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Dokumentenidentifikation DE3804046A1 25.08.1988
Titel Heizsystem für eine Heißgas- bzw. Stirlingmaschine
Anmelder Stirling Power Systems Corp., Ann Arbor, Mich., US
Erfinder Johansson, Lennart N.;
Houtman, William H., Ann Arbor, Mich., US;
Percival, Worth H., Asheville, N.C., US
Vertreter Stellrecht, W., Dipl.-Ing. M.Sc.; Grießbach, D., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Haecker, W., Dipl.-Phys.; Böhme, U., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 7000 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 10.02.1988
DE-Aktenzeichen 3804046
Offenlegungstag 25.08.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.08.1988
IPC-Hauptklasse F02G 1/055
IPC-Nebenklasse F02G 1/04   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Heißgasmaschine, in der ein Arbeitsgas längs einer geschlossenen Strecke zwischen einem kälteren Kompressionszylinder und einem heißeren Expansionszylinder hin- und herströmt, wobei längs der Strecke eine Wärmequelle und eine Kühlvorrichtung angeordnet sind, die in Verbindung mit dem Expansionszylinder und dem Kompressionszylinder auf das Gas einwirken, um für dieses einen thermodynamischen Zyklus herbeizuführen, in dessen Verlauf durch die Maschine verwertbare mechanische Antriebsenergie erzeugt wird.

Die US-PS 40 55 952 befaßt sich mit einer Heizvorrichtung für eine Maschine mit externer Verbrennung. Ein Arbeitsgas wie z.B. Helium wird längs einer geschlossenen Strecke zwischen Niedertemperatur-Kompressions- und Hochtemperatur- Expansionszylindern hin- und hergepumpt. Diese Strecke umfaßt eine Heizvorrichtung und einen Kühler, um Wärme zuzuführen bzw. abzuführen, wodurch insgesamt ein thermodynamischer Zyklus herbeigeführt wird, der zur Entwicklung mechanischer Ausgangsleistung an einer Kurbelwelle führt, die mit den Kolben verbunden ist, welche in den genannten Zylindern laufen.

Bei dieser bekannten Maschine umfaßt die Heizvorrichtung eine Anzahl von bogenförmig gekrümmten Rohren, durch die das Arbeitsgas hindurchgeleitet wird, wobei unmittelbar an die Rohre eine Verbrennungsvorrichtung angrenzt, um die Rohre zu beheizen. In einer Verbrennungskammer der Verbrennungsvorrichtung wird flüssiger oder gasförmiger Brennstoff verbrannt und die heißen gasförmigen Verbrennungsprodukte läßt man über die Außenseite der bogenförmig gekrümmten Rohre strömen, um dadurch das Arbeitsgas zu beheizen, welches durch das Innere der Rohre strömt. Die Maschine bzw. der Motor gemäß der zitierten Patentschrift besitzt eine Reihe charakteristischer Vorteile, die sie bzw. ihn von anderen Antriebsaggregaten unterscheiden. Zu den Vorteilen gehört die Möglichkeit der Verwendung unterschiedlicher Brennstoffe, eine geringe Vibration und Geräuschentwicklung, eine relativ gleichmäßige Arbeitsweise usw.

Der Wirkungsgrad einer Heißgasmaschine bzw. eines Stirlingmotors ist mit der Temperatur des Arbeitsgases in der Weise verknüpft, daß der Wirkungsgrad umso höher ist, je höher die Temperatur ist. Bei einer Heizvorrichtung der in der genannten Patentschrift beschriebenen Art begrenzt die Widerstandsfähigkeit der verwendeten Materialien gegenüber erhöhten Temperaturen die Temperatur, auf die das Arbeitsgas aufgeheizt werden kann.

