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Dokumentenidentifikation DE10118546A1 24.10.2002
Titel Wärmeerzeuger für einen Stirlingmotor
Anmelder SOLO Kleinmotoren GmbH, 71069 Sindelfingen, DE
Erfinder Baumüller, Andreas, 72070 Tübingen, DE;
Lang, Andreas, 72770 Reutlingen, DE
Vertreter Dreiss, Fuhlendorf, Steimle & Becker, 70188 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 14.04.2001
DE-Aktenzeichen 10118546
Offenlegungstag 24.10.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.10.2002
IPC-Hauptklasse F02G 1/055
Zusammenfassung Es wird ein Brenner (28) mit einem Brennraum (30) für einen Stirlingmotor vorgeschlagen, welcher mit einer flammlosen Oxidation arbeitet, so dass die Bildung von thermischen Stickoxiden unterdrückt wird. Dadurch kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas auf Werte von etwa 10 mg/m3 gesenkt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Wärmeerzeuger für einen Stirlingmotor mit einem Brenner, mit einer Brennkammer, mit einer Brennstoffzuführung, mit einer Verbrennungsluftzuführung und mit einem Erhitzer, wobei der Erhitzer und die Brennkammer mittels eines Mantelrohrs und eines Gehäuses gegen die Umgebung abgedichtet sind. Dieser aus dem Buch "Stirlingmaschinentechnik, C. F. Müller Verlag Heidelberg, ISBN 3-7880-7583-X" auf den Seiten 192 bis 194 beschriebene Wärmeerzeuger dient dazu, die zum Antrieb des Stirlingmotors erforderliche thermische Energie auf den Erhitzer zu übertragen. Dabei wird eine Rezirkulation der Rauchgase eingesetzt, um den Anteil der Stickoxide im Rauchgas zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeerzeuger für einen Stirlingmotor bereitzustellen, bei dem die Abgaswerte über einen weiten Lastbereich weiter verbessert sind und insbesondere die Stickoxide im Rauchgas weiter reduziert werden. Dadurch soll auf eine Rauchgasreinigung bspw. durch einen Katalysator, verzichtet werden können. Außerdem muss der Wärmeerzeuger sehr kompakt bauen.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärmeerzeuger für einen Stirling- Motor mit einem Brenner, mit einer Brennkammer, mit einer Brennstoffzuführung, mit einer Verbrennungsluftzuführung und mit einem Erhitzer, wobei der Erhitzer und die Brennkammer mittels eines Mantelrohrs und eines Gehäuses gegen die Umgebung abgedichtet sind, dadurch gelöst, dass zwischen Brenner und Erhitzer ein Mischrohr angeordnet ist, dass zwischen auslassseitigem Ende des Brenners und brennerseitigem Ende des Mischrohrs ein Rezirkulationsspalt vorhanden ist, dass die Brennstoffzuführung eine erste Brennstofflanze aufweist, und dass die erste Brennstofflanze mindestens mittelbar in eine vom Rezirkulationsspalt, Brenner und Mischrohr begrenzte Vermischungszone mündet erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmeerzeuger für einen Stirlingmotor mit einer mindestens einen Auslass aufweisenden Brennkammer, mit einer Brennstoffzuführung, mit einer Verbrennungsluftzuführung, und mit einem Erhitzer, wobei der Erhitzer und die Brennkammer mittels eines Mantelrohres und eines Gehäuses gegen die Umgebung abgedichtet sind und wobei zwischen Brennkammer und Erhitzer ein Mischrohr angeordnet ist und zwischen auslassseitigem Ende der Brennkammer und brennkammerseitigem Ende des Mischrohrs ein Rezirkulationsspalt vorhanden ist und wobei die Brennstoffzuführung eine erste Brennstofflanze aufweist, die in den vom Rezirkulationsspalt, Brennkammer und Mischrohr begrenzten Raum mündet.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger ist es möglich, eine sogenannte flammlose Oxidation des Brennstoffs herbeizuführen, die zu drastischen Absenkungen des Stickoxidanteils in den Rauchgasen führt. So ist es möglich gewesen, mit einem erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger die Emissionen von NOx auf 10 mg/m3, von CO auf 20 mg/m3 und die Emissionen an Kohlenwasserstoffen oder Ruß unter die Nachweisgrenze zu drücken. Dies alles ist ohne Nachbehandlung der Rauchgase möglich, so dass der mit dem erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger ausgerüstete Stirlingmotor wirtschaftlich und trotzdem umweltschonend betrieben werden kann. Der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger ermöglicht eine Leistungsmodulation von etwa 1 : 3,5.

