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Dokumentenidentifikation DE3806114A1 08.06.1989
Titel Thermisch isolierende Erhitzer-Gehäuse-Auskleidung und Verbrennungsluftführung für Stirling- bzw. Heißgasmotor
Anmelder MAN Technologie GmbH, 8000 München, DE
Erfinder Erber, Anton, 8901 Mühlhausen, DE;
Hoff, Heinz, Dipl.-Ing. (FH), 8901 Königsbrunn, DE;
Reuchlein, Günter, Dipl.-Ing., 8900 Augsburg, DE;
Schaaf, Hanno, Dipl.-Ing., 8904 Friedberg, DE;
Schießl, Gerhard, 8900 Augsburg, DE
DE-Anmeldedatum 26.02.1988
DE-Aktenzeichen 3806114
Offenlegungstag 08.06.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.06.1989
IPC-Hauptklasse F02G 1/055
Zusammenfassung Bei einem Stirling- bzw. Heißgasmotor wird eine thermisch isolierende Auskleidung (8) für das Gehäuse des Erhitzersystems (1/6) vorgeschlagen, die sicherstellt, daß an der Außenseite des Erhitzersystems nur niedrige, für im Umfeld tätige Personen unkritische Temperaturen herrschen. Dies wird dadurch erreicht, daß das Gehäuse des Erhitzersystems (1/6), beabstandet von der Außenwand (1/7), eine innere Dämmwand (9) aus einzeln nebeneinander angeordnet austauschbar fixierten Isolationselementen, nämlich Keramikplatten (14) und Keramikrohren (19) oder nur Keramikrohren (24), angeordnet ist und daß der, gegebenenfalls durch eine Zwischenlage (10) aus Keramikpapier begrenzte Zwischenraum zwischen Außenwand (1) und innerer Dämmwand (9) durch keramisches Faser- oder Schüttgut-Dämmaterial (11) ausgefüllt ist. Ferner wird vorgeschlagen, die Verbrennungsluftführung (6) zwischen einem Luftvorwärmer und einem Brenner durch eine größere Anzahl von in wenigstens einer Reihe nebeneinander angeordneten Rohren (6/1) zu bilden. Diese Rohre sichern gleichbleibend günstige Strömungsverhältnisse und sind wesentlich stabiler als bisherige Blechschachtluftführungen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Stirling- bzw. Heißgasmotor mit Merkmalen entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 8.

Als thermische Auskleidung des Gehäuses eines Erhitzersystems ist folgende Lösung bekannt geworden, bei der ein Erhitzer-Raum durch eine sich innen direkt an der Außenwand des Gehäuses anschließende Ausmauerung mit Schamott-Steinen thermisch isoliert ist. Solche Ausmauerungen erweisen sich aber nicht in allen Fällen als geeignet, weil deren Wärmedämmung nach außen ungenügend sein kann. Die im Erhitzer- Raum üblicherweise herrschenden Rauchgastemperaturen von ca. 2000°C können mit einer solchen Ausmauerung nur begrenzt eingedämmt werden, d.h., die Außenwand des Gehäuses des Erhitzersystems strahlt Wärme mit so hohen Temperaturen ab, daß ein Einsatz des so ausgestatteten Stirling- bzw. Heißgasmotors in eng begrenzten Räumen, in denen sich auch Personen aufhalten müssen, weitestgehend ausgeschlossen ist.

Ähnlich nachteilige Lösungen waren bisher auch hinsichtlich der Verbrennungsluftführung gegeben. Die Verbrennungsluftführung erfolgt bei bekannten Stirlingmotoren (siehe beispielsweise US-PS 38 11 272, GB-PS 13 94 033, GB-Anm. Nr. 15 386/75, SE-Anm. Nr. 73 01 058-9) über einen einzigen, durchgehenden Kanal zwischen Luftvorwärmer und Brenner. Dabei wurden diese Kanäle durch gerade Blechschächte mit ebenen Wänden oder - bei kleineren Motoren mit nur einem Brenner und runder Anordnung der Erhitzerrohre und Luftvorwärmer - durch konzentrisch ineinander angeordnete, kegelförmige Blechmäntel gebildet. Bei Stirlingmotoren mit Erhitzerräumen größerer Ausdehnung und besonders bei Motoren mit mehreren in Reihe angeordneten Erhitzerräumen führt die hohe thermische Belastung zum Ausbeulen und Knicken dieser ebenen bzw. schwach gewölbten Wände der Verbrennungsluftschächte. Dadurch entstehen wiederum schlechte Strömungsverhältnisse an der luftseitigen Blechoberfläche, was zu verminderter Kühlung durch die vorgewärmte Verbrennungsluft und schließlich zu Überhitzungen, schlimmstenfalls gar zum Durchbrennen der Blechwände führt.