In der tatsächlichen konstruktiven Ausgestaltung besitzt eine Maschine, wie sie in der zitierten Patentschrift gezeigt ist, eine hartgelötete Rohr- und Rippenanordnung, um eine maximale Oberfläche für die Wärmeübertragung zu erhalten. Die Wärme der Verbrennungsgase wird dabei durch die Rippen auf die Rohre übertragen, um das Arbeitsgas aufzuheizen. Wie bei jeder Heizvorrichtung ist dabei die Lebensdauer eine Funktion der thermischen Belastung, welcher die Materialien ihrer Bauteile ausgesetzt sind. Bei höheren Temperaturen, wie sie zur Verbesserung des Motorwirkungsgrades erwünscht sind, ergeben sich höhere thermische Belastungen und folglich eine geringere Lebensdauererwartung. Um nun eine unzureichend niedrige Lebensdauererwartung zu vermeiden, wird die Heizvorrichtung mit niedrigeren Höchsttemperaturen betrieben, was natürlich auf Kosten eines verringerten Motorwirkungsgrades geschieht. Die höchsten Temperaturen treten an den Rippenspitzen auf, so daß die Temperaturfestigkeit des Rippenmaterials derjenige Faktor ist, der die Verbesserung des Maschinenwirkungsgrades begrenzt.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Heißgasmaschine mit einer verbesserten Heizvorrichtung bzw. eine verbesserte Heizvorrichtung für eine Heißgasmaschine anzugeben, mit der es möglich ist, den Wirkungsgrad der Maschine zu verbessern und dennoch eine hohe Lebensdauererwartung für die Heizvorrichtung aufrechtzuerhalten.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Heißgasmaschine der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Es ist ein wichtiger Vorteil der Erfindung, daß durch die Verwendung eines bei den herrschenden Betriebstemperaturen verdampfbaren und kondensierbaren Heizmediums auf die besonders gefährdeten Rippen für die Heizrohre verzichtet werden kann, so daß der Wirkungsgrad ohne Kompromisse hinsichtlich der Lebensdauer erhöht werden kann, und zwar in einem Ausmaß, das bei der bekannten Maschine einer erheblichen Temperaturerhöhung entsprechen würde. Dadurch, daß gemäß der Erfindung die Außenseite der Rohre den Bereich bildet, an dem die höchsten Temperaturen wirksam werden, und nicht die Rippenspitzen, wird das Rohrmaterial zum begrenzenden Faktor bei der Abwägung des Kompromisses zwischen verbessertem Wirkungsgrad und Lebensdauer der Heizvorrichtung. Insgesamt wird dabei eine erhebliche Verbesserung erreicht.

Andererseits bleibt bei der erfindungsgemäßen Heißgasmaschine ein wichtiger Vorteil dieses Maschinentyps erhalten, nämlich die Möglichkeit der Verwendung unterschiedlicher Brennstoff- bzw. Wärmequellen. Andere Vorteile, die sich aufgrund der Maschinenkonstruktion ergeben, bleiben ebenfalls erhalten, da die Antriebseinheit mit den Zylindern, dem Gehäuse und der Kurbelwelle nicht geändert werden muß. Dabei versteht es sich, daß das Grundprinzip der Erfindung nicht auf den weiter unten als Ausführungsbeispiel erläuterten speziellen Maschinentyp beschränkt ist.

Kurz gesagt, wird gemäß der Erfindung ein "Heizrohrverdampfer" in Verbindung mit einem Kondensator eingesetzt, wobei ein kondensierbares Heizmedium in einem geschlossenen System verwendet wird. Natrium hat sich dabei als ein brauchbares Heizmedium erwiesen. Das Natrium wird in dem Verdampfer erhitzt und verdampft. Es fließt über eine Leitung zu dem Kondensator, wo es an den Rohren kondensiert, durch die das heiße Arbeitsgas für die Maschine strömt. Das kondensierte flüssige Natrium fließt durch die Leitung zurück in den Verdampfer und wird dort erneut verdampft. Es ergibt sich also ein kontinuierlicher Zyklus, so daß ein kontinuierlicher Wärmetransport von dem Verdampfer zu dem Kondensator stattfindet, wobei die Wärme zum Erhitzen des Natriums dem Verdampfer zugeführt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die konstruktiven Einzelheiten des Verdampfers und des Kondensators. Vorzugsweise besitzt der Kondensator eine äußere, zylindrische, rohrförmige Wand, welche die Rohre umgibt, durch die das heiße Arbeitsgas strömt. Diese Rohre sind zu einem Bündel geordnet, in dem die einzelnen Rohre parallel zueinander verlaufen und dieselbe Länge haben, wobei die Rohre jedoch im Abstand voneinander angeordnet sind. An den Enden der Rohre bzw. des Bündels sind entsprechende Kopfstücke vorgesehen. In Längsrichtung sind die Rohre ferner S-förmig ausgebildet, um Wärmedehnungen und -kontraktionen aufzunehmen. Aus demselben Grund besitzt auch die äußere zylindrische Wand eine elastisch verformbare Zone.