Bei der flammlosen Oxidation wird eine große Menge Rauchgas rezirkuliert, so dass die bei der flammlosen Oxidation auftretenden Temperaturen deutlich geringer sind als bei einer Verbrennung mit Flammenbildung. Aus diesem Grund wird die Bildung von thermischen Stickoxiden unterdrückt.

Außerdem ist der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger einfach aufgebaut, so dass die Kosten zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmeerzeugers nur unwesentlich über denen eines Wärmeerzeugers nach dem Stand der Technik liegen.

Alternativ kann auch eine Brennstoffeinmischung in die Frischluft oder eine Vorkammereinmischung vorgenommen werden.

In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffführung eine zweite Brennstofflanze aufweist, dass die zweite Brennstofflanze in die Vorbrennkammer mündet, und dass in der Vorbrennkammer eine Zündeinrichtung vorgesehen ist, so dass eine automatische Inbetriebnahme des Wärmeerzeugers ohne Weiteres möglich ist. Dazu wird die zweite Brennstofflanze geöffnet und das in der Vorbrennkammer entstehende zündfähige Gemisch durch die Zündeinrichtung entzündet. Die darauf folgende Verbrennung mit Flammenbildung wird zum Aufheizen des Brenners, des Mischrohrs und des Erhitzers verwandt. Sobald die Temperatur der rezirkulierten Rauchgase ausreichend hoch ist, um eine flammlose Oxidation aufrechterhalten zu können, wird die erste Brennstofflanze geöffnet, so dass die flammlose Oxidation in dem Raum zwischen Brennstoffkammer und Mischrohr beginnen kann. Anschließend oder gleichzeitig an das Öffnen der ersten Brennstofflanze wird die zweite Brennstofflanze geschlossen, so dass keine Flammenbildung innerhalb des Brenners mehr vorhanden ist.

Zur weiteren Vereinfachung der Herstellung und zur Erzielung einer kompakten Bauweise kann vorgesehen sein, die erste. Brennstofflanze und die zweite Brennstofflanze koaxial zueinander auszuführen.

Um die beim Betrieb und beim Anfahren des Wärmeerzeugers auftretenden Wärmespannungen konstruktiv in den Griff zu bekommen, ist bei verschiedenen erfindungsgemäßen Weiterbildungen vorgesehen, dass das Mischrohr an seinem Außendurchmesser einen Flansch aufweist, und dass es zwischen dem Erhitzer und dem Gehäuse des Brenners eingespannt ist, und/oder dass die Vorbrennkammer und das Mischrohr gegeneinander verspannt sind und/oder dass Brennkammermischrohr und Erhitzer gegen das Gehäuse verspannt sind. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn zwischen Brennkammer und Gehäuse ein Faltenbalg und/oder eine Feder vorgesehen sind, welche die Verspannung bewirken. Bei diesen Ausführungsbeispielen hat sich im Betrieb des Wärmeerzeugers gezeigt, dass keine unzulässigen thermischen Spannungen an der Brennkammer, dem Mischrohr und dem Erhitzer auftreten, und dass die Funktionsfähigkeit des Wärmeerzeugers auch nach einer großen Betriebsdauer uneingeschränkt vorhanden ist. Außerdem bewirkt die Verspannung des Erhitzers zwischen Flansch und Gehäuse, dass das Rauchgas vollständig durch den Erhitzer strömt und somit eine gute Wärmeübertragung erzielt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Brennstoffzuführung mit einer Grundplatte des Gehäuses fest verbunden und in Richtung der Wärmedehnung relativ zur Brennkammer verschiebbar ist, so dass auch hier keine unzulässigen thermischen Spannungen auftreten können. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Brennstoffzuführung fest mit der Brennkammer zu verbinden und in Richtung der Wärmedehnung relativ zur Grundplatte verschiebbar auszubilden.

