PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69804623T2 07.11.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0996821
Titel HEIZUNGSVORRICHTUNG FÜR EINE HEISSGASKRAFTMASCHINE
Anmelder STM Power,Inc., Ann Arbor, Mich., US
Erfinder JOHANSSON, N., Lennart, Ann Arbor, US;
MARCHIONNA, R., Nicholas, Ann Arbor, US;
MATTHEWS, C., Stephen, Ann Arbor, US;
ZIPH, Benjamin, Ann Arbor, US
Vertreter Patentanwälte Dr. Solf & Zapf, 81543 München
DE-Aktenzeichen 69804623
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.07.1998
EP-Aktenzeichen 989357066
WO-Anmeldetag 14.07.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/US98/14702
WO-Veröffentlichungsnummer 0009902841
WO-Veröffentlichungsdatum 21.01.1999
EP-Offenlegungsdatum 03.05.2000
EP date of grant 03.04.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.11.2002
IPC-Hauptklasse F02G 1/055

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft einen Heizkörperaufbau für einen Wärmekraftmotor (im folgenden auch Wärmekraftmotor) genannt, der dazu ausgelegt ist, Wärme von zwei deutlich unterschiedlichen Energiequellen zu nutzen, und insbesondere betrifft sie einen Heizkörperaufbau für einen VerbrennungsWärmekraftmotor, der dazu ausgelegt ist, sowohl Sonnenstrahlungsenergie wie Wärme zu nutzen, die durch Verbrennung von Brennstoff, wie etwa natürlichem Gas, erzeugt wird.

Wärmekraftmotoren, wie etwa Stirlingkreislaufmotoren, sind in der Lage, Wärme in einem Arbeitsfluid in mechanische Ausgangsenergie umzusetzen. Wärmekraftmotoren sind typischerweise mit einem elektrischen Generator verbunden, der die mechanische Ausgangsenergie in Elektrizität umsetzt, oder mit einer Vorrichtung, die die mechanische Ausgangsenergie nutzt, wie etwa eine Bewässerungspumpe oder eine Produktionsanlage. Bei Heizkörperaufbauten handelt es sich um die Bestandteile von Wärmekraftmotoren, die verwendet werden, um Wärme von einer externen Wärmequelle, wie etwa der Sonne oder einem Brennstoffkombustor, zu einem internen Arbeitsfluid zu übertragen, das in dem Wärmekraftmotor zirkuliert, wie etwa Helium oder Wasserstoff. Das Arbeitsfluid unterliegt einem thermodynamischen Zyklus in dem Wärmekraftmotor, der einen Teil der Wärmeenergie in dem Arbeitsfluid in mechanische Ausgangsenergie umsetzt.

Eine primäre Anwendung für Wärmekraftmotoren betrifft das Umsetzen von Sonnenstrahlungsenergie in Elektrizität. In diesen Anwendungen ist der Wärmekraftmotor typischerweise mit einem Sonnenstrahlungskonzentrator und einem elektrischen Generator verbunden. Bei dem Sonnenstrahlungskonzentrator handelt es sich üblicherweise um eine parabolische Schüssel, die mit reflektierendem Material abgedeckt ist, wie etwa Glasspiegel, das bzw. die einfallende Sonnenstrahlung reflektiert bzw. reflektieren und diese Energie in Richtung auf einen Energieempfänger fokussiert bzw. fokussieren, der typischerweise in einer Empfängerkammer eines Heizkörperaufbaus angeordnet ist, der an dem Wärmekraftmotor angebracht ist. Der Heizkörperaufbau umfasst typischerweise ein Empfängergehäuse, das die Empfängerkammer bildet, und einen Empfängerdurchbruch oder eine -öffnung aufweist, der bzw. die es der Innenseite der Empfängerkammer erlaubt, insoliert zu werden, d. h., der Sonnenstrahlung ausgesetzt zu sein, die durch den Sonnenstrahlungskonzentrator reflektiert wird. Eine Gruppierung aus Heizkörperrohren, die an dem Wärmekraftmotor angebracht sind, sind in der Empfängerkammer angeordnet und das Arbeitsfluid zirkuliert durch diese. Die Heizkörperrohre absorbieren die Sonnenstrahlung und erhöhen die Temperatur des Arbeitsfluids, das daraufhin in die übrigen Bestandteile des Wärmekraftmotors umgewälzt wird, wo die Wärmeenergie in mechanische Energie umgesetzt wird.

Ein großer Teil des kommerziellen Interesses betrifft die Entwicklung großer Felder mit Sonnenstrahlung betriebener elektrischer Generatoren zum Zuführen zusätzlicher Elektrizitätsmengen, die während elektrischer Spitzenbedarfsperioden benötigt werden. Spitzenbedarfsperioden für die elektrische Stromversorgung treten typischerweise im Sommer während der Tageszeit auf, zum großen Teil auf Grund des elektrischen Bedarfs von Klimaanlagen. Da typischerweise während dieser Perioden mit Sonnenstrahlung betriebene elektrische Generatoren in der Lage sind, maximale Elektrizitätsmengen zu erzeugen, stellen mit Sonnenstrahlung betriebene elektrische Generatoren eine einzigartige Elektrizitätsquelle für Stromversorgungsbetreiber dar, die versuchen, diese Schwankungen des elektrischen Strombedarfs zu planen.