Der Verdampfer besitzt vorzugsweise eine innere und eine äußere Schale bzw. einen inneren und einen äußeren Mantel, die so angeordnet sind, daß sie eine Verdampfungskammer definieren, die bezüglich ihrer äußeren Konturen becherförmig ausgebildet ist, die aufrecht - mit dem geschlossenen Boden des Bechers nach unten - angeordnet ist, und die im Querschnitt eine ringförmige Gestalt hat; man könnte also von einem doppelwandigen Becher mit einem geschlossenen Boden am unteren Ende sprechen. Das zurückfließende Kondensat tritt in diese in ihrem oberen Teil ringförmige Verdampfungskammer längs des oberen Randes derselben ein. Das Kondensat fließt in eine ringförmige Rinne an der Innenwand der Verdampfungskammer und wird von dieser Rinne, wenn dieselbe überfließt, gleichmäßig auf den Umfang der Innenwand verteilt. Ein Dochtmaterial ist an der Innenwand angebracht, um die Verteilung des Kondensats auf die gesamte Innenwandoberfläche zu verbessern und dadurch eine wirksame Verdampfung zu fördern. Eine weitere Schale bzw. ein weiterer Mantel sitzt in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung innerhalb des inneren Mantels der Verdampfungskammer, so daß ein innerer Ringraum mit becherförmiger Gestalt realisiert wird, der als Heizkanal zum Beheizen des inneren Mantels der Verdampfungskammer dient. Das Heizmedium fließt durch den Ringraum zwischen den beiden inneren Schalen und führt dabei die zum Verdampfen des Kondensats erforderliche Wärme zu. Der Heizkanal ist dabei Teil einer Verbrennungseinrichtung, welche die Wärme liefert, und zwar insbesondere in Form heißer gasförmiger Verbrennungsprodukte, die durch den ring- und becherförmigen Heizkanal strömen.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Kondensierkammer und die Verdampfungskammer über eine einzige Leitung verbunden sind, durch die das Kondensat zur Verdampfungskammer fließt, und durch die das verdampfte Heizmedium in entgegengesetzter Richtung zur Kondensierkammer fließt. Dort, wo die Leitung in die Verdampfungskammer eintritt, ist sie oberhalb des Pegels für das zurückfließende Kondensat mit ein oder mehreren Öffnungen versehen, so daß das verdampfte Heizmedium aus der Verdampfungskammer in die Leitung strömen kann, ohne durch das zurückfließende Kondensat behindert zu werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine halbschematische Querschnittsdarstellung eines Stirlingmotors mit dem verbesserten Heizsystem gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Detaildarstellung der Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 einen vergrößerten Längsschnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 1;

Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4 und

Fig. 6 einen im wesentlichen horizontalen Querschnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 5.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Heißgasmaschine 10 mit einem Heizsystem 12 gemäß der Erfindung. Mit Ausnahme des neuen Heizsystems 12 ist die Maschine 10 wie die in der US-PS 40 55 952 beschriebene Heißgasmaschine aufgebaut. Die Maschine 10 besitzt also eine Antriebseinheit mit einem Block bzw. einem Gehäuse 14, in dem eine Kurbelwelle 16 gelagert ist. Die Antriebseinheit besitzt einen Niedertemperatur-Kompressionszylinder 18 und einen Hochtemperatur-Expansionszylinder 20, der mit einer gegenüber der niedrigen Temperatur relativ höheren Temperatur arbeitet, wobei die beiden Zylinder 18, 20 V-förmig angeordnet sind. In jedem Zylinder 18, 20 befindet sich ein zugeordneter Kolben 22, 24, der über eine zugeordnete Kolbenstange 26, 28 mit einem zugeordneten Kreuzkopf 30, 32 verbunden ist, wobei die Kreuzköpfe 30, 32 ihrerseits mit Kurbelarmen 34, 36 verbunden sind, die mit der Kurbelwelle 16 verbunden sind. Die beiden Kolben 22, 24 arbeiten dabei,wie in der zitierten Patentschrift beschrieben, mit einer Phasenverschiebung von 90°.

Ein heißes Arbeitsgas, wie z.B. Helium, ist in einer geschlossenen Strecke zwischen den kopfseitigen Enden der Zylinder 18, 20 eingeschlossen. Diese geschlossene Strecke umfaßt ausgehend vom Kopfende des Kompressionszylinders 18 folgende Elemente: einen Kühler 40, einen Regenerator 42 und einen Kondensator 44, wobei letzterer Teil des Heizsystems 12 ist. Im Betrieb führt das Heizsystem 12 dem Arbeitsgas externe Wärme zu, wenn dieses den Kondensator 44 passiert.

Das Arbeitsgas bewegt sich zwischen den beiden Zylindern 18, 20 hin und her, wenn sich die Kolben 22, 24 in ihren Zylindern 18, 20 hin- und herbewegen. Das komprimierte Arbeitsgas wird veranlaßt, durch den Kühler 40 zu strömen, wo die Wärme aus dem Arbeitsgas abgezogen wird und als Verlustwärme aus dem Prozess abgeleitet wird. Der Regenerator 42 arbeitet als Kombination von Wärmequelle und Kühlvorrichtung, indem er abwechselnd Wärme aus dem Arbeitsgas absorbiert, wenn das ihn durchströmende Gas relativ heiß ist, und die absorbierte Wärme dann wieder an das Arbeitsgas abgibt, wenn er von relativ kaltem Arbeitsgas durchströmt wird. Der Kondensator 44 ist die Baugruppe, in der dem Arbeitsgas von außen zusätzliche Wärme zugeführt wird.

