 Dezibel*.
Die Niedertemperaturwärme hat dabei noch das für Heiz¬ zwecke interessante Niveau von 60-90 Grad mit ca.40-50% Energie, der Abgasverlust und die Maschiπeπraumverluste liegen unter 10%. Besonders interessant ist auch der niedrige Enddruck bei 7-8 bar, sodaß die heißen Teile mit erträglichen Werkstoffen gebaut werden können.
Zur Erläuterung der praktischen Realisierung des nach Fig. 2 beschriebenen Verfahrens , dient Fig. :
Ein Kolben (1) mit Kurbelantrieb und in der Regel ohne ölschmierung, arbeitet in einem Zylinder (2). Er komprimiert beim Hochgehen das eingeschlossene Luft/ Abgasgemisch.
Dann verschiebt der Verdränger (3) das komprimierte Luft/ Abgasgemisch über die Rückschlagorgange (4) und den Regenerator (5) auf die heiße Seite der Anlage. Am obr~en Austritt aus dem Regenerator wird der Brennstoff (Gas oder öl) zugeführt.
Nun bewegen sich Verdränger (3) und Kolben (1) gleich¬ sinnig abwärts und setzen die Expansionsarbeit in me¬ chanische Arbeitsleistung um.
Ist der Kolben (1) dann im unteren Totpunktbereich, wird der Verdränger (3) nach oben gefahren, das heiße Gas über den Regenerator (5) und den Kühler (6) in den Arbeitsraum verschoben. Darauf beginnt der Zyklus von vorne.
Zwischen dem Ende der letzten Verschiebung und dem Be¬ ginn der neuen Kompressionwirddas Abgasventil (11) geöffnet und mit der Luftdosiereinrichtung (9) mit Einlaßventil (12) eine genau der Brennstoffdosierein¬ richtung (10) zugeordnete Menge frische Verbrennungs¬ luft eingeschoben.
Zum Starten der Anlage kann über Heizeinrichtung (8) der heiße Teil der Anlage auf Zünd- und Arbeitstempe¬ ratur gebracht werden. Um die Vorteile der Erfindung klarer herauszuarbeiten, sind wie bereits erwähnt, in Fig.l und Fig.2 (TS-Dia- gramm) zu sehen.
Fig.l zeigt im Pfeilschema einen Stirling-Prozeß mit 100° C unterer und 1200 ° C oberer Temperatur. Die ovale Kurve ist der dabei normalerweise tatsäch¬ lich ablaufende reale Prozeß.
Ein solcher Prozeß hätte einen relativ hohen Wirkungs¬ grad, aber entweder extrem große Heizflächen, exotische Arbeitsmedien, ein extrem heißes Feuer und/oder sehr hohe Fülldrücke.
Fig.2 zeigt den angestrebten thermodynamischen Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens mit innerer Ver¬ brennung:
Von Arbeitspunkt 2 mit z.B. 50° C und 1 bar Gaszustand, komprimieren bis Arbeitspunkt 3 (z.B. 120°C und 2 bar Druck).
Danach verschieben von 3 nach 4 (z.B.1200°C , dann ge¬ steuerte Verbrennung und Expansion mit Endpunkt 5 (z.B.1300°C) und durch verschieben nach 6 (z.B. ca.250°C).
Je nach Wahl der Regeneratoroberflächen, Struktur, Druckverlust und Masse kann für jede Drehzahl und gewünschte Leistungsdichte das thermodynamische Optimum gewählt werden. z.B. 10, 20 oder 50 k Temperaturdifferenz für den Regenerator und nicht ca. 100 k wie im Beispiel.
Die elementare Rechnung in der Größenordnung des Beispiels ergibt pro Zyklus ein Einspeisen und Aus¬ speisen von Luft und Abgas mit ca. 10% der Proze߬ gasmenge. Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens gegenüber dem reinen Diesel/Otto- oder reinen Stirling- Prinzip ergeben sich unmittelbar aus dem Prozeßverlauf _-,_
- da die Verbrennung nur im heißen Teil stattfindet, gibt es keine Molekülbruchstücke und bei richtiger Di¬ mensionierung, nahezu völlige Verbrennung.
