Sanfte Energie aus der Umwelt?
Doppelter Stirlingmotor mit aktiven Verdrängerkolben
Die erste Besonderheit gegenüber einem üblichen Stirlingmotor mit Verdrängerkolben besteht darin, dass zum gewöhnlichen, passiven Verdränger (12) aus Material mit großer Wärmespeicherkapazität noch ein „aktiver" Teil dazukommt. Dieser besteht aus einer Wärmepumpe, deren heißer Teil (5) der heißen Seite (4) des Verdrängerzylinders und deren kalter Teil (7) der kalten Seite des Verdrängerzylinders zugewandt ist. Der Zylinder (13) der Wärmepumpe bewegt sich zusammen mit dem Verdrängerkolben, während der Kolben (14) derselben über die Kolbenstange fest mit dem Gehäuse des Verdrängerzylinders verbunden ist und sich nicht bewegt.
Bei der Bewegung des Verdrängerkolbens in Richtung auf die heiße Seite (4) des Verdrängerzylinders zu öffnen sich die Klappen (9), während die Klappen (8) schließen, das Arbeitsfluidum durchfließt den passiven Teil (12) des Verdrängerkolbens, gibt dort einen Teil seiner Wärmeenergie an das Speichermaterial ab, durchfließt anschließend den Kühlerteil (7) der Wärmepumpe und kühlt so weiter ab, wodurch der Druck im Verdrängerzylinder abfällt. Damit wird der Arbeitskolben (3) in Richtung des Verdrängerzylinders hin angesaugt und leistet somit an der Welle mechanische Arbeit.
Sobald sich die Bewegungsrichtung des Verdrängerkolbens umkehrt, schließen sich die Klappen (9), und es öffnen sich die Klappen (8). Damit strömt das kalte Arbeitsfluidum zuerst durch den passiven Teil (12) des Verdrängerkolbens und heizt sich an diesem auf. Weitere Wärme nimmt das Fluidum auf, während es durch den aktiven heißen Teil (5) des Verdrängerkolbens strömt. Da der Arbeitskolben mechanische Energie an die Welle abgegeben hat, wird das Fluidum aber auf der heißen Seite des Verdrängerzylinders nicht mehr die Ausgangstemperatur erreichen, so dass sich diese Seite schließlich unter die Umgebungstemperatur abkühlen wird. Damit wird es möglich, dass Wärme aus der Umgebung auf der heißen Seite des Verdrängerzylinders in den Motor strömen kann. Diese Wärme kann dann in mechanische Energie umgewandelt werden.
Der „kalte" Teil des Verdrängerzylinders ist durch eine Dämmung (11) wärmeisoliert, so dass dieser Teil von der Umgebung keine Wärme empfängt und somit kalt bleibt.
Die zweite Besonderheit besteht darin, dass der Stirlingmotor zwei Verdrängerzylinder und entsprechende Kolben besitzt. Der Arbeitszylinder (2) verbindet die beiden Verdrängerzylinder. Im Arbeitszylinder (2) bewegt sich der Arbeitskolben (3). Die beiden Verdrängerkolben arbeiten in Gegenphase. Auf den Arbeitskolben (3) wirkt somit der Druckunterschied zwischen den beiden Verdrängerzylindern. Dadurch wird erstens der Wirkungsgrad des Motors erhöht, und zweitens wird der gesamte Motorbetrieb unabhängig vom Umgebungsdruck.