Aufgrund der beschriebenen Arbeitsweise verläuft ein Arbeitszyklus so, daß das heiße Gas expandiert, wodurch die Kurbelwelle 16 angetrieben wird und dabei eine nutzbare mechanische Leistung erzeugt. Der Arbeitszyklus ist ein kontinuierlicher Vorgang, wobei der Gesamtablauf sich so gestaltet, daß der Kondensator 44 eine Wärmequelle darstellt, an der externe Wärme zugeführt wird, während der Kühler 44 eine Kühlvorrichtung darstellt, an der Abfallwärme abgeführt wird. Das heiße Arbeitsgas durchläuft einen thermodynamischen Zyklus auf der geschlossenen Strecke zwischen den Kolben und Zylindern, welche Elemente dieser Strecke bilden, wobei an der Kurbelwelle eine mechanische Leistung entwickelt wird.

Einzelheiten des Aufbaus des Kondensators 44 können Fig. 1 bis 3 entnommen werden. Eine Anzahl von im wesentlichen identischen Einzelrohren 46 ist als Bündel zwischen einem Kopfstück 48 am einen Ende des Bündels und einem zweiten Kopfstück 50 am gegenüberliegenden Ende des Bündels angeordnet. Die im Einzelfall verwendete Anzahl von Rohren 46 ist eine Funktion verschiedener Gestaltungskriterien; ein Wert von 30 bis 40 Rohren pro Bündel wird jedoch als repräsentativ angesehen. Die einzelnen Rohre 46 haben vorzugsweise einen zylindrischen Querschnitt und zwischen den beiden Kopfstücken 48 und 50 eine S-förmige Gestalt. Die Rohre 46 verlaufen also im wesentlichen parallel zueinander, obwohl sie nicht gerade sind. Der Zweck der S- förmigen Ausbildung der Rohre 46 besteht darin, eine Wärmedehnung und -kontraktion zu ermöglichen.

Der Kondensator 44 besitzt ferner einen Mantel 52, der mit den Kopfstücken 48, 50 verbunden ist und das Bündel von Einzelrohren 46 umgibt. Der Mantel 52 besitzt eine im wesentlichen kreiszylindrische Wand 54, welche sich in Längsrichtung zwischen den beiden Kopfstücken 48, 50 erstreckt. Die Enden des Kondensators 44 sind so geformt, daß sich ein Abschluß zwischen der zylindrischen Wand 54 und den beiden Kopfstücken 48 und 50 ergibt. Die einzelnen Rohre 46 befinden sich somit in einer Kondensatorkanmer 55, welche durch die Wand 54 und die Verschlußbereiche des Mantels 52 gebildet wird, welche die beiden Kopfstücke 48 und 50 umgeben.

Während die Wand 54 in der Zeichnung als gerade Zylinderwand dargestellt ist, kann sie ausgewählte Bereiche 56 (Fig. 2) aufweisen, welche dem Ausgleich von Wärmedehnungen und -kontraktionen dienen.

Ein Ende des Bündels von Rohren 46 ist dichtend in das Kopfstück 48 eingepaßt, während das andere Ende des Bündels dichtend in das Kopfstück 50 eingepaßt ist. Die Kopfstücke 48, 50 bilden also Sammelräume, welche die einzelnen Rohre 46 miteinander und mit Bereichen 58 bzw. 60 der Gasstrecke verbinden, welche an den beiden Enden des Kondensators 44 liegen, wobei der zu dem Regenerator 42 führende Bereich 58 angrenzend an den Regenerator 42 angeordnet ist, während der Bereich 60 zwischen dem anderen Kopfstück 50 und dem Expansionszylinder 20 liegt.

Jedes der beiden Kopfstücke 48, 50 besitzt seine eigene Mittelachse 62 bzw. 64 und die Enden der Rohre 46 treten in die betreffenden Kopfstücke 48, 50 jeweils parallel zu deren Mittelachse 62 bzw. 64 ein. Bei der gezeigten S-förmigen Ausbildung der Rohre 46 fallen die Achsen der Kopfstücke 48, 50 also nicht zusammen und verlaufen unter einem Winkel zur Längsachse 66 der zylindrischen Wand 54.

Wie am besten aus Fig. 3 deutlich wird, sind die einzelnen Rohre 46 des Rohrbündels im Abstand voneinander und von der Außenwand 54 angeordnet.