Bei erhöhten Luftdurchsätzen müssen diese Blechschächte wegen des höheren Druckunterschiedes außerdem durch Rippen oder Stege versteift werden, was sehr kostspielig sein kann.

Es ist daher erste Aufgabe der Erfindung, eine thermisch isolierende Auskleidung für das Gehäuse des Erhitzersystems eines Stirling- bzw. Heißgasmotors zu schaffen, die die im Erhitzer-Raum auftretenden hohen Rauchgastemperaturen so weit dämmt, daß an der Außenseite des Gehäuses nur eine geringfügig über normalen Raumtemperaturen liegende Wärmeabstrahlung auftreten kann.

Zweite Aufgabe der Erfindung ist es, für den Stirling- bzw. Heißgasmotor eine Einrichtung zur Verbrennungsluftführung zu schaffen, die aus einfachen und formstabilen Organen besteht, welche gleichbleibend günstige Strömungsverhältnisse ermöglichen und immer hinreichend wirksam durch die durchströmende Verbrennungsluft kühlbar sind.

Die erfindungsgemäße Lösung der ersten Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet.

Durch die mehrschichtige keramische Auskleidung des Gehäuses des Erhitzersystems erfolgt der Temperaturabbau von innen nach außen praktisch in zwei Stufen. Die innere Dämmwand mit ihren keramischen Isolationselementen wirkt als Hitzeschild. An der Rückseite dieser Isolationselemente herrscht bereits ein niedrigeres Temperatur-Niveau als im Erhitzer-Raum. Diese Temperatur wird durch die Zwischenraum-Ausfüllung mit keramischem Faser- oder Schüttgut-Dämmaterial noch soweit abgebaut, daß an der Außenseite des Gehäuses des Erhitzersystems an den für Personen, z.B. Bedienungs- oder Wartungspersonal, zugänglichen Stellen nur noch Temperaturen unter 100°C herrschen. Außerdem ist es aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion möglich, etwaige defekte Teile der inneren Dämmwand mit wenigen Handgriffen auszutauschen. Letzteres erweist sich insbesondere bei Stirling- bzw. Heißgasmotoren in instationären Anlagen, an denen starke Vibrationen oder sonstige möglicherweise zum Bruch des Keramikmaterials führende Erschütterungen auftreten, als sehr zweckmäßig.

Die erfindungsgemäße Lösung der zweiten Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruches 8 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen 9 bis 23 angegeben.

Dabei ist die Einrichtung zur Verbrennungsluftführung durch eine größere Anzahl von zwischen einem Luftvorwärmer und einem Brenner in wenigstens einer Reihe nebeneinander zu einer Rohrwand angeordneten Rohren gebildet.

Diese Rohre sind vergleichsweise billig, außerdem leicht mit dem Luftvorwärmer und Brenner zu verbinden und garantieren wegen ihrer Formbeständigkeit immer gleichbleibend günstige Strömungsverhältnisse zwischen Luftvorwärmer und Brenner sowie eine hinreichende innere Kühlung.

Nachstehend sind die erfindungsgemäßen Lösungen anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Erhitzersystem eines Stirling- bzw. Heißgasmotors quer zur Rauchgasströmungsrichtung mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Auskleidung,

Fig. 2 das Erhitzersystem gemäß Fig. 1 mit einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Auskleidung,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Erhitzersystem gemäß Fig. 1 entlang Linie III-III,

Fig. 4 einen Schnitt durch das Erhitzersystem gemäß Fig. 2 entlang Linie IV-IV,

Fig. 5 einen Schnitt durch die Auskleidung des Erhitzersystems gemäß Fig. 1 entlang Linie V-V von Fig. 3,

Fig. 6 einen Schnitt durch die Auskleidung des Erhitzersystems gemäß Fig. 1 entlang Linie VI-VI von Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt durch die Auskleidung des Erhitzersystems gemäß Fig. 2 entlang Linie VII-VII von Fig. 4,