Der Energiebedarf von Wärmepumpen hängt außer von der Menge der transportierten Wärmeenergie maßgeblich davon ab, wie hoch die Temperaturdifferenz zwischen "kalter" und "warmer" Seite ist. Bei dem beschriebenen Stirlingmotor kommt man mit geringen Temperaturunterschieden zwischen kalter und warmer Seite aus, wenn man das Arbeitsfluidum und den Arbeitsdruck so wählt, dass sich im Betrieb die Temperaturen um den Siedepunkt des Arbeitsfluidums bewegen: Auf der heißen Seite ist die Temperatur geringfügig höher als die Siedetemperatur, auf der kalten Seite geringfügig niedriger. Damit kann man zweierlei erreichen: erstens kondensiert das Arbeitsfluidum bei Abkühlung auf der kalten Seite teilweise, wodurch sich das Volumen des Fluidums besonders stark ändert, und zweitens kann das sich am Boden des Verdrängerzylinders sammelnde flüssige Arbeitsmittel während der Erwärmungsphase (Abwärtsbewegung) des Verdrängerkolbens auf den heißen Teil der Wärmepumpe auf der warmen Seite des Verdrängungszylinders versprüht werden. Dabei verdampft das flüssige Arbeitsmittel und erzeugt wiederum eine besonders hohe Volumenänderung, diesmal in die entgegengesetzte Richtung.
Schreiben Sie mir! - fauner.g@bigfoot.com
Extract Soft Energy from the Environment?
Double
Stirling Engine with active displacing pistons
The first particularity in respect to a usual Stirling engine with displacing pistons consists in the addition of an "active" part to the passive part (12), consisting of materials with a high capacity to store heat, of the displacing piston. The active part consists in a heat pump the hot part (5) of which looks to the hot side (4) of the displacing cylinder, and the cold part (7) of which looks to the cold side of the displacing cylinder. The cylinder (13) of the heat pump moves together with the displacing piston, and the piston (14) of the pump is fixed together with its shaft to the wall of the displacing cylinder.
When the displacing piston moves toward the hot side (4) of the displacing cylinder, the flaps (9) open and the flaps (8) close, and the working fluid flows trough the passive part (12) of the displacing piston, transferring part of its heat to the storing material of that passive part. Then it passes the cooling part of the heat pump cooling down further. So the pressure in the displacing cylinder decreases. In this way, the working piston (3) is sucked towards the displacing cylinder, and it can do mechanical work on the crankshaft.
When the moving direction of the displacing piston reverses, the flaps (9) close, and the flaps (8) open. So the working fluid passes first the passive part (12) of the displacing piston warming up. It takes also up heat passing trough the hot active part (5) of the displacing piston. The working piston has delivered energy to the shaft, and so it is assumed that the temperature at the hot side of the displacing cylinder will not reach the value it had before the cycle. So the hot side will cool down until it will have a temperature that is below the temperature of the external environment. At that moment heat will be able to flow from the external environment into the displacing cylinder, and it will be possible to transform that heat into mechanical work.
The "cold" part of the displacing cylinder is completely insulated from the environment by an insulating wall (11), so it can not receive heat from outside and will cool rapidly down.
The second particularity consists in the fact that the Stirling engine is provided with two displacing cylinders and displacing pistons that work one delayed a half cycle (180 degrees) in respect to the other. The working cylinder (2) connects the two displacing cylinders. In the working cylinder (2) moves the working piston (3). On that piston operates the pressure difference between the two displacing cylinders. In this way, the pressure acting the working piston is two times that of a single displacing cylinder, and the system does not depend from the external pressure.
The energy consumption of heat pumps depends on the quantity of the translated heat and on the temperature difference between the "cold" and the "hot" side. In the described Stirling engine we can have a low temperature difference between the cold and the hot side if we choose the working fluid and the working pression to have temperatures that in stationary exercise at the hot side are few degrees above and at the cold side few degrees below the boiling-point of the working fluid. That gives us two advantages: when we cool down the working fluid at the cold side, it condenses in part having on this way a huge volume chance. Also, during the heating phase we can sprinkle the liquid fluid that deposits at the bottom of the cylinder, on the hot part of the heat pump of the delpacing cylinder. The liquid fluid evaporates having in this way also a huge volume chance, this time in the opposite direction.
For Contacts: fauner.g@bigfoot.com
Energia soft dall’ambiente?
