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Dokumentenidentifikation DE3444995C2 09.04.1987
Titel Erhitzer für eine Stirlingmaschine
Anmelder Aisin Seiki K.K., Kariya, Aichi, JP
Erfinder Watanabe, Tetsumi, Okazaki, Aichi, JP;
Yamaguro, Akira, Anjyo, Aichi, JP;
Yamaguchi, Susumu, Kariya, Aichi, JP
Vertreter Tiedtke, H., Dipl.-Ing.; Bühling, G., Dipl.-Chem.; Kinne, R., Dipl.-Ing.; Grupe, P., Dipl.-Ing.; Pellmann, H., Dipl.-Ing.; Grams, K., Dipl.-Ing.; Struif, B., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., PAT.-ANW., 8000 München
DE-Anmeldedatum 10.12.1984
DE-Aktenzeichen 3444995
Offenlegungstag 20.06.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.04.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.04.1987
IPC-Hauptklasse F02G 1/055
Zusammenfassung Es wird ein Brenner für eine Stirlingmaschine beschrieben, der eine Luftansaugöffnung, eine Auslaßöffnung und eine Brennkammer zwischen der Ansaugöffnung und der Auslaßöffnung aufweist. Die Brennkammer ist mit einem Einlaß versehen, der eine Verwirbelungsvorrichtung aufweist, welche zwei voneinander beabstandete, im wesentlichen parallele Platten besitzt, die mit mittleren Öffnungen versehen sind, welche im wesentlichen zueinander ausgerichtete Mittelpunkte aufweisen, und eine Vielzahl von spiralförmigen Leitschaufeln, die zwischen diesen parallelen Platten angeordnet sind. Jede Leitschaufel weist eine Krümmung auf, bei der eine an einen Punkt der Leitschaufel geführte Tangente zusammen mit einer sich durch diesen Punkt und den Mittelpunkt der mittleren Öffnung erstreckenden Geraden einen Winkel bildet, der im wesentlichen konstant ist und zwischen 30° und 80° liegt, so daß jeweils zwei benachbarte Leitschaufeln einen Einlaßkanal bilden, dessen Querschnitt in Richtung auf die mittlere Öffnung allmählich abnimmt. Der Ansaugkanal steht an einem Ende benachbart zu den mittleren Öffnungen mit der Brennkammer und am anderen Ende mit der Ansaugöffnung in Verbindung.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Erhitzer für eine Stirlingmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer Stirlingmaschine handelt es sich um eine Kraftmaschine mit äußerer Verbrennung, die eine Brennkammer zum Verbrennen eines Brennstoffes umfaßt, um Wärme zu erzeugen, die zum Erhitzen eines Arbeitsgases über einen Wärmetauscher verwendet wird. Bei dieser Art Stirlingmaschine ist es besondes wichtig, einen guten thermischen Wirkungsgrad zu erreichen, indem man den Wirkungsgrad der Verbrennung in der Brennkammer sowie den Wirkungsgrad des Wärmetauschers verbessert. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Verbrennung umfassen herkömmlich ausgebildete Stirlingmaschinen eine Verwirbelungsvorrichtung in dem in die Brennkammer führenden Ansaugluftkanal, um dort die Ansaugluft zu verwirbeln.

Ein Erhitzer für eine Stirlingmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der GB-PS 14 92 912 bekannt. Über den Aufbau der Verwirbelungsvorrichtung ist in der genannten Veröffentlichung nichts ausgesagt.

Aus der GB-PS 14 78 395 ist ein Gasturbinenbrenner bekannt, dem drei Luftverwirbelungseinrichtungen zugeordnet sind. Die zweite Luftverwirbelungseinrichtung umfaßt eine Vielzahl von mit Umfangsabstand angeordneten Leitschaufeln, die zwischen zwei radial verlaufenden Wandelementen angeordnet sind. Die Einrichtung beaufschlagt die radiale Luftströmung vom Kompressor mit einer Verwirbelungskomponente. Die Leitschaufeln sind gekrümmt ausgebildet, wobei die genaue Form der Krümmung aus dieser Veröffentlichung nicht hervorgeht. Da es sich um einen Gasturbinenbrenner handelt, wird mit einem wesentlich größeren Luftverhältnis gearbeitet, wodurch andere Randbedingungen als bei einer Stirlingmaschine auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Erhitzer der angegebenen Art zu schaffen, mit dessen Verwirbelungsvorrichtung eine besonders starke Verwirbelung der Ansaugluft mit einem besonders niedrigen Druckverlust erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Erhitzer der angegebenen Art gelöst, der die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Erhitzers ermöglicht es, eine gleichmäßige Vermischung des Brennstoffes mit der zugeführten Luft zu erreichen und dabei den Druckverlust der zugeführten Luft möglichst gering zu halten. Bei einem zu großen Winkel α würde zwar eine vollständige Vermischung der Luft mit dem Brennstoff aufgrund einer starken spiralförmigen Strömung derselben erreicht werden, jedoch würde hierbei ein sehr hoher Druckabfall auftreten. Demgegenüber sichert der erfindungsgemäß vorgeschlagene Winkelbereich die bestmögliche Funktionsweise, d. h. eine zufriedenstellende Vermischung bei relativ geringem Druckabfall.