Ebenfalls zur Vermeidung von unzulässigen thermischen Spannungen, Abrieb durch Mikroreibung und Schwingungsschäden kann vorgesehen sein, die Zündeinrichtung federbelastet in Richtung der Wärmedehnung gegen die Vorbrennkammer zu pressen.

Zur weiteren Erhöhung des Brennerwirkungsgrades kann ein Rekuperator oder ein Regenerator zur Vorwärmung der Verbrennungsluft mit den Rauchgasen vorgesehen sein. Insbesondere ergibt sich eine platzsparende und effiziente Ausgestaltung des Rekuperators oder des Regenerators, wenn dieser konzentrisch zur Brennkammer angeordnet ist, der Rekuperator oder der Regenerator sich von der Grundplatte bis zum Rezirkulationsspalt erstreckt und wenn der Rekuperator oder der Regenerator in radialer Richtung von einem inneren Hüllrohr und einem äußeren Hüllrohr begrenzt wird. Innerhalb des Rekuperators sind Trennwände vorgesehen, welche eine Vermischung der Rauchgase mit der Verbrennungsluft verhindern und trotzdem einen guten Wärmeübergang vom Rauchgas auf die Verbrennungsluft gewährleisten. Dabei sind an und für sich alle aus dem Stand der Technik bekannten Bauarten von Rekuperatoren beim erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger einsetzbar.

Insbesondere hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn der Rekuperator aus einem metallischen Werkstoff besteht.

Im praktischen Betrieb hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Mischrohr eine Länge von 3 × Durchmesser Mischrohr bis 8 × Durchmesser Mischrohr, insbesondere von 3,8 × Durchmesser Mischrohr und eine Querschnittsfläche von 90 mm2/kWth bis 250 mm2/kWth, insbesondere 170 mm2/kWth, aufweist.

In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rezirkulationsspalt eine Breite von 0,8 × Durchmesser Mischrohr bis 2,0 × Durchmesser Mischrohr, insbesondere von 1,6 × Durchmesser Mischrohr, aufweist.

Diese Abmessungen haben sich bei einem einfach wirkenden 90°- V2-Stirlingmotor mit einem Arbeitsvolumen von 160 cm3 und einer Wellenleistung von 3 bis 10 kW bei n = 1.500/min als besonders günstig erwiesen. Für andere Leistungsklassen sind die Abmessungen entsprechend anzupassen.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass die Verbrennungsluftzuführung über eine oder mehrere in die Vermischungszone gerichtete Düsen erfolgt, und/oder dass die erste Brennstofflanze Brennstoff über Öffnungen in die Vermischungszone einbringt. So dass eine gute Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff vor der flammlosen Oxidation erfolgt, was zu einem verbesserten Betriebsverhalten führt. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Öffnungen eine Querschnittsfläche von in der Summe 0,7 mm2/kWth bis 3,5 mm2/kWth, insbesondere 2,5 mm2/kWth, aufweisen.

Weitere Verbesserungen hinsichtlich Betriebsverhalten und Einsatzbereich des Wärmeerzeugers ergeben sich, wenn die Düsen als Venturi- oder Laval-Düsen ausgebildet sind und die erste Brennstofflanze den Brennstoff in die Düsen einbringt.

In weiterer Ergänzung des erfindungsgemäßen Wärmeerzeugers kann vorgesehen sein, dass die Düsen mit der Längsachse des Wärmeerzeugers einen Winkel zwischen 20° und 30°, insbesondere 25°, einschließen.