Eine Verbindungsstrecke 68 verläuft zwischen dem Kondensator 44 und einem Verdampfer 70, wobei auch diese Elemente 68, 70 Teile des Heizsystems 12 sind. Die Verbindungsstrecke 68 besteht aus einem rohrförmigen Kanal, dessen eines Ende mit dem Inneren der Kondensationskammer 55 des Kondensators 44 in Verbindung steht. Dieser Anschluß ist mit Bezugszeichen 71 bezeichnet und als radialer Anschlußstutzen dargestellt, welcher angrenzend an das Kopfstück 48 an der Wand 54 vorgesehen ist. Dieser Anschlußpunkt liegt an einer relativ tiefen Stelle des Kondensators 44.

Das andere Ende der Verbindungsstrecke 68 steht mit einem relativ hochgelegenen Punkt einer Verdampfungskammer 72 des Verdampfers 70 in Verbindung. Die konstruktiven Einzelheiten können den Darstellungen gemäß Fig. 4 bis 6 entnommen werden. Der Kanal 68 ist räumlich an einem höheren Punkt des Kondensators 44 angeschlossen als dessen Verbindung mit der Verdampfungskammer 72.

Betrachtet man speziell Fig. 4 der Zeichnung, so wird deutlich, daß der Verdampfer 70 drei becherförmige Mäntel 74, 76, 78 aufweist, die ineinander geschachtelt sind, wobei der Mantel 74 in dem Mantel 76 sitzt, der seinerseits in dem Mantel 78 sitzt. Die Achse 80 des Verdampfers 70 verläuft im wesentlichen senkrecht.

Jede Schale bzw. jeder Mantel 74, 76, 78 umfaßt eine zvlindrische Seitenwand 74A, 76A, 78A sowie einen Boden 74,B, 76B, 78B. Die beiden Schalen 74, 76 definieren gemeinsam einen Strömungskanal 81, durch den heiße gasförmige Produkte einer Verbrennungsströmung in Richtung der in Fig. 4 eingezeichneten Pfeile 82 hindurchströmen. Die Quelle dieser Gase ist eine Verbrennungseinrichtung 83, welche zum Zusammenwirken mit der innersten Schale 74 angeordnet ist. Die Verbrennungseinrichtung 83 umfaßt eine Verbrennungszone, in der ein flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff verbrannt wird. Der Boden 74B der Schale 74 besitzt eine Öffnung 84, durch die die Verbrennungsgase in einen Ringraum eintreten, der durch die beiden Schalen bzw. Mäntel 74, 76 definiert wird. Nach dem Passieren der Öffnung 84 strömen die heißen Verbrennungsgase nach außen und dann längs der Wand des Mantels 76 nach oben. Fig. 4 zeigt, daß zwischen den beiden Schalen bzw. Mänteln 74, 76 eine Rippenanordnung 86 angeordnet ist. Letztere fördert den Wärmeübergang von den heißen gasförmigen Verbrennungsprodukten auf die Wand des Mantels 76, indem sie eine größere Oberfläche für die Wärmeübertragung schafft.

Der Mantel 76 und der Mantel 78 definieren gemeinsam die Verdampfungskammer 72 und sind an einer ringförmigen Verbindungsstelle 88 dichtend miteinander verbunden.

Die Verdampfungskammer 72 hat somit eine im wesentlichen becherförmige Gestalt.

Das Erhitzen des Mantels 76 in der oben beschriebenen Weise bewirkt eine Beheizung der Verdampfungskammer 72. Die Leitung bzw. die Verbindungsstrecke 68 ist an dem Verdampfer im Bereich des oberen Randes der becherförmigen Verdampfungskammer 72 angeschlossen, so daß die Verdampfungskammer 72 die Kondensationskammer 55 und die Verbindungsleitung 68 ein vollständig geschlossenes Volumen definieren.

Ein geeignetes thermisches Medium, welches in dem hier interessierenden Temperaturbereich in der flüssigen Phase und in der Dampfphase vorliegen kann, ist innerhalb des geschlossenen Volumens 55, 68, 72 angeordnet. Ein geeignetes Medium ist Natrium. Kurz gesagt, wird das Natrium in der Verdampfungskammer 72 durch die von der Verbrennungseinrichtung 83 in der oben beschriebenen Weise zugeführten Wärme verdampft. Der Dampf strömt durch die Leitung 68 zu der Kondensationskammer 55, wo er an den einzelnen Rohren 46 des Rohrbündels entlangstreicht. Der Dampf kondensiert an den Rohren 46, wobei er Wärmeenergie an das heiße Arbeitsgas der Maschine abgibt, wenn dieses durch die Rohre 46 strömt. Das flüssige Kondensat fließt durch die Leitung 68 in den Verdampfer 70 zurück, wo es erneut verdampft wird. Dies ist ein kontinuierlicher Prozess, bei dem das Heizen des Verdampfers durch die Verbrennungseinrichtung zu einer Zirkulation des Heizmediums in der vorstehend beschriebenen Weise führt.