Motore Stirling doppio con pistoni di spostamento attivi
La prima differenza rispetto a un motore Stirling tradizionale con pistone di spostamento consiste nel fatto che al pistone tradizionale (12) composto da materiale ad alta capacità termica si aggiunge una parte "attiva". Essa consiste in una pompa di calore la cui parte calda (5) è collocata sul pistone sul lato caldo (4) del cilindro di spostamento, e la cui parte fredda (7) è collocata sul pistone dalla parte fredda del cilindro di spostamento. Il cilindro (13) della pompa di calore si muove insieme al pistone di spostamento, mentre il pistone (14) insieme alla sua biella è fissato rigidamente alla parete del cilindro di spostamento e non compie alcun movimento.
Quando il pistone di spostamento si muove in direzione della parte calda (4) del cilindro di spostamento, le valvole automatiche (9) si aprono e le valvole (8) si chiudono per effetto del flusso del fluido di lavoro, mentre questo attraversa la parte passiva (12) del pistone di spostamento cedendo parte del calore. Di seguito attraversa la parte fredda (7) della pompa di calore raffreddandosi ulteriormente. In questo modo, la pressione nel cilindro di spostamento diminuisce, e il pistone di lavoro (3) viene risucchiato verso il cilindro di spostamento, fornendo energia meccanica sull’albero motore.
Quando il movimento del pistone di spostamento si inverte, le valvole (9) chiudono ed aprono le valvole (8), facendo passare il fluido di lavoro, freddo, prima attraverso la parte passiva (12) del pistone di spostamento dalla quale esso assume calore, e poi attraverso la parte calda (5) della pompa di calore. In tal modo, il fluido di lavoro si riscalda ulteriormente. Avendo il pistone di lavoro (3) ceduto energia all’albero motore, la temperatura che sarà raggiunta dal fluido di lavoro sul lato caldo sarà inferiore a quella prima dell’inizio del ciclo. In tal modo, la temperatura di questo lato caldo scenderà al di sotto della temperatura dell’ambiente circostante, e così sarà possibile il travaso di calore verso l’interno della macchina, calore che potrà essere trasformato in energia meccanica.
La parte "fredda" del cilindro di spostamento è coibentata con una parete isolante (11) che non permette che questa parte possa ricevere calore dall’esterno: essa pertanto rimarrà fredda.
La seconda particolarità consiste nel fatto che il motore Stirling è dotato di due cilindri di spostamento con relativi pistoni. Il cilindro di lavoro (2) collega i due cilindri di spostamento. Nel cilindro di lavoro (2) si trova il pistone di lavoro (3) che è azionato dalla differenza di pressione tra i due cilindri di spostamento che lavorano in controfase. In questo modo, da un lato si migliora la resa del motore, e dall’altro lato esso diviene completamente indipendente dalla pressione dell’ambiente circostante.
Il fabbisogno di energia di una pompa di calore, oltre che dalla quantità di calore da trasportare dipende sostanzialmente dalla differenza di temperatura tra lato "freddo" e lato "caldo". Il motore Stirling sopra descritto può funzionare con differenze di temperatura modeste (una decina di gradi o poco più) tra lato freddo e lato caldo se si scelgono in modo opportuno il fluido di lavoro e la relativa pressione. Se infatti la temperatura di esercizio del motore si muove a cavallo della temperatura di ebollizione del fluido di lavoro, con pochi gradi di differenza tra fase fredda e fase calda si ottengono grandi variazioni di volume e quindi grandi quantità di energia meccanica disponibile al pistone di lavoro. Infatti, il fluido condensa in parte quando viene raffreddato sul lato freddo del pistone di spostamento, riducendo fortemente il proprio volume. Se nella fase opposta si spruzza il fluido liquido che si è depositato sul fondo del cilindro di spostamento, sulla parte calda della pompa di calore, esso evaporerà rapidamente e così aumenterà notevolmente il proprio volume.
Contattatemi: fauner.g@bigfoot.com