Das Betriebsverhalten des erfindungsgemäßen Wärmeerzeugers in der Startphase ohne flammlose Oxidation wird verbessert, wenn der Brennstoff aus der zweiten Brennstofflanze über eine Verteilkammer und eine Lochblende in die Vorbrennkammer strömen kann, und/oder die Düsen mit ihrem der Vermischungszone abgewandten Ende in die Vorbrennkammer ragen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen 90°-V2-Stirlingmotor, der mit einem erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger ausgerüstet ist und

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmeerzeuger.

Der Stirlingmotor weist ein Kurbelgehäuse 1 auf, in dem eine Kurbelwelle 3 drehbar gelagert ist. An einem Hubzapfen 5 der Kurbelwelle 3 sind ein erstes Pleuel 7 und ein zweites Pleuel 9 drehbar gelagert. Das erste Pleuel 7 ist über einen ersten Kreuzkopf 10 und eine erste Kolbenstange 11 mit einem Verdichtungskolben 12 verbunden. Das zweite Pleuel 9 ist über einen zweiten Kreuzkopf 13 und eine zweite Kolbenstange 14 mit einem Arbeitskolben 15 verbunden. Die konstruktive Ausgestaltung von Verdichtungskolben 12 und Arbeitskolben 15 ist im Zusammenhang mit Fig. 1 nicht von Bedeutung und wird deshalb an dieser Stelle nicht näher erläutert. Der Verdichtungskolben 12 läuft in einem Verdichtungszylinder 16, während der Arbeitskolben 15 in einem Arbeitszylinder 17 läuft. Die Kurbelwelle 3 und der Hubzapfen 5 sind ölgeschmiert, während der Verdichtungskolben 12 und der Arbeitskolben 15 trocken im Verdichtungszylinder 16 bzw. im Arbeitszylinder 17 laufen.

Zwischen dem Verdichtungszylinder 16 und dem Arbeitszylinder 17 kann das Arbeitsgas hin- und hergeschoben werden. Dabei nimmt das in Fig. 1 nicht dargestellte Arbeitsgas beim Verschieben aus dem Verdichtungszylinder 16 in den Arbeitszylinder 17 Wärme aus einem Regenerator 21 auf und erwärmt sich dabei auf etwa 650° Celsius. Der Regenerator 21 besteht im Allgemeinen aus einem Paket von Drahtsieben, die in Fig. 1 nicht im Einzelnen dargestellt sind. Anschließend wird das Arbeitsgas in einem Erhitzer 23, der bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aus berippten Röhrchen zusammengesetzt ist, auf etwa 650° Celsius erwärmt. Diese Erwärmung erfolgt durch Wärmeübertragung von einem in Fig. 1 nicht dargestellten Brenner über den Erhitzer 23 auf das Arbeitsgas. Gleichzeitig erfolgt eine annähernd isotherme Expansion des Arbeitsgases im Arbeitszylinder 17, wodurch mechanische Arbeit vom Arbeitsgas auf den Arbeitskolben 15 übertragen wird. Anschließend wird das Arbeitsgas vom Arbeitszylinder 17 in den Verdichtungszylinder 16 zurückgeschoben, wobei das Arbeitsgas Wärme an den Regenerator 21 überträgt und anschließend von einem Arbeitsgaskühler 25 abgekühlt wird.

Als Wärmequelle kann bei einem Stirlingmotor prinzipiell jede Wärmequelle mit ausreichendem Temperaturniveau herangezogen werden, bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird ein Brenner eingesetzt (nicht dargestellt), der einen gasförmigen oder flüssigen Brennstoff verbrennen kann. Der sogenannte Hochtemperaturbereich des Stirlingmotors ist durch eine Wärmedämmung 27 gegen Wärmeverluste geschützt.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Wärmeerzeuger mit einem Brenner 28 mit einer Vorbrennkammer 29 im Teillängsschnitt dargestellt. An den Brenner 28 schließt ein Brennraum 30 mit einem Mischrohr 31 und dem Erhitzer 23 an. Der Brennstoff wird über eine Brennstoffzufuhr 33 zugeführt. Nach außen werden Brenner 28 und Brennraum 30 von einem Mantelrohr 35 und einem nur teilweise dargestellten Gehäuse 37 mit einer Grundplatte 39 begrenzt. Der Brenner 28 ist längsverschiebbar an der Grundplatte 39 befestigt.