Der äußerste Mantel 78 besitzt eine Öffnung 90, durch die ein Ende der Leitung 68 hindurch in die Verdampfungskammer 72 geführt ist. Die Leitung 68 tritt in die Verdampfungskammer 72 vorzugsweise mit einem kleinen Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen ein, so daß das zurückkehrende Kondensat unter dem Einfluß der Schwerkraft in den Verdampfungsraum 72 fließt. Die Längsachse der Leitung 68 verläuft also im wesentlichen radial, jedoch unter einem Winkel, und die Leitung 68 reicht bis zu der zylindrischen Wand 76A des Mantels 76.

Auf der Höhe des inneren Endes der Leitung 68 verläuft ein Ring 92 im Inneren der Verdampfungskammer 72 rings um die Außenseite des Mantels 76 und bildet eine flache ringförmige Rinne 94 am Boden eines Kanals 95, der durch den Ring 92 einerseits und den Mantel 76 andererseits definiert ist. Das zurückkehrende Kondensat fließt beim Verlassen der Leitung 68 zunächst in die Rinne 94, wobei in dem Ring 92 Öffnungen 96 für das Kondensat vorgesehen sind. Der Kanal 95 mit der Rinne 94 dient dazu, das Kondensat auf den gesamten oberen Umfang der Verdampfungskammer 72 zu verteilen, so daß das Kondensat den heißen Mantel 76 im wesentlichen vollständig benetzt, wodurch eine wirksame Verdampfung des umlaufenden Natriums erreicht wird. Im einzelnen erfolgt die Benetzung dadurch, daß in Abständen längs des Ringes 92 Öffnungen 96 vorgesehen sind, die über der Unterkante des Ringes 92 enden, der dichtend mit der Wand 76A des Mantels 76 verbunden ist, um die Rinne 94 zu schaffen. Wenn der Pegel des flüssigen Natriums in der Rinne 94 ansteigt, ergibt sich ein Überlaufen durch die Öffnungen 96, von wo das flüssige Natrium an der Wand 76A nach unten rinnt.

Zur weiteren Förderung der Benetzung der Wand 76A ist unterhalb des Ringes 92 auf dem gesamten Umfang des Mantels 76 ein Dochtmaterial 98 angeordnet, welches auf der Außenseite des Mantels 76 eine Schicht bildet, die dick genug ist, das flüssige Natrium aufzusaugen und gleichmäßig zu verteilen. Die Schicht ist jedoch nicht dick genug, um die Verdampfungskammer zu verstopfen, so daß der restliche Raum für den Natriumdampf frei bleibt. Die verdampfte Flüssigkeit strömt nach oben durch den Verdampfungsraum 72 hindurch und tritt in die Leitung 68 über ein oder mehrere Öffnungen 100 ein, die über dem Pegel des zurückfließenden Kondensatstroms liegen. Die Öffnungen 100 befinden sich also in der Seitenwand der Leitung 68 über dem Kondensatpegel, wobei es wünschenswert sein kann, an der Verbindungsstelle zwischen dem Leitungsende und dem Verdampfer eine Verstärkung bzw. einen Ausguß 102 anzubringen. Der Durchmesser der Leitung 68 wird jedenfalls ausreichend groß gewählt, so daß die Flüssigkeitsströmung und die Dampfströmung beide durch die Leitung 68 hindurchfließen können, ohne sich zu beeinträchtigen. In Fig. 5 und 6 ist die Strömungsrichtung des zurückfließenden Kondensats durch Pfeile 104 angedeutet, während die Richtung der Dampfströmung durch Pfeile 106 angedeutet ist.

Aufgrund der beschriebenen neuartigen Konstruktion des Heizsystems kann das Arbeitsgas auf eine höhere Temperatur erhitzt werden, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt, ohne bei gegebenen Grenztemperaturen für die verwendeten Bauteile eine Verringerung der Lebensdauer zu bewirken.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird ferner deutlich, daß lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, und daß dem Fachmann ausgehend von diesem Ausführungsbeispiel zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote stehen, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müßte.