Fig. 8 einen Schnitt durch die Auskleidung des Erhitzersystems gemäß Fig. 2 entlang Linie VIII-VIII von Fig. 7,

Fig. 9 eine Querschnittsvariante zu den bei der Auskleidung gemäß Fig. 2 verwendeten Rohren,

Fig. 10 einen Querschnitt durch einen Stirling- bzw. Heißgasmotor mit in Reihe angeordneten Zylindern,

Fig. 11 einen Querschnitt durch einen Stirling- bzw. Heißgasmotor mit V-förmig angeordneten Zylindern,

Fig. 12 einen Querschnitt durch einen hinsichtlich der Verbrennungsluftführung von jenem nach Fig. 11 verschiedenen Stirling- bzw. Heißgasmotor mit V-förmig angeordneten Zylindern, und

Fig. 13 Details einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungsluftführung.

In den Figuren sind gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile oder Teile derselben mit gleichem Bezugszeichen angezogen.

Die in den Fig. 10 bis 12 weitgehend schematisiert dargestellten Stirling- bzw. Heißgasmotoren 1 haben hinsichtlich Ausbildung und Anordnung des Triebwerks 1/1, des Maschinengehäuses 1/2, der Zylinder 1/3 mit darin arbeitenden Kolben, der Kolbenstangendichtungen 1/4, der Regenerator-Kühler- Einheiten 1/5 und der arbeitsgasführenden Leitungswege eine übliche Konstruktion. Für das Verständnis der erfindungsgemäßen Lösungen ist nur der Bereich des Erhitzersystems 1/6 notwendig, das praktisch den Kopf eines Motors 1 bildet.

Das Erhitzersystem 1/6 hat ein Gehäuse mit einer Außenwand 1/7, die innseitig durch eine Auskleidung thermisch isoliert ist. Außerdem umfaßt das Erhitzersystem 1/6 wenigstens einen Brenner 1/8 zur Rauchgaserzeugung sowie wenigstens einen, beispielsweise durch einen ein- oder mehrstufigen Kreuzstromplattenwärmetauscher gebildeten Luftvorwärmer 1/9 und eine Einrichtung 6 zur kanalisierten Verbrennungsluftführung. Der Luftvorwärmer 1/9 wird sowohl von vom Brenner 1/8 erzeugten Rauchgasen (in Richtung des Pfeiles 1/10) als auch von mittels eines nicht dargestellten Gebläses geförderter Luft (in Richtung des Pfeiles 1/11) durchströmt, die dabei erwärmt wird.

Der Brenner 1/8 ist als für Stirling- bzw. Heißgasmotoren 1 übliches Gesamtaggregat mit Luftverwirbelungseinrichtung, Einspritzvorrichtung, Zündeinrichtung, Brennkammer, Rezirkulationseinrichtungen und dergleichen zu verstehen.

Der mit vorgewärmter Luft und Brennstoff, z.B. Öl oder Gas, versorgte Brenner 1/8 erzeugt Rauchgas mit einer Temperatur in der Größenordnung von 2000°C, das zunächst im räumlich begrenzten Erhitzerraum 2 Wärme an Erhitzerrohre 3 zur Erwärmung des diese durchströmenden Arbeitsgases (z.B. Helium) auf Arbeitsprozeßtemperatur abgibt, dann im Luftvorwärmer 1/9 noch Wärme abgibt und schließlich außerhalb des Erhitzersystems 1/6 mittels eines Abgasrohres abgeführt wird.

Die Erhitzerrohre 3 sind in an sich bekannter Weise an nicht dargestellten Sammelkanälen angeschlossen und führen im Beispiel gemäß Fig. 1 und 2 in einer unteren Ebene - strichpunktierte Linie 4 - mit Teilabschnitten 3/1 parallel verlaufend in den Erhitzer-Raum 2 hinein und sind dort mit U-förmig gebogenen, beabstandet parallel nebeneinander verlaufenden Abschnitten 3/2 angeordnet, die eine quer zur Rauchgasströmungsrichtung ausgerichtete Erhitzerrohrwand bilden. Im Fall von Fig. 11 und 12 sind wegen der V-förmigen Anordnung der Zylinder 1/3 und zugeordneten Regenerator-Kühler-Einheiten 1/5 zwei solcher Erhitzerrohrwände im Erhitzer-Raum 2 vorhanden.