Die Brennstoffzufuhr 33 besteht aus einer ersten Brennstofflanze 41 und einer koaxial dazu angeordneten zweiten Brennstofflanze 43. Die erste Brennstofflanze 41 mündet außerhalb der Vorbrennkammer 29 in einer Vermischungszone 45, die einerseits von der Vorbrennkammer 29 und andererseits von einem Abdeckblech 46 begrenzt wird.

Die zweite Brennstofflanze 43 mündet über mehrere Auslassöffnungen 47 in einer Verteilkammer 48. Durch eine Lochblende 49 ist die Verteilkammer 48 von der eigentlichen Vorbrennkammer 29 abgetrennt. Die Verbrennungsluft, welche in Fig. 2 durch die Pfeile 51 angedeutet ist, strömt ebenfalls in die Vorbrennkammer 29. Der Brennstoff mischt sich nach dem Durchströmen der Lochblende 49 mit der Verbrennungsluft zu einem zündfähigen Gemisch. Durch eine Zündeinrichtung 53 kann dieses zündfähige Gemisch entzündet werden und verbrennt in der Vorbrennkammer 29 unter Bildung einer Flamme. Das Rauchgas strömt über Düsen 55 aus der Vorbrennkammer 29, wie dies durch Pfeile 57 angedeutet ist, in die Vermischungszone 45 und das Mischrohr 31. Nach dem Durchströmen des Mischrohrs 31 werden die Rauchgase, welche durch die mit dem Bezugszeichen 59 versehenen Pfeile angedeutet sind, durch den Erhitzer 23 geführt, nachdem sie zuvor vom Gehäuse 37 umgelenkt worden sind.

Wenn die Rauchgase 59 einen Rezirkulationsspalt 61, der durch den axialen Abstand der Vorbrennkammer 29, bzw. des Brenners 28 und des brennerseitigen Endes 69 des Mischrohrs 31 gebildet wird, passieren, wird ein Teil der Rauchgase 59a in das Mischrohr 31 angesaugt und somit rezirkuliert. Der andere Teil der Rauchgase 59b strömt im Gegenstrom zu der Verbrennungsluft 51 durch einen Rekuperator 63.

Sobald das Rauchgas an den Messstellen 64 eine ausreichend hohe Temperatur hat, um eine stabile flammlose Oxidation zu ermöglichen, wird die erste Brennstofflanze 41 geöffnet, welche über Öffnungen 65, einen Sammelraum 66 und Öffnungen 67 in die Vermischungszone 45 zwischen Vorbrennkammer 29 und Mischrohr 31 mündet. Bei geeigneter Wahl des Verhältnisses von Verbrennungsluft 51, Rauchgasen 59a und dem in Fig. 2 nicht dargestellten Brennstoff, welcher durch die Öffnungen 67 in die Vermischungszone 45 austritt, findet vor allem innerhalb des Mischrohrs 31 eine flammlose Oxidation statt. Sobald diese flammlose Oxidation stabil abläuft, kann die zweite Brennstofflanze 43 geschlossen werden, so dass keine Flammbildung in der Vorbrennkammer 29 mehr erfolgt. In diesem Normalbetriebszustand durchströmt die Verbrennungsluft 51 die Vorbrennkammer 29, ohne sich in dieser mit Brennstoff zu vermischen. Die Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft erfolgt erst in der Vermischungszone 45 sowie im Mischrohr 31.