Stromversorgungsbetreiber sind daran interessiert, Umweltbelange zu berücksichtigen unter Verwendung von Quellen mit erneuerbarer Energie, wie etwa Sonnenstrahlungsenergie, und Verringern der Erzeugung von Verschmutzungen, die mit typischen fossilen Brennstoff- und Kernkraftstromerzeugungssystemen verbunden sind. Sie sind außerdem daran interessiert, die Kosten zu verringern, die mit dem Erstellen, Betreiben und gegebenenfalls Entsorgen zusätzlicher Stromerzeugungssysteme auf Kernkraftbasis oder auf Basis fossilen Brennstoffs verbunden sind. Brennstoffkosten, und insbesondere die Kosten für auf Petroleum beruhenden fossilen. Brennstoffen, wie etwa Kraftstoffe bzw. Diesel, haben in der Vergangenheit stark geschwankt und Stromversorgungsbetreiber sind daran interessiert, Energiequellen zu entwickeln, die derartigen Preisschwankungen weniger stark unterliegen. Felder mit Sonnenstrahlungskonzentratoren, kombiniert mit Stirlingkreislaufmotoren, die mit elektrischen Generatoren verbunden sind, werden aktuell als derartige Typen elektrischer Stromerzeugungsanwendungen angesehen.

Ein signifikantes Problem bei der überwiegenden Mehrzahl von Stromerzeugungssystemen auf Grundlage von Sonnenstrahlung besteht jedoch darin, dass diese ausschließlich mit Sonnenstrahlungsenergie betrieben werden, und dass Sonnenstrahlungsenergie inhärent diskontinuierlich zur Verfügung steht. Sonnenstrahlungskollektoren, die Photovoltaikzellentechnik beispielsweise umfassen, sind nicht in der Lage zur Erzeugung von Elektrizität eine beliebige andere Energiequelle als Sonnenstrahlungsenergie zu nutzen. Sonnenstrahlungsenergie ist inhärent diskontinuierlich, weil sie sowohl periodisch auf Grund des Tag-/Nachtzyklus ist, wie auch zufällig auf Grund sporadischer und häufig zeitlich ausgedehnter Bewölkung, die virtuell überall auf der Erde auftritt. Selbst in die sonnigsten Bereiche des Südwestens der USA, wie etwa Death Valley in Kalifornien, sind mit einer mittleren Bewölkung von ungefähr zwanzig Prozent behaftet, und diese Bewölkung kann für mehrere Tage aufeinander folgend bestehen. Mit Sonnenstrahlung betriebene Stromerzeugungssysteme sind während dieser dauerhaften Bewölkungsperioden üblicherweise nicht betreibbar. Da die gesamte Sonnenstrahlungsenergie, die den Boden an einem bewölkten Tag erreicht, ein Zehntel oder weniger als die Sonnenstrahlungsenergie betragen kann, die den Boden an einem klaren Tag ohne Trübung oder Smog erreicht, hängt die durch eine beliebige Art von Stromerzeugungssonnenstrahlungskollektor erzeugte Elektrizität signifikant von der Bewölkung des Bereichs ab, in dem der Sonnenstrahlungskollektor installiert ist. Stromversorgungsbetriebe und andere Sonnenstrahlungskollektoren nutzende Betriebe zum Sammeln von Sonnenstrahlungsenergie müssen deshalb in großem Umfang die Unsicherheit in Betracht ziehen, die mit der Verfügbarkeit von Energie von diesen Systemen zusammenhängt und sich auf die Möglichkeit vorbereiten, von diesen Systemen für Zeitdauern bis hin zu mehreren Tagen in Abfolge keine Energie empfangen zu können.

Extreme Wetterbedingungen und die Notwendigkeit für eine Wartung verringern außerdem den betriebsmäßigen Wirkungsgrad typischer Sonnenstrahlungsenergiekollektorsysteme. Gewitter, Hagel, vom Wind geblasene Bruchstücke und starke Winde können Sonnenstrahlungskollektorsysteme ernsthaft beschädigen. Um diese Art von Beschädigung zu verhindern, können Sonnenstrahlungskollektoren während extremer Wetterbedingungen inaktiv gemacht werden, entweder durch Abdecken des Sonnenstrahlungskonzentrators oder durch Drehen des Konzentrators in eine abwärts weisende Stauposition. Wenn die reflektierende Fläche eines Sonnenstrahlungskonzentrators während der Tageslichtzeit gereinigt oder repariert wird, wird der Konzentrator typischerweise von der Sonne weggedreht, um die Möglichkeit zu verringern, Wartungspersonal zu verletzen oder die Anlage zu beschädigen.

Um diese Schwankungen der Energieabgabe zu kompensieren, haben zahlreiche Betreiber von mit Sonnenstrahlung betriebenen Stromerzeugungsanlagen getrennte Notstromerzeugungssysteme, basierend auf fossilem Brennstoff, oder teure komplexe und ineffiziente Wärmespeichersysteme installiert. Die Kosten und die Komplexität für die Installation und dem Betrieb dieser Art von alternativen Stromerzeugungs- und Wärmespeichersystemen haben die kommerzielle Zuverlässigkeit zahlreicher Arten von mit Sonnenstrahlung betriebenen Stromerzeugungssystemen signifikant verringert.

Die EP-A-282114 offenbart einen Heizkörperaufbau mit Rohren, die durch Verbrennungsgase geheizt werden und mit Rohren, die durch Sonnenstrahlungsenergie geheizt werden. Die einzelnen Rohre werden jedoch nicht abwechselnd mit Verbrennungsgasen und Sonnenstrahlungsenergie geheizt.

Der erfindungsgemäße Wärmekraftmotor-Heizkörperaufbau ist dazu ausgelegt, konzentrierte Sonnenstrahlungsenergie zu nutzen, wenn diese Energie verfügbar ist, und Wärme zu nutzen, die durch Verbrennung eines Brennstoffs, wie etwa von natürlichem Gas, erzeugt wird, wenn Sonnenstrahlungsenergie nicht verfügbar ist. Auf diese Weise steht ein hybrider mit Energie versorgtes Stromerzeugungssystem zur Verfügung, um Elektrizität während bewölkter Perioden in der Nacht und während Perioden mit extremem Wetter zu erzeugen, während die Wartung bezüglich des Sonnenstrahlungskonzentrators durchgeführt wird. Der erfindungsgemäße Heizkörperaufbau ist dazu ausgelegt, die Wärmeenergie rasch ändern zu können, ausgehend von einer Sonnenstrahlungsenergieversorgung zu einer Verbrennungsenergieversorgung und umgekehrt.