Der von den Rauchgasen durchströmte Erhitzer-Raum 2 ist zur Bildung eines Rauchgaskanals allseitig begrenzt, und zwar unten durch eine im einzelnen nicht näher erläuterte thermisch isolierende Wärmedämmschicht 5, oben durch die Einrichtung 6 zur Verbrennungsluftführung und eine außen davor angrenzende oder geringfügig beabstandete Wärmedämmschicht 7, sowie links und rechts durch eine isolierende Auskleidung 8, Details siehe Fig. 1 bis 9.

Jede Auskleidung 8 besteht erfindungsgemäß aus einer im Gehäuse des Erhitzersystems 1/6 von der Außenwand 1/7 beabstandet angeordneten inneren Dämmwand 9 aus einzeln nebeneinander angeordnet austauschbar fixierten Isolationselementen aus Keramikmaterial, und der, gegebenenfalls durch eine Zwischenlage aus Keramikpapier 10 begrenzte Zwischenraum zwischen Außenwand 1/7 und Dämmwand 9 ist durch keramisches Faser- oder Schüttgut-Dämmaterial 11 ausgefüllt.

Die innere Dämmwand 9 erstreckt sich zwischen zwei Randleisten 12, 13 aus hitzebeständigem Metall, die äußerhalb des rauchgasdurchströmten Erhitzer-Raumes 2 innen an der Außenwand 1/7 befestigt, z.B. angeschweißt oder angeschraubt sind und sowohl als Tragleisten für die Dämmwand 9 als auch als obere und untere Begrenzungswand für den mit Dämmaterial ausgefüllten Zwischenraum dienen.

Im Fall von Fig. 1 ist die innere Dämmwand 9 der Auskleidung 8 durch eine Vielzahl von rechteckigen Keramikplatten 14 gebildet, die - wie im Detail aus Fig. 3, 5 und 6 ersichtlich - an ihren Längsseiten Nuten 15, 16, insbesondere mit etwa halbrundem Querschnitt, aufweisen und über diese Nuten 15, 16, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Keramikpapierlage 17, 18 von Keramikrohren 19 getragen werden. Diese Keramikrohre 19 erstrecken sich zwischen den beiden Randleisten 12, 13 und sind endseitig jeweils an einer derselben lösbar fixiert. Mit besonderem Vorteil ist jedes der Keramikrohre 19 mit einer durchgehenden Keramikschnur bzw. einem durchgehenden Keramikzopf 20 ausgefüllt, der verhindert, daß bei einem etwaigen Bruch eines Rohres 19 dessen Bruchstücke und in deren Bereich angeordnete Keramikplatten 14 in den Erhitzer-Raum 2 fallen können. Die Befestigung der Keramikrohre 19 erfolgt durch Stahl- oder Keramik-Nägel 21, die durch abstandsmäßig exakt auf die Rohrlagen abgestimmt in den Randleisten 12, 13 vorhandene Löcher 22 hindurch stirnseitig in den Rohrinnenraum, dort insbesondere in die Füllung 20, eingetrieben werden. Die Keramikplatten 14 haben eine Dicke von beispielsweise 30 mm; die zugehörigen Keramikrohre 19 haben einen Außendurchmesser von etwa 18 mm.

Im Fall von Fig. 2 ist die innere Dämmwand 9 der Auskleidung 8 durch eine Lage von unmittelbar aneinander oder über einen zwischengelegten Keramikpapierstreifen 23 aneinander angrenzend angeordneten Keramikrohren 24 gebildet. Diese weisen als Füllung 25 ebenfalls eine Keramikschnur bzw. einen Keramikzopf auf, erstrecken sich ebenfalls zwischen den beiden Randleisten 12, 13 und sind endseitig jeweils an einer derselben ebenfalls mittels Stahl- bzw. Keramik-Nägeln 26 lösbar fixiert, welche letztere durch in den Randleisten 12, 13 entsprechend dem Rohrabstand vorbereitete Löcher 27 hindurchgeführt und in den Bereich der Füllung 25 eingetrieben sind. Die Keramikrohre 24 können einen Kreisring-Querschnitt, wie in Fig. 7, 8 gezeigt, oder einen etwa rechteckigen Ringquerschnitt mit einer Nut 28 längs der einen Längsseite und einen für Einpassung in jene Nut des benachbarten Rohres geeigneten Randwulst 29 auf der gegenüberliegenden Längsseite - wie aus Fig. 9 ersichtlich - haben. Der Durchmesser bzw. die Dicke dieser Keramikrohre 24 beträgt beispielsweise 35 mm.