Das Phänomen der flammlosen Oxidation ist an sich bekannt und wird bspw. im Industrieofenbau mit großem Erfolg angewandt. Eine Beschreibung der flammlosen Oxidation befindet sich in der EP 0 463 218 B1, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird. Die in dieser Patentschrift gemachten Ausführungen gehören ebenfalls zu der Offenbarung des erfindungsgemäßen Brenners für Stirlingmotoren. Zur Ausbildung einer stabilen flammlosen Oxidation hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Düsen 55 unter einem Winkel von etwa 20° bis 30° auf die Längsachse des Brenners gerichtet sind und die Öffnungen 67, durch die der Brennstoff in die Vermischungszone 45 eintritt, etwa rechtwinklig zu den Düsen 55 ausgerichtet sind. Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Mischrohr 31 an seinem dem Brenner 28 zugewandten Ende 69 konisch ausgebildet ist.

Alternativ zu dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel können die Düsen 55 auch als Venturi- oder Laval-Düsen ausgebildet sein. Der am Ort der höchsten Luftgeschwindigkeit herrschende Druck ist geringer als der Gasdruck eines öffentlichen Gasnetz, der etwa 18 bis 22 mbar beträgt. Diese Druckdifferenz kann ausgenutzt werden, um das Gas einzumischen. Dazu werden die Öffnungen 67 so verlagert, dass sie direkt in den Düsen 55 am Ort der höchsten Luftgeschwindigkeit münden. Außerdem muss eine direkte Verbindung zwischen den Öffnungen 67 und den Öffnungen 65 der ersten Brennstofflanze 41 hergestellt werden. D. h. der Sammelraum 66 kann entfallen. Mit diesem Ausführungsbeispiel kann auch bei geringen Gasdrücken die volle Leistung des Wärmeerzeugers erreicht werden.

Um die thermischen Verspannungen, welche sich bei der Inbetriebnahme und dem Betrieb des Brenners ergeben, zu minimieren, sind Brenner 28, Mischrohr 31 und Erhitzer 23 gegen das Gehäuse 37 bzw. die Grundplatte 39 des Gehäuses verspannt. Dabei wird die Vorspannkraft von einem metallischen Faltenbalg 71, der sich einerseits gegen die Grundplatte 39 abstützt und andererseits mit der Vorbrennkammer 29 verbunden ist, aufgebracht. Die Vorspannung wird über am Umfang verteilte Distanzbleche 731 von denen in Fig. 2 nur eines dargestellt ist, auf das Mischrohr übertragen. Alternativ oder additiv kann die Vorspannkraft auch von einer Feder 74 aufgebracht werden.

Weitere erfindungsgemäße Varianten der Kompensation der Wärmedehnungen sind wie folgt aufgebaut:

  • 1. Die zweite Brennstofflanze 43 ist in einem Halteblech 79 eingeschraubt. Die zweite Brennstofflanze 43 zentriert die Feder 74. Die Feder 74 stützt sich auf dem Halteblech 79 ab und schiebt über den Rekuperator 63, an dem das Halteblech 79 befestigt ist, den gesamten Brenner 28 gegen die folgenden Einbauten.
  • 2. Die zweite Brennstofflanze weist eine Nut mit Sicherungsring auf (nicht dargestellt). Die Feder 74 wird zwischen Sicherungsring und Grundplatte 39 um die zweite Brennstofflanze herum eingebaut und schiebt diese in Richtung Brenner 30. Dazu wird der in Fig. 2 dargestellte Kegel 81 der zweiten Brennstofflanze 43 so weit verlängert, bis er an dem Drehteil 80 anliegt. Dort werden nun zwei Aufgaben erfüllt: Zum einen wird die Federkraft eingeleitet und über das Abdeckblech 46 an die Einbauten weitergegeben und der Brenner 28 hinterhergezogen. Zum anderen wird der Sammelraum 66 über einen Kegelsitz abgedichtet. Diese Abdichtung des Sammelraums 66 ist von besonderer Bedeutung, wenn die Düsen 55 als Venturi- oder Lavaldüsen ausgebildet sind.

Die Distanzbleche 73 schließen den Kraftfluß und sind ihrerseits wieder an beiden Enden mit konischen Ringen (nicht dargstellt) verschweißt, die genau in den Brenner 28 und das Ende 69 des Mischrohrs 31 passen, so dass eine Selbstzentrierung erreicht wird.