Stirlingkreislaufmotoren stellen die primäre Wärmeenergie dar, die für kommerzielle, mit Sonnenstrahlung versorgte Stromerzeugungssysteme in Betracht kommen. Stirlingkreislaufmotoren bieten einen sehr hohen Wärmewirkungsgrad sowie lange wartungsfreie Betriebszeiten. Der in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Heizkörperaufbau verwendete Wärmekraftmotor kann Stirlingkreislaufmotorkonstruktionen und Bauteile enthalten, die durch die Inhaberin der vorliegenden Erfindung bereits entwickelt worden sind, nämlich Stirling Thermal Motors, Inc., einschließlich denjenigen Komponenten, die in den US-Patenten Nrn. 4707990, 4715183, 4785633 und 4911144 enthalten sind, auf die hiermit Bezug genommen wird. Im Gegensatz zu den meisten Verbrennungsmotoren sind Wärmekraftmotoren typischerweise in der Lage, Wärme von verschiedenen Quellen zu nutzen und sie sind nicht besonders empfindlich auf die Qualität der bereit gestellten Wärme. In zahlreichen Fällen besteht die einzige Änderung, die erforderlich ist, Wärmequellen für einen Wärmekraftmotor zu modifizieren, darin, einen Heizkörperaufbau zu installieren, der für die spezielle Art von Wärmequelle optimiert ist. Die inneren Komponenten des Wärmekraftmotors können identisch oder nahezu identisch sein für ein großes Spektrum alternativer Wärmequellen.

Der erfindungsgemäße Heizkörperaufbau beseitigt jedoch die Notwendigkeit, den Heizkörperaufbau zu ersetzen, wenn Heizquellen von Sonnenstrahlungsenergie auf Brennstoffverbrennung geändert werden und umgekehrt, weil der Heizkörperaufbau dazu ausgelegt ist, beide Wärmequellen zu nutzen.

Der Heizkörperaufbau enthält innere und äußere Heizkörperrohrgruppierungen, ein Empfängergehäuse mit einem Empfängerhohlraum, wobei eine Empfängeröffnung gebildet ist, die es erlaubt, dass der Empfängerhohlraum insoliert wird, eine Abdeckung zum Abdichten des Empfängerdurchbruchs, einen Brennstoffkombustor und einen Vorheizkörper, der die Ansaugluft mit Wärme von den Abgasen erwärmt.

Die Heizkörperrohrgruppierungen sind in einem verschachtelten Paar von inneren und äußeren Gruppierungen angeordnet, die modifizierte umgekehrt kegelstumpfförmige Formen aufweisen. Die einzelnen Heizkörperrohre sind derart verdreht bzw. verwirbelt, dass identische Spalten zwischen benachbarten Heizgeräterohren entlang ihren Erstreckungen beibehalten sind. Eine innere Gruppierung von Heizkörperrohren verbindet eine Anzahl von zylindrischen Verlängerungsverteilern mit einer Anzahl von Heizkörperrohrköpfen. Die äußere Gruppierung von Heizkörperrohren verbindet die Heizkörperrohrköpfe mit einer Anzahl von Regeneratorgehäuseverteilern. Getrennte Heizkörperrohre erstrecken sich zwischen einem zylindrischen Verlängerungsverteiler und einem Heizkörperrohrkopf und zwischen einem Heizkörperrohrkopf und einem Regeneratorgehäuseverteiler. Durchlässe in dem Heizkörperrohrkopf erlauben es, dass Arbeitsfluid von dem Zylinderverlängerungsverteiler durch die innere Gruppierung von Heizkörperrohren, durch den Heizkörperrohrkopf, durch die äußere Gruppierung von Heizkörperrohren strömt und in den Regeneratorgehäuseverteiler zuströmt und umgekehrt. In einer Ausführungsform mit doppelt wirkendem Stirlingkreislaufmotor des vorstehend erläuterten Wärmekraftmotors wird Arbeitsfluid konstant zwischen den Zylinderverlängerungsverteilern und den Regeneratorgehäuseverteilern hin- und hergeleitet, wenn der Motor arbeitet.

Ein übliches Konstruktionsproblem, das mit der Konstruktion eines Heizkörperaufbaus für einen Stirlingkreislaufmotor oder einen anderen Wärmekraftmotor verbunden ist, besteht darin, wie mehrere Heizkörperrohre angeordnet werden sollen, die von einem kleineren Innenkreis eines gegebenen Radius r&sub0; ausgehen und zu einem Kreis größeren Radius rf verlaufen, so dass der Spalt zwischen benachbarten Rohren über ihre Erstreckung gleichmäßig ist. In einem Direktflammenheizkörperkopf ist die Gleichförmigkeit des Spalts wesentlich, um erwünschte externe Wärmeübertragungseigenschaften zu erzielen. Es ist erwünscht, die Heizkörperrohre und die zugeordneten Bauteile so gleichmäßig wie möglich zu erwärmen, um die Ausbildung von Ausdehnungsspannungen auf den Bauteilen zu verringern, die zu Bauteilausfall führen können. Für einen Direktbeleuchtungssonnenstrahlungsempfänger ist es vorteilhaft, zwischen benachbarten Rohren über ihre gesamte effektive Länge Linienkontakt beizubehalten. Diese Linienkontaktbeziehung erlaubt es, dass eine maximale Energiemenge für einen beliebigen gegebenen Satz von Heizkörperrohren empfangen werden kann.