Gemäß den vorstehend aufgeführten Merkmalen der Erfindung strömt die Ansaugluft von den radial äußeren Enden der Einlaßkanäle entlang den spiralförmigen Leitschaufeln zu den radial inneren Enden der Kanäle. Die Geschwindigkeit des Luftstromes nimmt in den Einlaßkanälen allmählich zu, da der Querschnitt der Kanäle allmählich abnimmt und da der Luftstrom spiralförmig in den von den mittleren Öffnungen der Platten gebildeten Bereich abgegeben wird, wodurch eine starke und gleichmäßig verteilte Verwirbelung der Ansaugluft erreicht wird, die zu einer im wesentlichen vollständigen Verbrennung führt. Darüber hinaus wird durch die Verwirbelung eine gleichmäßige Verteilung der die Verbrennung bewirkenden Flammen und eine Herabsetzung des Temperaturunterschiedes in der Brennkammer sichergestellt. Es ist daher möglich, örtliche Überhitzungen zu vermeiden, so daß die Lebensdauer des Erhitzers erhöht wird.

Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Platten im wesentlichen parallel zueinander.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Erhitzer für eine Stirlingmaschine, bei dem die vorliegende Erfindung Anwendung finden kann;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Verwirbelungsvorrichtung des Erhitzers der Fig. 1; und

Fig. 3 einen Schnitt entlang Linie V-V in Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Teil einer Stirlingmaschine 1 gezeigt, die einen Erhitzer 2 aufweist. Der Erhitzer 2 umfaßt eine Brennkammer 3 und Heizrohre 5, die in der Brennkammer 3 angeordnet sind. Die Heizrohre 5 stehen mit Arbeitszylindern 4 in Verbindung, wie dies bei einer üblichen Stirlingmaschine der Fall ist. Der Erhitzer 2 weist eine Luftansaugöffnung bzw. Lufteinlaßöffnung 9 und eine Auslaßöffnung 12 auf. Um die Brennkammer 3 herum ist ein Vorerhitzer 6 angeordnet, der sich in der Bahn des Verbrennungsgases von der Brennkammer 3 zur Auslaßöffnung 12 befindet. Die Luftansaugöffnung 9 steht über den Vorerhitzer 6 mit einer Einlaßkammer 11 in Verbindung, die unterhalb einer oberen Abdeckung 10 des Erhitzers 2 ausgebildet ist. Die Einlaßkammer 11 ist über eine Verwirbelungsvorrichtung 8 an die Brennkammer 3 angeschlossen, so daß die Ansaugluft von der Ansaugöffnung 9 durch das Verbrennungsgas vorerhitzt wird, bevor sie in die Brennkammer 3 eingeführt wird. In der Verwirbelungsvorrichtung 8 ist eine Brennstoffeinspritzdüse 7 angeordnet.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Verwirbelungsvorrichtung 20 des Brenners. Diese Verwirbelungsvorrichtung 20 umfaßt zwei voneinander beabstandete, parallele Platten 21 und 22, die koaxiale mittlere Öffnungen 23 aufweisen. Zwischen den Platten 21 und 22 ist eine Vielzahl von spiralförmigen Leitschaufeln 24 angeordnet, die sich vom Außenumfang der Platte zur mittleren Öffnung 23 hin erstrecken.

Somit wird ein Lufteinlaßkanal 25 zwischen jeweils zwei benachbarten Leitschaufeln 24 gebildet, der ein Einlaßende 26 und ein Auslaßende 26a aufweist. Jede Leitschaufel 24 besitzt eine Krümmung, bei der eine an einen Punkt, beispielsweise den Punkt A, B oder C an der Leitschaufel 24, geführte Tangente zusammen mit einer sich durch den Punkt und den Mittelpunkt O der mittleren Öffnung 23 erstreckenden Geraden einen Winkel α bildet, der im wesentlichen konstant ist und zwischen 30° und 80° beträgt. Somit weist der Einlaßkanal 25 einen breiten Einlaß auf und nimmt in seinen Querschnittsbereich in Richtung auf das Auslaßende allmählich ab. Die Ansaugluft wird daher von der Einlaßkammer 11 zu den Einlaßkanälen 25 geführt, ohne daß ihre Geschwindigkeit abnimmt. Die Geschwindigkeit des Ansaugluftstromes nimmt jedoch in den Kanälen 25 allmählich ab, und die Ansaugluft wird in Richtung der Leitschaufeln 24 in die Verwirbelungskammer 27, die in den mittleren Öffnungen 23 ausgebildet ist, geführt, so daß dort eine starke Verwirbelung erzeugt wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Erhitzer für eine Stirlingmaschine mit einer Luftansaugöffnung (9), einer Auslaßöffnung (12) und einer Brennkammer (3) zwischen der Ansaugöffnung und der Auslaßöffnung, wobei die Brennkammer eine Brennstoffeinspritzvorrichtung (7) und einen mit einer Verwirbelungsvorrichtung ( 8) versehenen Lufteinlaß aufweist, der mit der Luftansaugöffnung in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungsvorrichtung (20) zwei voneinander beabstandete Platten (21, 22), die mit koaxialen mittleren Öffnungen (23) versehen sind, und eine Vielzahl von spiralförmigen Leitschaufeln (24) umfaßt, die zwischen den Platten (21, 22) angeordnet sind und jeweils eine Krümmung besitzen, bei der eine an einen Punkt einer Leitschaufel (24) geführte Tangente zusammen mit einer sich durch diesen Punkt und die Achse der mittleren Öffnungen (23) erstreckenden Geraden einen Winkel bildet, der im wesentlichen konstant ist und zwischen 30° und 80° liegt, wobei jeweils zwei benachbarte Leitschaufeln (24) einen Einlaßkanal (25) bilden, dessen Querschnitt in Richtung auf die mittleren Öffnungen (23) allmählich abnimmt und der an einem Ende benachbart zu den mittleren Öffnungen (23) mit der Brennkammer (3) und am anderen Ende mit der Ansaugöffnung (9) in Verbindung steht.
  2. 2. Erhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Platten (21,22) im wesentlichen parallel zueinander erstrecken.






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