Bei dem Dämmaterial 11 im Zwischenraum zwischen Außenwand 1/7 und innerer Dämmwand 9 kann es sich um Wirrfliesmatten aus keramischen Fasern oder Schüttgut aus Keramikfaserbruchstücken, Keramikplatten-Bruchstücken oder keramisches Mahlgut handeln. Durch die Dichte des Wirrflieses bzw. die Korn- oder Bruchstückgröße des Schüttgutes kann der Luftanteil und damit die Isolationswirkung dieser Wärmedämmschicht eingestellt werden. Die Dicke dieser äußeren Schicht von Dämmaterial 11 beträgt etwa das 2- bis 4-fache der Dicke der inneren Dämmwand 9.

Im Fall der Verwendung von Wirrfliesmatten als Dämmaterial kann auf die Zwischenlage der Keramikpapierschicht 10 zur inneren Dämmwand 9 hin verzichtet werden, während diese Keramikpapierschicht 10 bei Verwendung von Schüttgut als Dämmmaterial 11 deshalb zweckmäßig ist, weil letzteres im Falle eines Austausches eines gebrochenen Teiles der inneren Dämmwand 9 somit im Zwischenraum zwischen letzterer und der Außenwand 1/7 gehalten bleibt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Verbrennungsluftführung 6 besteht aus einer größeren Anzahl von in wenigstens einer Reihe (siehe Fig. 1 und 2) dicht nebeneinander verlaufend angeordneten Rohren 6/1 aus geeignetem, hochtemperaturbeständigem Metall- und/oder Keramikmaterial. Diese Rohre 6/1 bilden eine durchgehende Rohrwand und sind einerseits an einem Luftvorwärmer 1/9, andererseits an einem Brenner 1/8 angeschlossen. Durch diese Rohre 6/1 wird die im Luftvorwärmer 1/9 auf etwa 800-950°C vorgewärmte Luft zum Brenner 1/8 hindurchgeleitet.

Dabei sind äußerst günstige, gleichmäßige Strömungsverhältnisse und eine hinreichend gleichmäßige innere Kühlung aller außen von etwa 2000°C heißem Rauchgas beaufschlagten Rohre 6/1 erzielbar, denn letztere halten aufgrund ihrer Form (Kreisringquerschnitt) einem hohen Innendruck stand und beulen nicht aus.

Die verbrennungsluftführenden Rohre 6/1 können direkt aneinander anliegend oder mit geringem Abstand nebeneinander angeordent sein. Diese so erhaltene Rohrwand kann im Gehäuse des Erhitzersystems 1/6 unmittelbar angrenzend (siehe Fig. 10 und 11) oder geringfügig vor der thermisch isolierenden Wärmedämmschicht 7 (siehe Fig. 1, 2 und 12) angeordnet sein und bildet so nach oben hin eine zusätzliche thermische Abschirmung.

Die verbrennungsluftführenden Rohre 6/1 bestehen in jedem Fall aus hochtemperaturbeständigem Material, entweder metallischem Werkstoff, insbesondere geeignetem Stahl, oder Keramik, wie Siliziumkarbid (SiSiC) oder dergleichen, oder Metallkeramik. Keramik- bzw. Metallkeramik-Rohre 6/1 können auch metallische Endbereiche aufweisen.

Die verbrennungsluftführenden Rohre 6/1 können durch Schweißen, Kleben oder Löten mit jeweils hochtemperaturbeständigen Mitteln luftdicht und fest einerseits mit dem Luftvorwärmer 1/9, andererseits mit dem Brenner 1/8 verbunden sein, siehe Fig. 11. Damit sind sie als Rohrwand ausreichend steif, um beispielsweise den Brenner 1/8 freitragend zu halten. Dieser stoffschlüssig verschweißte Verbund eignet sich hauptsächlich für thermisch relativ gleichmäßig beanspruchte Rohre 6/1, also solche, die alle von Rauchgas mit örtlich im wesentlichen gleich hoher Temperatur von außen beaufschlagt werden.