Wenn der Basiskreis und der Endkreis in derselben Ebene liegen, kann ein konstanter Spalt durch Rohre erhalten werden, deren Mittenlinien Evolventen bilden. Bei Evolventen handelt es sich um ebene Kurven, die durch Pfade gleichmäßig beabstandeter Punkte auf einer Linientangente an dem Grundkreis gebildet sind, wenn die Linie ohne Verrutschen auf dem Kreis abgerollt wird. Ein Problem entsteht jedoch, wenn eine axiale Trennung zwischen dem Grundkreis und dem Endkreis besteht. Wenn die ebenen Evolventen auf eine axial symmetrische Fläche zwischen den zwei Kreisen projiziert werden, beispielsweise einen Kegelstumpf, handelt es sich bei den Projektionen um Raumkurven mit Spalten zwischen benachbarten Kurven, die üblicherweise nicht gleichförmig sind.

Eine Einparameterfamilie axial symmetrischer Flächen ist vorliegend offenbart, auf die die Raumkurven, bei denen es sich um Projektionen der ebenen Evolventen handelt, einen gleichförmigen Spalt aufrecht erhalten. Diese Raumkurven sind spezielle Projektionen von ebenen Evolventen auf einen Kegelstumpf, die einen gleichförmigen Spalt zwischen benachbarten Kurven aufrecht erhalten.

Der erfindungsgemäße Heizkörperaufbau enthält ein Paar dieser neuartigen Heizkörperrohrgruppierungen, die eng miteinander verschachtelt sind, um für die Sonnenstrahlung eine opake Oberfläche bereit zu stellen. Jedes Element der äußeren Gruppierung von Heizkörperrohren ist in dem Spalt zwischen benachbarten Elementen der inneren Gruppierung von Heizkörperrohren zentriert, ausgehend von der Mittenachse der Heizkörperrohrgruppierungen gesehen. In dieser Weise werden gleichförmige Spalten zwischen jedem Element der äußeren Gruppierung und den zwei am nächsten liegenden Elementen der inneren Gruppierung erhalten, wodurch die Wärmeübertragungseigenschaften der Gruppierung zusätzlich verbessert werden, wenn in der Verbrennungsbetriebsart gearbeitet wird. Die Elemente der anderen Gruppierung weisen sichtbare Bereiche auf, die gleich groß sind wie die sichtbaren Bereiche der Spalten oder größer als diese zwischen benachbarten Elementen der inneren Gruppierung, ausgehend von der Mittenachse der Heizkörperrohrgruppierungen gesehen. In dieser Weise weisen die Empfängerrohrgruppierungen eine opake Oberfläche für Sonnenstrahlung auf, wodurch die Wärmeübertragungseigenschaft der Gruppierung verbessert wird, wenn in der Sonnenstrahlungsenergiebetriebsart gearbeitet wird, und wodurch der "tote" Bereich verringert wird, der hervorgerufen ist, wenn ein Element der inneren Heizkörperrohrgruppierung ein Element der äußeren Heizkörperrohrgruppierung abdeckt.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den anliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine teilweise Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Wärmekraftmotor-Heizkörperaufbau, der in einer mobilen Stromerzeugungseinheit enthalten ist;

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des Heizkörperaufbaus von Fig. 1, insbesondere unter Darstellung der Luftströmung des Heizkörperaufbaus in der Verbrennungsbetriebsart;

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht der Heizkörperrohrgruppierungen von Fig. 1, insbesondere unter Darstellung der verschachtelten Beziehung zwischen den Elementen der inneren und äußeren Gruppierung von Heizkörperrohren.

DEATILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Ein erfindungsgemäßer Wärmekraftmotor-Heizkörperaufbau ist in Fig. 1 gezeigt und allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. In Fig. 1 ist der Heizkörperaufbau 10 als Teil einer Hybridstromerzeugungseinheit 12 gezeigt. Andere Hauptbestandteile der Stromerzeugungseinheit 12 umfassen einen Wärmekraftmotor 14, einen Generator 16, ein Gebläse 18, einen Kasten 20 und ein Einheitsgehäuse 22.

Wärme wird auf Arbeitsfluid übertragen, das in dem Wärmekraftmotor 14 umgewälzt wird, und zwar durch den Heizkörperaufbau 10. Die Wärmeenergie in dem Arbeitsfluid wird in mechanische Ausgangsenergie durch die Bestandteile des Wärmekraftmotors 14 umgesetzt. Der Wärmekraftmotor 14 ist mechanisch mit dem Generator 16 verbunden, der die mechanische Ausgangsenergie von dem Wärmekraftmotor in Elektrizität umsetzt. Der Kasten 20 und das Einheitsgehäuse 22 werden jeweils dazu verwendet, die Stromerzeugungseinheit 12 zu trägen und aufzunehmen. Das Gebläse 18 erzeugt den Luftstrom, der für eine korrekte Funktion erforderlich ist und den Wärmekraftmotor 14 sowie den Generator 16 kühlt.

Der Wärmekraftmotor 14 umfasst eine Anzahl von primären Bestandteilen und Aufbauten, einschließlich einem Antriebsgehäuseaufbau 24 und einem Zylinderblockaufbau 26. Der Antriebsgehäuseaufbau 24 enthält die Bestandteile, die erforderlich sind, die hin- und herlaufende Bewegung der Kolben in eine Drehbewegung der Ausgangwelle umzusetzen. Der Zylinderblockaufbau 26 enthält Zylinder 28, Zylinderverlängerungen 30, Zylinderverlängerungsverteiler 32, Regeneratorgehäuse 34 und Regeneratorgehäuseverteiler 36. Kolben, die in den Zylindern 28 in Reaktion auf eine Arbeitsfluiddruckdifferenz über den Kolben hin- und herlaufen, setzen Wärmeenergie in mechanische Ausgangsenergie um, die daraufhin durch die Bestandteile des Antriebsgehäuseaufbaus 24 auf die Ausgangswelle übertragen wird.