Die Wärmedehnungen der Brennkammerinnenwand werden in ihr selbst durch Überlappungen aufgefangen. Kritische thermische Dehnungen entstehen bei der Erwärmung aller Teile, die zentral in der Brennkammer angeordnet sind: Die Endplatte 37, der Erhitzer 23, das Mischrohr 31 ab der Anlagefläche 75, der Zentrierring 73 und schließlich der Brenner 28 selbst. All diese Dehnungen summieren sich und werden durch eine Relativbewegung des Brenners 28 zum Brennraum 30 aufgefangen. Die Feder 74 oder der Faltenbalg 71 haben nun die Aufgabe sicherzustellen, dass zu jedem Zeitpunkt alle Einbauten fest aneinander anliegen. Der Brenner 28 kann sich zu diesem Zweck auch relativ zu der Grundplatte 39 bewegen. Zur Gasdichtigkeit sind an allen bewegten Stellen Dichtungen vorgesehen.

Am Mischrohr 31 ist ein Flansch 75 angeordnet, der erstens die Vorspannkraft vom Mischrohr über den Erhitzer 23 auf das Gehäuse 37 überträgt und andererseits das Rauchgas 59 zwingt, durch den Erhitzer 23 zu strömen. Die Zündeinrichtung 53 wird von einer Feder 77, die sich einenends an der Grundplatte 39 und anderenends an einer Hülse der Zündeinrichtung 53 abstützt, gegen die Vorbrennkammer 29 gedrückt. Eine Wärmedämmung, welche in und um den Brenner angeordnet ist, ist in Fig. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Rezirkulationsspalt 61 zwischen 20 und 35 mm breit ist, die Länge des Mischrohrs etwa 350 mm beträgt und der Durchmesser des Mischrohrs 31 etwa 90 mm beträgt. Bei diesen Abmessungen und geometrischen Verhältnissen haben sich eine besonders stabile flammlose Oxidation und sehr günstige Abgaswerte eingestellt, wenn der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger an einem Stirling-Motor des Typs V 160 eingesetzt wurde. Wenn der erfindungsgemäße Wärmeerzeuger bei anderen Stirling-Motoren eingesetzt werden soll, müssen die Abmessungen und Verhältnisse entsprechend übertragen werden.

Das Rauchgas 59 verlässt das Mischrohr 31 etwa mit einer Temperatur von etwa 1.200° Celsius und kühlt sich durch Wärmeabgabe im Erhitzer 23 auf etwa 850° Celsius ab. Die Temperatur des Arbeitsgases im Erhitzer 23 beträgt im Mittel etwa 650° Celsius.