Anspruch[de]
  1. 1. Heißgasmaschine, in der ein Arbeitsgas längs einer geschlossenen Strecke zwischen einem kälteren Kompressionszylinder und einem heißeren Expansionszylinder hin- und herströmt, wobei längs der Strecke eine Wärmequelle und eine Kühlvorrichtung angeordnet sind, die in Verbindung mit dem Expansionszylinder und dem Kompressionszylinder auf das Gas einwirken, um für dieses einen thermodynamischen Zyklus herbeizuführen, in dessen Verlauf durch die Maschine verwertbare mechanische Antriebsenergie erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (12) folgende Elemente umfaßt:

    1. a) Mehrere einzelne Rohre (46), von denen jedes einen Teil der geschlossenen Strecke (18, 20, 40, 42, 44) für das Arbeitsgas bildet, und die im Abstand voneinander nebeneinander angeordnet und derart von einem Mantel (52) umgeben sind, daß eine geschlossene Kondensierkammer (55) gebildet wird, durch die die Rohre (46) hindurchgehen;
    2. b) einen Verdampfer (70), welcher eine geschlossene Verdampfungskammer (72) besitzt;
    3. c) Verbindungseinrichtungen (68), welche die Verdampfungskammer (72) und die Kondensierkammer (55) miteinander verbinden und zusammen mit diesen Kammern (55, 72) ein abgeschlossenes Volumen definieren, in dem sich ein Heizmedium befindet, welches einen gasförmigen und einen flüssigen Zustand annehmen kann; und
    4. d) Heizeinrichtungen (83) für den Verdampfer (70) zum Beheizen der Verdampfungskammer (72) und zum Verdampfen des Heizmediums, wobei die Kammern (55, 72) und die Verbindungseinrichtungen (68) so ausgebildet und angeordnet sind, daß das Beheizen des Heizmediums dazu führt, daß dieses in einem geschlossenen Kreislauf umläuft, derart, daß es in der Verdampfungskammer (72) verdampft wird, die Verbindungseinrichtungen (68) durchströmt, in die Kondensierkammer (55) eintritt und die Rohre (46) umströmt und dabei kondensiert und Wärmeenergie auf das durch die Rohre (46) strömende Arbeitsgas überträgt und dann als kondensierte Flüssigkeit aus der Kondensierkammer (55) über die Verbindungseinrichtungen (68) in die Verdampfungskammer (72) zurückfließt, wo es erneut verdampft wird.