Wie nachfolgend im Einzelnen erläutert, umfasst der Heizkörperaufbau 10 einen Heizkörperrohraufbau 38, der aus inneren Heizkörperrohren 40, äußeren Heizkörperrohren 42 und Heizkörperrohrköpfen 44 besteht. Die inneren Heizkörperrohre 40 sind mit den Zylinderverlängerungsverteilern 32 und den Heizkörperrohrköpfen 44 verbunden. Die äußeren Heizkörperrohre 42 sind mit den Heizkörperrohrköpfen 44 und den Regeneratorgehäuseverteilern 36 verbunden. Arbeitsfluid wird zwischen den Zylindern 28 und dem Regeneratorgehäuse 34 hin und her übertragen, wenn der Wärmekraftmotor 14 läuft und die Temperatur des Arbeitsfluids wird erhöht, wenn es die inneren Heizkörperrohre 40 und die äußeren Heizkörperrohre 42 durchsetzt. Der Heizkörperaufbau 10 umfasst außerdem einen Konus 46 und ein Empfängergehäuse 48, das eine Empfängerkammer 50 bildet, in der der Heizkörperrohraufbau 38 angeordnet ist, und einen Empfängerdurchbruch 52, durch den die Empfängerkammer 50 isoliert werden kann. Der Heizkörperaufbau 10 umfasst ferner einen Lufteinlass 54, einen Luftauslass 56, einen Wärmetauscher 58 und einen Brenner 60. Der Brenner 60 wird auch als Brennstoffkombustor bezeichnet. Bei dem abschließenden Hauptbestandteil des Heizkörperaufbaus 10 handelt es sich um eine Durchbruchsabdeckung 62, die an dem Einheitsgehäuse 22 schwenkbar angebracht gezeigt ist.

Der Wärmekraftmotor 14 weist zwei Betriebsarten auf. In der "Sonnenstrahlungs"-Betriebsart ist der Durchbruch 62 von dem Empfängerdurchbruch 52 weggedreht und ein Sonnenstrahlungskonzentrator (nicht gezeigt) wird verwendet, um das Innere der Empfängerkammer 50 mit der konzentrierten Sonnenstrahlungsenergie zu insolieren, d. h., direkt Sonnenstrahlung auszusetzen. Diese Sonnenstrahlungsenergie wird durch den Heizkörperrohraufbau 38 empfangen und erhöht die Temperatur des Arbeitsfluids, das in dem Heizkörperrohraufbau zirkuliert. In der "Verbrennungs"-Betriebsart ist die Durchbruchsabdeckung 62 in Kontakt mit dem Empfängerdurchbruch 52 gedreht, wo sie die Öffnung abdeckt. Der Brenner 60 wird aktiviert, der die Verbrennung des Brennstoffs, wie etwa von natürlichem Gas, beginnt. Die Verbrennungsgase werden durch die Spalte zwischen den Heizkörperrohren 40 und 42 geleitet, wodurch die Temperatur des Arbeitsfluids erhöht wird, das in den Heizkörperrohren zirkuliert. Der Wärmetauscher 58 erwärmt die Ansaugluft mit Wärme von der Abgasluft, nachdem diese die Spalte zwischen den Heizkörperrohren 40 und 42 durchsetzt hat.

Wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht, weist jedes Heizkörperrohr 40 und 42 drei Abschnitte, einen Verteilerabschnitt 64, einen Kopfabschnitt 66 und einen, zentralen Abschnitt 68 auf. Die Verteilerabschnitte 64 ermöglichen es, dass die Heizkörperrohre 40 und 42 an den Zylinderverlängerungsverteilern 32 und den Regeneratorgehäuseverteilern 36 angebracht werden, die typischerweise kreisförmige ebene Innen- und Außenseiten aufweisen. Die Kopfabschnitte 66 erlauben es, dass die Heizkörperrohre 40 und 42 an den Heizkörperrohrköpfen 44 angebracht werden, die typischerweise ebenfalls eine ebene kreisförmige Seite aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform des Heizkörperrohraufbaus 38 sind die Heizkörperrohrköpfe 44 weggelassen und die Kopfabschnitte 66 der Heizkörperrohre 40 und 42 bestehen aus Schleifenabschnitten, die ein Paar von zentralen Abschnitten 68 verbinden bzw. mit diesen in Verbindung stehen. In dieser Ausführungsform können ein inneres Heizkörperrohr 40 und ein äußeres Heizkörperrohr 42 aus einem einzigen Rohrteil hergestellt werden.

Der Zweck des Heizkörperrohraufbaus 38 besteht darin, Wärme auf Arbeitsfluid zu übertragen, das in den Heizkörperrohren 40 und 42 zirkuliert. Die Verteilerabschnitte 64 der Heizkörperrohre 40 und 42 sind so ausgelegt, dass die Heizkörperrohre mit den Zylinderverlängerungsverteilern 32 und den Regeneratorgehäuseverteilern 36 verbunden werden können. Die Kopfabschnitte 66 der Heizkörperrohre 40 und 42 sind so ausgelegt, dass die Heizkörperrohre mit den Heizkörperrohrköpfen 44 verbunden werden können. Die zentralen Abschnitte 68 der Heizkörperrohre 40 und 42 sind insbesondere dazu ausgelegt, optimale Wärmeübertragungseigenschaften sowohl unter Sonnenstrahlungsinsolations- wie Verbrennungsbedingungen bereit zu stellen.