- da in den heißen Teil keinerlei Schmierölreste gelangen können, entfällt das übliche Ölwechselproblem an Verbren¬ nungskraftmaschinen.
- je nach Wahl der pro Zyklus eingespeisten Frischluft, ergibt sich bis an die Grenze der Zündfähigkeit eine starke NOx-Uπterdrückung, eine ständige Abgasrückführung, da viele Moleküle den Kreisprozeß mehrfach durchlaufen.
Ebenfalls stark NOx-vermeidend wirkt die relativ niedrige Verbrennungstemperatur. Hier kann das NOx bis auf sein Minimum heruntergenommen werden, kurz bevor das CO an¬ steigt.
- durch das große Temperaturgefälle sind Wirkungsgrade von über 50% ander Welle erreichbar und das bei gleich¬ zeitig optimaler Abgasanalyse.
- da der Arbeitskolben im kalten Bereich liegt, kann Trockenlauf bei Geradeführung und damit schmierölarmen oder schmierölfreien Betrieb konzipiert werden.
- die Ventile liegen ebenfalls unproblematisch im kalten Bereich.
- weiterhin arbeiter der Prozeß außerordentlich leise, da keine Explosionen stattfinden.
- der maximale Enddruck am Arbeitspunkt 4 ist im Beispiel sehr bescheiden, insofern werden an die Werkstoff erheb¬ blich geringere Anforderungen als beim reinen Stiriing, Diesel oder Otto-Prozeß gestellt. - Der Preis für die vielen Vorteile ist mit einer mäßigen Drehzahl, einem relativ großen Hubvolumen pro kW und einem relativ hohen Leistungsgewicht zu bezahlen
Der bereits amtlich in allen Statistiken dokumentierte Umweltnotstand rechtfertigt und begründet den nötigen Auf¬ wand.
Das vor uns liegende ökologische Zeitalter erfordert völlig neue Konstruktionsprinzipien.
Da der Hauptverwendungszweck zunächst einmal stationäre Systeme vorsieht, spielt das höhere Leistungsgewicht der Maschine keine entscheidende Rolle.
Es sind aber auch leichte schneilaufende Systeme nach dem neuen Prinzip zu realisieren, allerdings sinkt die Güte der Verbrennung mit steigender Drehzahl.
Dies Verfahren kann auch mit einer beliebigen Zahl von Zylindern realisiert werden, sodaß sich bei größeren Leistungen die Schwungradgewichte und die Ungleich- för igkeit der Bewegung verbessern.

Claims

Patentansprüche:
1.) Verfahren zur Umwandlung von Wärme in Kraft nach dem Stirling-Prinzip mit innerer Verbrennung dadurch ge¬ kennzeichnet, daß ein Abgas—Luftgemisch nach Fig.2 von (6) nach (1) im Gegen- oder Querstrom gekühlt wird, zwischen (1) und (2) einen Bruchteil Abgas ab¬ gibt und die gleiche Menge Frischluft dazubekomt, von (2) nach (3) komprimiert wird, von (3) nach (4) gespeicherte Wärme aus einem Regenerator nimmt, von (4) nach (5) Brennstoff zugegeben wird bei Expansion und Arbeitsleistung und von (5) nach (6) Wärme in den Regenerator gibt.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig.3 zur Erzwingung des Gegeπstro es die Ventile (4) beim Hochgehen des Verdrängers (3) schließen.
3.) Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger (3) direkt über eine Kurven¬ scheibe der Hauptwelle gesteuert wird.
4.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Auslaßventil (11) und Einlaßventil (12) mit Kurvenscheibe der Hauptwelle direkt oder über Kipp¬ hebel gesteuert werden.
5.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdosierung (10) und die Luft¬ mengendosierung (9) verstellbar, zwangsgesteuert sind, zur Regelung von Drehzahl und Leistung.
6.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekeπnzeichent, daß die Kühlung von Fig.2 zwischen (6) und (1) oder gleichbedeutend in Fig. (6) entfällt und das Abgas am Punkt (6) Fig.2 nach außen abgegeben wird.
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