Anspruch[de]
  1. 1. Wärmeerzeuger für einen Stirlingmotor, mit einem Brenner (28), mit einer Brennkammer (30), mit einer Brennstoffzuführung (33), mit einer Verbrennungsluftzuführung und mit einem Erhitzer (23), wobei der Erhitzer (23) und die Brennkammer (30) mittels eines Mantelrohrs (35) und eines Gehäuses (37) gegen die Umgebung abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Brenner (28) und Erhitzer (23) ein Mischrohr (31) angeordnet ist, dass zwischen auslassseitigem Ende des Brenners (28) und brennkammerseitigem Ende (69) des Mischrohrs (31) ein Rezirkulationsspalt (61) vorhanden ist, dass die Brennstoffzuführung (33) eine erste Brennstofflanze (41) aufweist, und dass die erste Brennstofflanze (41) mindestens mittelbar in eine vom Rezirkulationsspalt (61), Brenner (28) und Mischrohr (31) begrenzte Vermischungszone (45) mündet.
  2. 2. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführung (33) eine zweite Brennstofflanze (43) aufweist, dass die zweite Brennstofflanze (43) mindestens mittelbar in eine Vorbrennkammer (29) des Brenners (28) mündet, und dass in der Vorbrennkammer (29) eine Zündeinrichtung (53) vorgesehen ist.
  3. 3. Wärmeerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass erste Brennstofflanze (41) und zweite Brennstofflanze (43) koaxial zueinander angeordnet sind.
  4. 4. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischrohr (31) an seinem Außendurchmesser einen Flansch (75) aufweist, und dass der Erhitzer (23) zwischen dem Flansch (75) und dem Gehäuse (37) eingespannt ist.
  5. 5. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (28) und das Mischrohr (31) gegeneinander verspannt sind.
  6. 6. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brenner (28), Mischrohr (31) und Erhitzer (23) gegen das Gehäuse (37) verspannt sind.
  7. 7. Wärmeerzeuger nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Brenner (28) und Gehäuse (37) ein Faltenbalg (71) vorgesehen ist, und dass der Faltenbalg (71) die Verspannung bewirkt.
  8. 8. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Brenner (28) und Gehäuse (37) eine Feder (74) vorgesehen ist, und dass die Feder (74) die Verspannung bewirkt.
  9. 9. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführung (33) . mit einer Grundplatte (39) des Gehäuses (37) fest verbunden und in Richtung der Wärmedehnung relativ zum Brenner (28) verschiebbar ist.
  10. 10. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführung (33) mit dem Brenner (28) fest verbunden und in Richtung der Wärmedehnung relativ zur Grundplatte (39) verschiebbar ist.
  11. 11. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (53) federbelastet in Richtung der Wärmedehnung gegen den Brenner (28) oder eine am Brenner (28) angeordnete Hülse gepresst wird.
  12. 12. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rekuperator (63) oder ein Regenerator zur Vorwärmung der Verbrennungsluft (51) mit den Rauchgasen vorgesehen ist.
  13. 13. Wärmeerzeuger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (63) oder der Regenerator konzentrisch zum Brenner (28) angeordnet ist, dass der Rekuperator (63) sich von der Grundplatte (39) bis zum Rezirkulationspalt (61) erstreckt, und dass der Rekuperator (63) in radialer Richtung von einem inneren Hüllrohr und einem äußeren Hüllrohr begrenzt wird.
  14. 14. Wärmeerzeuger nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (63) oder der Regenerator aus einem metallischem Werkstoff besteht.
  15. 15. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischrohr (31) eine Länge von 3 × Durchmesser Mischrohr bis 8 × Durchmesser Mischrohr, insbesondere von 3,8 × Durchmesser Mischrohr aufweist.
  16. 16. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischrohr (31) eine Querschnittsfläche von 90 mm2/kWth bis 250 mm2/kWth, insbesondere 170 mm2/kWth, aufweist.
  17. 17. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationsspalt (61) eine Breite von 0,8 × Durchmesser Mischrohr bis 2,0 × Durchmesser Mischrohr, insbesondere von 1,6 × Durchmesser Mischrohr, aufweist.
  18. 18. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluftzuführung über eine oder mehrere in die Vermischungszone (45) gerichtete Düsen (55) erfolgt.
  19. 19. Wärmeerzeuger nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennstofflanze (41) Brennstoff über Öffnungen (65, 67) in die Vermischungszone (45) einbringt.
  20. 20. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (65, 67) eine Querschnittsfläche von in der Summe 0,7 mm2/kWth bis 3,5 mm2/kWth, insbesondere 2,5 mm2/kWth, aufweisen.
  21. 21. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (55) als Venturi- oder Laval-Düsen ausgebildet sind, und dass die erste Brennstofflanze (41) den Brennstoff in die Düsen (55) einbringt.
  22. 22. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen mit der Längsachse des Wärmeerzeugers einen Winkel zwischen 20° und 30°, insbesondere 25°, einschließen.
  23. 23. Wärmeerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff aus der zweiten Brennstofflanze über eine Verteilkammer und eine Lochblende in die Vorbrennkammer strömen kann.
  24. 24. Wärmeerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (55) mit ihrem der Vermischungszone (45) abgewandten Ende in die Vorbrennkammer (29) ragen.






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