  2. 2. Heißgasmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (46) parallel zueinander angeordnet sind.
  3. 3. Heißgasmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (46) alle im wesentlichen dieselbe Länge haben und daß die Rohre an ihrem einen Ende mit einem ersten gemeinsamen Kopfstück (48) und an ihrem anderen Ende mit einem zweiten gemeinsamen Kopfstück (50) verbunden sind.
  4. 4. Heißgasmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (46) zwischen den Kopfstücken (48, 50) eine gekrümmte Form aufweisen, welche Wärmedehnungen und -kontraktionen ermöglicht.
  5. 5. Heißgasmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (46) S-förmig gekrümmt sind.
  6. 6. Heißgasmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kopfstück (48, 50) seine eigene Mittelachse (62, 64) aufweist, daß die Enden der Rohre (46) in die beiden Kopfstücke (48, 50) parallel zu deren Mittelachsen (62, 64) eintreten und daß die Mittelachsen (62, 64) der Kopfstücke (48, 50) unter einem Winkel zueinander verlaufen.
  7. 7. Heißgasmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (52), welcher die Kondensierkammer (55) umgibt, einen Bereich (56) aufweist, welcher Wärmedehnungen und -kontraktionen in axialer Richtung ermöglicht.
  8. 8. Heißgasmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (52) eine zylindrische Wand (54) umfaßt, welche sich in Längsrichtung der Rohre (46) erstreckt, sowie Verschlußeinrichtungen, welche die Enden der zylindrischen Wand (54) bezüglich der Kopfstücke (48, 50) schließen.
  9. 9. Heißgasmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Rohre (46) S-förmig gekrümmt ist, daß jedes der Kopfstücke (48, 50) seine eigene Achse (62, 64) aufweist, daß die Rohrenden in den beiden Kopfstücken (48, 50) jeweils parallel zu deren Achse (62, 64) aufgenommen werden und daß die Achsen (62, 64) der Kopfstücke (48, 50) nicht auf einer Linie liegen.
  10. 10. Heißgasmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen eine rohrförmige Leitung (68) umfassen, welche die Kondensierkammer (55) an einem niedrigen Punkt ihres Mantels (52) mit einem hohen Punkt der Verdampfungskammer (72) des Verdampfers (70) verbindet und daß der niedrige Punkt des Mantels (52) in senkrechter Richtung über dem hohen Punkt der Verdampfungskammer (72) angeordnet ist.
  11. 11. Heißgasmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (70) einen inneren Mantel (76) und einen äußeren Mantel (78) aufweist und daß die beiden Mäntel (76, 78) einen ringförmig becherförmigen Zwischenraum als Verdampfungskammer (72) definieren und daß der hohe Punkt der Verdampfungskammer (72) am oberen Rand des ring- und becherförmig ausgebildeten Zwischenraums angeordnet ist.
  12. 12. Heißgasmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (83) für die Verdampfungskammer (72) Wärmeübertragungseinrichtungen (81, 86) umfaßt, mit deren Hilfe der Außenseite des inneren Mantels (76) der Verdampfungskammer (72) Wärme zuführbar ist, daß an der Innenseite des inneren Mantels (76) in der Verdampfungskammer (72) ein Dochtmaterial (98) vorgesehen ist, um die Verteilung des flüssigen Heizmediums über die Innenseite des inneren Mantels (76) zu fördern, und daß die Verbindungseinrichtungen (68) derart angeordnet sind, daß das kondensierte flüssige Heizmedium, welches zu der Verdampfungskammer (72) zurückfließt, zur Innenseite des inneren Mantels (76) gelenkt wird.
  13. 13. Heißgasmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine flache Rinne (94) vorgesehen ist, welche den inneren Mantel (76) auf seiner Innenseite umgibt, um zu der Verdampfungskammer (72) zurückkehrendes flüssiges Heizmedium aufzunehmen und dieses ringförmig bezüglich der Innenseite des inneren Mantels (76) zu verteilen, derart, daß die Rinne (94) überläuft und das Heizmedium an der Innenseite des inneren Mantels (76) abwärts fließt und das Dochtmaterial tränkt.
  14. 14. Heißgasmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (70) einen inneren Mantel (76) und einen äußeren Mantel (78) aufweist, die die Verdampfungskammer (72) in Form einer ringförmigen, aufrecht angeordneten und becherförmigen Kammer definieren und daß die Verbindungseinrichtungen eine rohrförmige Leitung (68) umfassen, welche mit der Verdampfungskammer (72) im Bereich des Randes des ringförmigen, aufrecht angeordneten becherförmigen Raums verbunden ist.
  15. 15. Heißgasmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (83) für die Verdampfungskammer (72) Wärmeübertragungseinrichtungen (81, 86) umfaßt, mit deren Hilfe einem der Mäntel (76, 78) auf seiner Außenseite Wärme zuführbar ist und daß die rohrförmige Leitung (68) derart angeordnet ist, daß das zu der Verdampfungskammer (72) zurückfließende flüssige Heizmedium zu diesem Mantel gelenkt wird.
  16. 16. Heißgasmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Verdampfungskammer (72) an dem beheizten Mantel (76) ein Dochtmaterial (98) angeordnet ist, um die Verteilung des flüssigen Heizmediums auf der Innenseite dieses Mantels (76) zu fördern, daß rings um die Innenseite des beheizten Mantels (76) eine flache Rinne (94) verläuft, die so angeordnet ist, daß ihr das zurückfließende flüssige Heizmedium aus der rohrförmigen Leitung (68) zuführbar ist, und die das flüssige Heizmedium in Umfangsrichtung längs der Innenseite des beheizten Mantels (76) verteilt und das flüssige Heizmedium überlaufen läßt, so daß dieses an der Innenseite abwärts fließt und das Dochtmaterial (98) tränkt.
  17. 17. Heißgasmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Leitung (68) Verbindungseinrichtungen (100) aufweist, über die der an das Dochtmaterial (98) angrenzende freie Raum der Verdampfungskammer (72) mit der rohrförmigen Leitung (68) verbindbar ist, um verdampftes Heizmedium aus diesem freien Raum über die rohrförmige Leitung (68) in die Kondensierkammer (55) zu leiten.
  18. 18. Heißgasmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der beheizte Mantel (76) der innere Mantel ist.
  19. 19. Heißgasmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen eine einzige Leitung (68) umfassen, welche gleichzeitig dem Transport des flüssigen und des dampfförmigen Heizmediums dient.
  20. 20. Heißgasmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer einen inneren Mantel (76) und einen äußeren Mantel (78) umfaßt, welche gemeinsam die Verdampfungskammer (72) bilden und daß die Heizeinrichtung (83) einen weiteren Mantel (74) umfaßt, der so angeordnet ist, daß er mit dem inneren oder dem äußeren Mantel (76, 78) zusammenwirkt, um eine Heizzone (81) für das Heizmedium zu bilden, durch die ein Heizfluid geleitet wird, um durch den einen Mantel (76) hindurch Wärme zu übertragen, um das Heizmedium in der Verdampfungskammer (72) zu verdampfen.






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