Bei thermisch höher beanspruchten Verbrennungsluftführungen, hervorgerufen durch Brennerflammen mit kurzer Ausbrennlänge, würden örtlich unterschiedliche Temperaturen im Erhitzer- Raum 2 zu ungleicher Längenänderung der Rohre 6/1 führen. Insbesondere könnte sich dabei die Position des von den Rohren 6/1 gehaltenen Brenners 1/8, der gemäß Fig. 11 zentrisch im Gehäuse des Erhitzersystems 1/6 ausgerichtet ist, nach relativ kurzer Betriebsdauer unzulässig verändern, d.h., der Brenner 1/8 könnte sich schief stellen und dadurch eine unerwünschte örtliche Überhitzung im Erhitzersystem 1/6 bewirken. Um dem vorzubeugen, sind in solchem Fall, wie Fig. 10 und 12 zeigen, die luftführenden Rohre 6/1, der/die Luftvorwärmer 1/9 und der/die Brenner 1/8 in Modulbauweise lösbar miteinander als lose Bauteile aneinandergesteckt sowie gegenseitig aneinander abgestützt verbunden. Dabei sind die verbrennungsluftführenden Rohre 6/1, wie aus Fig. 13 ersichtlich, jeweils endseitig auf Anschlußrohrstutzen 30 am Brennereinlaß 31, bzw. 32 am Luftvorwärmerauslaß 33 aufgesteckt. Außerdem sind diese Verbindungen durch stirnseitig zwischengelegte Dichtungen 34, 35 aus hochtemperaturbeständigem Material, z.B. Keramikpapier, abgedichtet. Vorzugsweise sind die Dichtungen 34 bzw. 35 für mehrere nebeneinanderliegende Rohranschlüsse in einer zusammenhängenden Dichtungsplatte zusammengefaßt. Außerdem sind, wie ebenfalls aus Fig. 13 ersichtlich, die Anschlußrohrstutzen 30, 32 ballig ausgebildet und deren Außendurchmesser im balligen Bereich, um eine ausreichende Winkelabweichung der Mittelachsen von Anschlußrohrstutzen 30, 32 und Rohren 6/1 ohne Klemmen und Verkanten zu ermöglichen, so auf den Innendurchmesser der aufzusteckenden Rohre 6/1 abgestimmt, daß sich ein gegebener Spalt bis zum Erreichen der Betriebstemperatur zumindest weitestgehend schließt. Um dies zu erreichen, ist der Werkstoff der Anschlußrohrstutzen 30, 32 entsprechend in Bezug auf den Werkstoff der Rohre 6/1 und deren Wärmeausdehungsfaktoren abgestimmt und so gewählt, daß die Anschlußrohrstutzen 30, 32 bei Erwärmung eine größere Ausdehnung als die Rohre 6/1 erfahren und sich dabei ein fertigungsseitig genau hierauf abgestimmter Spalt zwischen Anschlußrohrstutzen 30, 32 und Rohr 6/1 bis zum Erreichen der Betriebstemperatur zumindest weitestgehend schließt.

Der bzw. die Luftvorwärmer 1/9 können mittelbar und starr mit dem Gehäuse des Erhitzersystems 1/6 oder dem Maschinengehäuse 1/2 des Motors 1 verbunden sein. In diesem Fall ist/sind der/die Brenner 1/8, wie aus Fig. 10 ersichtlich, um Lager 36 schwenkbar, bzw. wie aus Fig. 12 ersichtlich, axial verschiebbar im Gehäuse des Erhitzersystems 1/6 gelagert; außerdem sind in diesem Fall Luftvorwärmer 1/9, Brenner 1/8, Rohre 6/1 und Dichtungen 34, 35 mittels im kälteren Bereich des Erhitzersystems 1/6 angeordneter Druckfedern 37 über Druckstücke 38 so zusammengepreßt, daß die Verbindungen luftdicht abgeschlossen sind. Es ist demgegenüber aber auch der umgekehrte Fall möglich, nämlich den/die Brenner 1/8 mittelbar fest im Gehäuse des Erhitzersystems 1/6 zu verankern, den/die Luftvorwärmer 1/9 dagegen schwenkbar bzw. verschiebbar im Gehäuse des Erhitzersystems 1/6 bzw. am Maschiengehäuse 1/2 zu lagern und über besagte Druckfedern 37 und Druckstücke 38 die nötige Dichtheit der Verbindungen herzustellen.