Die verschachtelte Beziehung zwischen den zentralen Abschnitten 68 der Heizkörperrohre 40 und 42 geht am besten aus der Querschnittsansicht von Fig. 3 hervor. Im Querschnitt betrachtet, sind die zentralen Abschnitte 68 der inneren Heizkörperrohre 40 gleichmäßig beabstandet um einen Kreis eines bestimmten Radius, der mit R&sub1; bezeichnet ist, und die zentralen Abschnitte 68 der äußeren Heizkörperrohre 42 sind gleichmäßig beabstandet um einen Kreis eines anderen Radius, der mit R&sub2; bezeichnet ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist R&sub2; größer als R&sub1;. Während die inneren Heizkörperrohre 40 und die äußeren Heizkörperrohre 42 typischerweise einen zylindrischen Querschnitt aufweisen, sind sie bei einer Betrachtung in diesem speziellen Querschnitt deshalb oval, weil sie relativ zu der Mittenachse 70 des Heizkörperrohraufbaus 38 gekippt sind.

Wie sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik erschließt, kann der Abstand zwischen benachbarten Elementen der inneren Gruppierung und der äußeren Gruppierung modifiziert werden durch Vergrößern oder Verkleinern det Distanz R&sub2; - R&sub1; und durch Vergrößern oder Verkleinern des Abstands zwischen benachbarten Elementen der inneren Gruppierung relativ zueinander (und durch ein entsprechendes Vergrößern oder Verkleinern des Abstands zwischen den Elementen der äußeren Gruppierung relativ zueinander). Der optimale Rohrabstand hängt teilweise vom Durchmesser der Heizkörperrohre 40 und 42, dem Energieflussniveau im Bereich der Heizkörperrohre 40 und 42 sowie von der Art und der Geschwindigkeit des Fluids ab, das in den Heizkörperrohren strömt. Es ist möglich, eine dritte oder mehr Heizkörperrohrgruppierungen dem Heizkörperaufbau 10 hinzuzufügen.

Um einen optimalen Betriebswirkungsgrad beizubehalten, wenn in der "Sonnenstrahlungs"-Betriebsart gearbeitet wird, ist es wichtig, dass die Elemente der äußeren Gruppierung eine sichtbare Oberfläche bzw. einen sichtbaren Bereich aufweisen, die bzw. der größer oder gleich dem sichtbaren Bereich bzw. der sichtbaren Oberfläche des Spalts zwischen den zwei am nächsten zueinander liegenden Elementen der inneren Gruppierung ist, ausgehend von der Mittenachse 70 der Heizkörperrohrgruppierungen aus gesehen. Die Elemente der inneren und äußeren Gruppierungen bilden dadurch eine Oberfläche, die opak ist, ausgehend von der Mittenachse 70 gesehen (und dadurch wird die maximale Sonnenstrahlungsenergie gesammelt).

Die Anmelderinnen haben eine präzise mathematische Beschreibung der Rohrmittenlinien entwickelt, die sicherstellt, dass der Abstand zwischen benachbarten Rohren in einer gegebenen Gruppierung über ihren gesamten Verlauf konstant bleibt. Durch Beibehalten dieses konstanten Abstands zwischen benachbarten Elementen einer gegebenen Gruppierung und durch Positionieren der Elemente der äußeren Gruppierung zwischen sowie geringfügig hinter benachbarten Elementen der inneren Gruppierung haben die Anmelderinnen dahingehend Erfolg gehabt, eine Heizkörperrohrkonfiguration zu entwickeln, die für Sonnenstrahlung opak erscheint, jedoch auch gleichförmige Spalten zwischen benachbarten Rohrelementen über ihren dreidimensionalen Verlauf aufweist, die es erlauben, dass die Rohrgruppierung effektiv in der "Verbrennungs"-Betriebsart genutzt wird.

Die zentralen Abschnitte 68 von jeder Heizkörperrohrgruppierung kann als modifizierter, auf dem Kopf stehender Kegelstumpf angesehen werden, wobei der kleinere Basiskreis einen Radius r&sub0; aufweist, wobei der größere Abschlusskreis einen Radius r&sub1; aufweist und wobei die zwei Kreise eine axiale Trennung z aufweisen. Die unabhängige Variable, der Radius r, variiert zwischen r&sub0; und rf. Diese Oberfläche muss als "modifizierter" Kegelstumpf angesehen werden, weil die Wände der Oberfläche konisch erweitert sind und nicht präzise linear.

Die übrigen Variablen werden verwendet, um die Rohrmittenlinien wie folgt zu beschreiben:

k = zf/(rf² - r&sub0;²)1/2

ψ = ((r/r&sub0;)²·(k²+1) - 1)

θini = anfängliche radiale Koordinate von jeder Rohrmittenlinie

Die anfängliche radiale Koordinate von jeder Rohrmittenlinie besteht aus gleichmäßig beabstandeten Winkelpositionen, die es erlauben, dass eine diskrete Anzahl von Heizkörperrohren um die Peripherie des Basiskreises mit gleichmäßigem Abstand zwischen den Heizkörperrohren angeordnet werden können.