Somit ist letztendlich eine Einrichtung zur Verbrennungsluftführung geschaffen, die den hohen thermischen Belastungen bestens standhält und außerdem sehr wartungsfreundlich ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Stirling- bzw. Heißgasmotor mit einem Erhitzersystem, dessen durch eine Außenwand räumlich begrenztes Gehäuse eine thermisch isolierende Auskleidung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse des Erhitzersystems (1/6), beabstandet von der Außenwand (1/7), eine innere Dämmwand (9) aus einzeln nebeneinander angeordnet austauschbar fixierten Isolationselementen (14 und 19 bzw. 24) aus Keramikmaterial angeordnet ist, und daß der gegebenenfalls durch eine Zwischenlage (10) aus Keramikpapier begrenzte Zwischenraum zwischen Außenwand (1/7) und innerer Dämmwand (9) durch keramisches Faser- oder Schüttgut-Dämmaterial (11) ausgefüllt ist.
  2. 2. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede Dämmwand (9) zwischen zwei Randleisten (12, 13) aus hitzebeständigem Metall erstreckt, die außerhalb des rauchgasdurchströmten Erhitzer- Raumes (2) innen an der Außenwand (1/7) befestigt, beispielsweise angeschweißt oder angeschraubt sind, und sowohl als Tragleisten für die Dämmwand (9) als auch als Begrenzungswände für den mit Dämmaterial (11) ausgefüllten Zwischenraum dienend ausgebildet sind.
  3. 3. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Dämmwand (9) durch sich zwischen den beiden Randleisten (12, 13) erstreckende, dort endseitig lösbar fixierte, unmittelbar aneinander oder über je einen zwischengelegten Keramikpapierstreifen (23) aneinander angrenzend angeordnete Keramikrohre (24) gebildet ist.
  4. 4. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Dämmwand (9) durch eine Vielzahl von aneinander angrenzenden Keramikplatten (14) gebildet ist, die an ihren Längsseiten Nuten (15, 16) aufweisen und über diese Nuten, gegebenenfalls über je eine Zwischenlage (17, 18) aus Keramikpapier, von Keramikrohren (19) getragen sind, die sich zwischen den beiden Randleisten (12, 13) erstrecken und endseitig an letzteren lösbar fixiert sind.
  5. 5. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikrohre (19 bzw. 24) mit einer durchgehenden Keramikschnur oder einem durchgehenden Keramikzopf (20) ausgefüllt sind.
  6. 6. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikrohre (19 bzw. 24) mittels Stahl- oder Keramiknägeln (21 bzw. 26) an den Randleisten (12, 13) lösbar fixiert sind, wobei die Nägel in den Randleisten (12, 13) abstandsmäßig exakt auf die Rohrlagen abgestimmt vorhandene Löcher (22 bzw. 27) durchdringen und in den Innenraum der Rohre (19 bzw. 24) von deren Stirnseite her eingesteckt sind.
  7. 7. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Dämmwand (9) eine Dicke von etwa 30 bis 40 mm und der mit Dämmaterial (11) ausgefüllte Zwischenraum demgegenüber etwa die 2- bis 4-fache Dicke aufweist.
  8. 8. Stirling- bzw. Heißgasmotor mit einem Erhitzersystem, in dessen durch eine mit einer thermisch isolierenden Auskleidung versehenen Außenwand begrenztem Gehäuse eine Einrichtung zur Verbrennungsluftführung angeordnet ist, die sich zwischen wenigstens einem von Luft und - zwecks Vorwärmung der Luft - von Rauchgas durchströmten Luftvorwärmer und wenigstens einem, besagte Rauchgase erzeugenden Brenner erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verbrennungsluftführung (6) durch eine größere Anzahl von zwischen einem Luftvorwärmer (1/9) und einem Brenner (1/8) in wenigstens einer Reihe nebeneinander zu einer Rohrwand angeordneten Rohren (6/1) gebildet ist.
  9. 9. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrennungsluftführenden Rohre (6/1) aneinander anliegend bzw. mit geringem Abstand voneinander angeordnet und innerhalb des Gehäuses des Erhitzersystems (1/6) eine zusätzliche thermische Abschirmung bildend unmittelbar angrenzend an oder geringfügig vor einem thermisch isolierten oberen Wandabschnitt (7) verlegt sind.
  10. 10. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrennungsluftführenden Rohre (6/1) aus hochtemperaturbeständigem Metall-Werkstoff, insbesondere geeignetem Stahl, bestehen.
  11. 11. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrennungsluftführenden Rohre (6/1) aus Keramik, wie Siliziumkarbid (Si SiC) oder dergleichen, bestehen.
  12. 12. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrennungsluftführenden Rohre (6/1) aus Metallkeramik-Werkstoff bestehen.
  13. 13. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrennungsluftführenden Rohre (6/1) jeweils metallische Endbereiche aufweisen.
  14. 14. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrennungsluftführenden Rohre (6/1) durch Schweißen luftdicht und fest einerseits mit dem Luftvorwärmer (1/9), andererseits mit dem Brenner (1/8) verbunden sind.
  15. 15. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach den Ansprüchen 10, 11, 12, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrennungsluftführenden Rohre (6/1) durch Kleben mittels eines hochtemperaturbeständigen Klebers luftdicht und fest einerseits mit dem Luftvorwärmer (1/9), andererseits dem Brenner (1/8) verbunden sind.
  16. 16. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach den Ansprüchen 10, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrennungsluftführenden Rohre (6/1) durch Löten mittels hochtemperaturbeständigem Lotmaterial luftdicht und fest einerseits mit dem Luftvorwärmer (1/9), andererseits mit dem Brenner (1/8) verbunden sind.
  17. 17. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrennungsluftführenden Rohre (6/1), der Luftvorwärmer (1/9) und der Brenner (1/8) in Modulbauweise lösbar miteinander verbunden und als lose Bauteile aneinandergesteckt sowie gegenseitig aneinander abgestützt sind.
  18. 18. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrennungsluftführenden Rohre (6/1) jeweils endseitig auf einem Anschlußrohrstutzen (30) am Brenner-Einlaß (31) bzw. (32) am Luftvorwärmer-Auslaß (33) aufgesteckt und diese Verbindungen durch stirnseitige Dichtungen (34, 35) aus hochtemperaturbeständigem Material abgedichtet sind.
  19. 19. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen (34, 35) für mehrere nebeneinanderliegende Rohranschlüsse in einer zusammenhängenden Dichtungsplatte zusammengefaßt sind.
  20. 20. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußrohrstutzen (30, 32) ballig ausgebildet und deren Außendurchmesser im balligen Bereich, um eine ausreichende Winkelabweichung der Mittelachsen von Anschlußrohrstutzen und Rohren ohne Klammern und Verkanten zu ermöglichen, so auf den Innendurchmesser der aufzusteckenden Rohre (6/1) abgestimmt sind, daß sich ein gegebener Spalt bis zum Erreichen der Betriebstemperatur zumindest weitestgehend schließt.
  21. 21. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Anschlußrohrstutzen (30, 32) in Bezug auf den Werkstoff der Rohre (6/1) und deren Wärmeausdehnungsfaktoren so gewählt sind, daß die Anschlußrohrstutzen (30, 32) bei Erwärmung eine größere Ausdehnung als die Rohre (6/1) erfahren und sich dabei ein fertigungsseitig genau hierauf abgestimmter Spalt zwischen einem Anschlußrohrstutzen (30 bzw. 32) und einem Rohr (6/1) bis zum Erreichen der Betriebstemperatur zumindest weitestgehend schließt.
  22. 22. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Luftvorwärmer (1/9) mittelbar und starr mit dem Gehäuse des Erhitzersystems (1/6) oder Maschinengehäuse (1/2) des Motors verbunden und der bzw. die Brenner (1/8) schwenkbar im Gehäuse des Erhitzersystems (1/6) gelagert ist bzw. sind, und daß Luftvorwärmer (1/9), Brenner (1/8), verbrennungsluftführende Rohre (6/1) und Dichtungen (34, 35) mittels im kälteren Bereich des Erhitzersystems (1/6) angeordneter Druckfedern (37) über Druckstücke (38) zusammengepreßt und dadurch luftdichte Verbindungen erzeugt sind.
  23. 23. Stirling- bzw. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Brenner (1/8) mittelbar und fest im Gehäuse des Erhitzersystems (1/6) verankert ist bzw. sind, während der bzw. die Luftvorwärmer (1/9) schwenkbar im Gehäuse des Erhitzersystems (1/6) oder am Maschinengehäuse (1/2) des Motors (1) gelagert ist bzw. sind, und daß Luftvorwärmer (1/9), Brenner (1/8), verbrennungsluftführende Rohre (6/1) und Dichtungen (34, 35) mittels im kälteren Bereich des Erhitzersystems (1/6) angeordneter Druckfedern (37) über Druckstücke (38) zusammengepreßt und dadurch luftdichte Verbindungen erzeugt sind.






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