In Zylinderkoordinaten kann die Rohrmittenlinienkurve mathematisch definiert werden als

θ(r) = ψ - k - tan&supmin;¹ψ + tan&supmin;¹k + θini

(oder äquivalent θ(r) = ψ - k - tan&supmin;¹((ψ - k)/(1 + ψ·k)) + θini); und

z(r) = k·(r² - r&sub0;²)1/2

In kartesischen Koordinaten können die Rohrmittenlinienkurven äquivalent definiert werden als

x(r) = r·cos(θ(r));

y(r) = r·sin(θ(r)); und

z(r) = k·(r² - r&sub0;²)1/2

Die Tabelle 1 enthält berechnete Werte für eine demonstrative Heizkörperrohrmittenlinie, wenn der Basiskreisradius 65 beträgt, wenn der Abschluss- bzw. Endkreisradius 140 beträgt, wenn der axiale Abstand 50 beträgt und wenn θini = 0. In diesem Fall gilt für die berechnete Steigungskonstante k = 0,403239 und die Zylinderkoordinaten und die kartesischen Koordinaten der demonstrativen Rohrmittenlinien lauten wie folgt:

Tabelle 1

Jedes innere Heizkörperrohr 40 weist identische geformte zentrale Abschnitte 68 auf; diese Abschnitte sind jedoch radial voneinander versetzt, um die innere Gruppierung zu bilden. In ähnlicher Weise weisen die äußeren Heizkörperrohre 40 identisch geformte zentrale Abschnitte 68 auf; diese Abschnitte sind jedoch radial von den zentralen Abschnitten der anderen äußeren Heizkörperrohre versetzt, um die äußere Gruppierung zu bilden.

Der Konus 46 wird aus einem Material, wie etwa auf Aluminiumoxid basierender Keramik hergestellt, das eine höhere Reflexion für die Sonnenstrahlung aufweist und in der Lage ist, den extrem hohen Temperaturen in der Empfängerkammer 50 zu widerstehen. Die Basis des Konus 46 passt eng in die Basis der Kegelstumpfform, die durch die zentralen Abschnitte 68 der inneren Heizkörperrohre 40 gebildet ist. Der Radius der Basis des Konus 46 ist deshalb geringfügig kleiner als b&sub1; minus den Durchmesser der inneren Heizkörperrohre 40. Die Spitze des Konus 46 ist typischerweise auf der Mittenachse 70 der Heizkörperrohrgruppierungen so angeordnet, dass die durch die Außenseite des Konus 46 reflektierte Energie symmetrische Energieflusspegel besitzt.

Um den Wärmekraftmotor 14 in die "Verbrennungs"-Betriebsart umzuschalten, wird die Durchbruchsabdeckung 62 ausgehend von der "offenen" Stellung, in der der Empfängerdurchbruch 52 offen ist, in die "geschlossene" Stellung gedreht, in der die Durchbruchsabdeckung in Eingriff mit dem Empfängergehäuse 48 bewegt ist und ihn abdeckt sowie den Empfängerdurchbruch 52 abdichtet. Es ist wesentlich, dass die Durchbruchsabdeckung 62 den Empfängerdurchbruch 52 effektiv in seiner "geschlossenen" Stellung abdichtet, um Verlust von erhitztem Fluid durch diese Öffnung zu vermeiden, wenn der Wärmekraftmotor 14 in der "Verbrennungs"-Betriebsart betrieben wird.

Fig. 2 zeigt die Luftströmung in dem Heizkörperaufbau 10 in der "Verbrennungs"-Betriebsart. Frische Luft 72 strömt dem Heizkörperaufbau 10 durch den Lufteinlass 54 zu und strömt daraufhin durch den Wärmetauscher 58, wo sie erwärmt wird. Die erwärmte frische Luft wird zu dem Brenner 60 gesaugt, wo sie mit einem Brennstoff, wie etwa natürlichem Gas, gemischt wird, der bzw. das durch die Brennstoffversorgung 74 zugeführt und verbrannt wird. Die Verbrennungsgase 76, die durch Verbrennen des Brennstoffs erzeugt werden, strömen zwischen den äußeren Heizkörperrohren 42 und den inneren Heizkörperrohren 40, wo ein großer Teil der Wärme in den Verbrennungsgasen auf das Arbeitsfluid übertragen wird, das in den Heizkörperrohren 40 und 42 strömt. Das Gebläse 18 stellt sicher, dass zwischen dem Brenner 60 und den Heizkörperrohren 40 und 42 ein Druckabfall vorliegt. Die Verbrennungsgase 76 strömen daraufhin über den Heizkörperrohrkopf 44 und durch den Wärmetauscher 58, bevor sie durch den Luftauslass 56 ausgetragen werden (in Fig. 1 gezeigt). Der Wärmtauscher 58 hält Wärme in dem System zurück durch Verringern der Temperatur des Abgases, während er die Temperatur der frischen Luft erhöht, die in das System zuströmt. Dies erhöht deutlich den Gesamtwärmewirkungsgrad des Systems.

In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Heizkörperaufbaus 10 können andere erhitzte Fluide als Abgase genutzt werden, um die Heizkörperrohre in der "Verbrennungs"- Betriebsart zu erhitzen. Die Verbrennungsgase oder die anderen Arten von erwärmten Fluiden können entfernt erzeugt und daraufhin zu dem Wärmekraftmotor 14 gefördert werden, wie etwa durch Rohre oder Kanäle. Bei dem erhitzten Fluid kann es sich um ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Gas mit mitgerissener Flüssigkeit, wie etwa gesättigtem Dampf, handeln. In dieser Weise kann die Stromerzeugungseinheit 12 genutzt werden, um Strom aus einer Quelle von Wärme zu erzeugen, die aktuell in die Umgebung ausgetragen wird.

In einer anderen Ausführungsform des Heizkörperaufbaus 10 ist der Empfängerdurchbruch 52 durch eine transparente Abdeckung, wie etwa eine Quarzlinse, abgedeckt, so dass Sonnenenergie in die Empfängerkammer 50 eindringen kann, wobei jedoch verhindert wird, dass erhitztes Fluid durch den Empfängerdurchbruch frei kommt. In dieser Ausführungsform ist die Durchbruchsabdeckung nicht erforderlich, um die Empfängerkammer abzudecken, um den Wärmekraftmotor 14 in der "Verbrennungs"- Betriebsart zu betreiben. In dieser Weise ist es möglich, gleichzeitig Wärme von sowohl Sonnenstrahlungsenergie wie erhitztem Fluid zu nutzen, um den Wärmekraftmotor 14 zu betreiben, so dass diesem eine "Hybrid"-Betriebsart verliehen wird. Eine Durchbruchsabdeckung kann auch bei dieser Ausführungsform verwendet werden, um eine unbeabsichtigte Insolation der Heizkörperrohre zu verhindern sowie zusätzlich die Empfängerkammer zu insolieren, um Wärmeverlust durch die Linse zu verhindern, wenn der Wärmekraftmotor 14 ausschließlich in der "Verbrennungs"-Betriebsart betrieben wird.

Während der Wärmekraftmotor 14 in Fig. 1 und 2 als Stirlingkreislaufmotor gezeigt ist, wird bemerkt, dass der erfindungsgemäße Heizkörperaufbau 10 auch mit anderen Arten von Wärmekraftmotoren, wie etwa Rankine-Zyklusmotoren, verwendet werden kann.

Es wird bemerkt, dass die Erfindung nicht auf die dargestellte und vorstehend erläuterte exakte Konstruktion beschränkt ist, sondern zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen zugänglich ist, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen, die in den folgenden Ansprüchen festgelegt ist.


Anspruch[de]

1. Verbrennungswärmekraftmotor-Heizkörperaufbau (10) zum Übertragen von Wärme auf ein Arbeitsfluid in dem Heizkörperaufbau (10) von Sonnenenergie und von Verbrennungsgasen, die durch Verbrennen eines Kraftstoffs erzeugt werden, wobei der Heizkörperaufbau (10) aufweist:

Ein Gehäuse (48), das eine Kammer (50) bildet,

mehrere Heizkörperröhren (38) in der Kammer (50) zum Aufnehmen des Arbeitsfluids,

einen Kraftstoffkombustor (60) zum Mischen und Verbrennen von Luft und Kraftstoff zum Erzeugen von Verbrennungsgasen in dem Gehäuse (48),

eine Luftzufuhreinrichtung (54) zum Zuführen von Luft zu dem Kraftstoffkombustor (60),

eine Kraftstoffzufuhreinrichtung (74) zum Zuführen von Kraftstoff zu dem Kraftstoffkombustor (60),

eine Verbrennungsgasumwälzeinrichtung (54, 56) zum Umwälzen der Verbrennungsgase hinter den Heizkörperrohren (38), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (48) einen Durchbruch (52) aufweist, damit die Heizkörperrohre (28) derart isoliert werden können, dass die Heizkörperrohre (38) Sonnenenergie auf das Arbeitsfluid übertragen können, und eine Abdichtungseinrichtung (62), um zu verhindern, dass Verbrennungsgase aus dem Gehäuse durch den Durchbruch (52) ausströmen.

2. Heizkörperaufbau (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffkombustor (60) in dem Gehäuse (48) angeordnet ist.

3. Heizkörperaufbau (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkörperrohre (38) zwischen dem Durchbruch (52) und dem Kraftstoffkombustor (60) angeordnet sind.

4. Heizkörperaufbau (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsgasumwälzeinrichtung einen Vorheizkörper (58) aufweist, der Wärme von den Verbrennungsgasen auf Luft überträgt, nachdem die Verbrennungsgase hinter die Heizkörperrohre (38) umgewälzt worden sind.

5. Heizkörperaufbau (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsgasumwälzeinrichtung eine Druckregeleinrichtung zum Erzeugen eines Druckabfalls von dem Kraftstoffkombustor (60) zu den Heizkörperrohren (38) aufweist.

6. Heizkörperaufbau (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkörperrohre (38) über einer Mittenachse (70) angeordnet sind, und dass die Heizkörperrohre (38) ausgehend von der Mittenachse (70) betrachtet eine im wesentlichen lichtundurchlässige. Oberfläche bilden.

7. Heizkörperaufbau (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkörperohre (38) untereinander benachbarte Spalte aufweisen, so dass Verbrennungsgase zwischen den benachbarten Heizkörperrohren (36) zirkulieren können.

8. Heizkörperaufbau (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte zwischen den benachbarten Heizkörperrohren (38) im wesentlichen gleichförmig sind.

9. Heizkörperaufbau (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkörperrohre (38) eine modifizierte umgekehrte Kegelstumpffläche mit einem größeren kreisförmigen Ende, einem kleineren kreisförmigen Ende und Wänden dazwischen bilden, wobei das größere kreisförmige Ende in Richtung auf den Durchbruch (52) angeordnet ist, wobei das kleinere kreisförmige Ende von dem Durchbruch (52) weg weisend positioniert ist, und wobei die Heizkörperrohre (38) die Wände der Kegelstumpffläche bilden.

10. Heizkörperaufbau (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das größere kreisförmige Ende größer als der Aufnehmerdurchbruch (52) ist.

11. Heizkörperaufbau (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das kleinere kreisförmige Ende kleiner als der Aufnehmerdurchbruch (52) ist.

12. Heizkörperaufbau (10) nach Anspruch 1, außerdem aufweisend einen Konus (46) der in bezug auf die Heizkörperrohre (38) festgelegt ist, wobei der Konus (46) einen Scheitel aufweist, der in Richtung auf den Durchbruch (52) ausgerichtet ist, Sonnenenergie reflektierende Wände und eine Basis, die von dem Durchbruch (52) weggerichtet ist, wobei die Heizkörperrohre (38) um die Basis des Konus (46) gleichmäßig beabstandet sind.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com