DE102006034626A1

DE102006034626A1 - Als Erhitzerkopf wirkender Wärmetauscher für Stirlingmotoren

Info

Publication number: DE102006034626A1
Application number: DE200610034626
Authority: DE
Inventors: Gerhard Mauser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2008-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Erwärmung eines den Tauscher durchfließenden Mediums mittels einer externen Wärmequelle, insbesondere zur Verwendung als Erhitzerkopf an einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Kraftmaschine, wobei durch die kompakte Ausführung mittels einer Trennwand in einer umlaufend geschlitzten Wand des Wärmetauschers die inneren Tauscherflächen relativ groß im Verhältnis zum enthaltenen Volumen des Durchflussmediums sind, wobei der Tauscher aus einem - insbesondere keramischen - Material steht, das sowohl gute thermische Leitfähigkeit besitzt als auch Oxidationsbeständigkeit und große Festigkeit auch noch bei sehr hohen Temperaturen aufweist, und der zudem so konstruiert ist, dass er als ein Teil hergestellt werden kann und nur eine oder gar keine Fügestelle aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Wärmetauscher, dessen Aufgabe es ist, die Energie einer externen Wärmequelle, beispielsweise durch Einstrahlung oder Konvektion, insbesondere aber die Energie einer durch Verbrennung erzeugten Flamme, auf ein durchfließendes Medium mit hoher Effizienz zu übertragen. Der Wärmetauscher ist insbesondere zur Verwendung an nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Kraftmaschinen vorgesehen, welche in Kombination mit einer Wärme erzeugenden Verbrennungsanlage, z.B. einem Heizkessel, betrieben werden, um zusätzlich mechanische Energie oder – in Verbindung mit einem Generator – Strom zu erzeugen.
Solche Maschinen arbeiten nach dem seit langem bekannten Stirlingprinzip, welches durch die Umsetzung eines Kreisprozesses die Umwandlung von extern zugeführter Wärmeenergie in mechanische Energie ermöglicht. Hierzu bedarf es entsprechender Wärmetauscher für Erhitzung und Kühlung für ein eingeschlossenes Medium, das hierdurch abwechselnd erwärmt und abgekühlt werden kann. Dadurch werden wechselnde Drücke erzeugt, wobei bei anstehendem hohen Druck das Medium expandiert und somit Arbeit geleistet wird, während bei niedrigem Druck das Medium wieder auf das vor der Expansion herrschende Volumen verdichtet wird. Durch ständige Wiederholung dieses Vorgangs wird somit kontinuierlich Wärme in mechanische Energie umgewandelt.
Zur Umsetzung dieses Prozesses sind zahlreiche mechanische Ausführungen und Prinzipien bekannt, um das Arbeitsmedium zwischen Erhitzung und Kühlung zu bewegen, z.B. Stirlingmotoren, die nach dem so genannten Alpha-, Beta- oder Gamma-Prinzip arbeiten, jedoch gilt für alle Ausführungen, dass die extern vorhandene Wärme auf das innere, meist hoch verdichtete Arbeitsmedium, beispielsweise Luft oder gute Wärmeträger wie Helium oder Wasserstoff, mittels eines geeigneten Wärmetauschers, den so genannten Erhitzerkopt, übertragen werden muss. Üblicherweise werden solche Erhitzerköpfe ausgeführt als Konstruktion bestehend aus zahlreichen Röhrchen aus hitzebeständigem Stahl, die im Bereich der externen Wärmezufuhr liegen, so dass die Wärme auf das die Röhrchen durchströmende Arbeitsmedium übertragen werden kann.
Ein Nahteil dieser Ausführung liegt im Verhältnis von inneren zu äußeren Wärmeübertragungsflächen. Da die Rohre aus Gründen der Wärmeleitung möglichst dünnwandig sein müssen, kann die die äußere Wärme aufnehmende Oberfläche nicht viel größer sein kann, als die innere Wärme abgebende. In der Regel ist jedoch die Wärmeaufnahmefähigkeit des Arbeitsmediums wegen seiner höheren Dichte, Strömungsgeschwindigkeit oder physikalischen Eigenschaften um ein vielfaches höher, als es dem möglichen externen Wärmeeintrag über die relativ kleine äußere Oberfläche entspricht. Zudem weist ein runder Querschnitt nur die kleinstmögliche Oberfläche auf, führt aber andererseits zu einem relativ großen toten Volumen, was einem gutem Expansionsverhältnis – und damit gutem Wirkungsgrad des Motors – entgegensteht. Die Vergrößerung der äußeren Oberfläche, z.B. durch Anbringen von zusätzlichen Rippen, bringt wenig wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit der verwendeten hochhitzefesten Stähle. Diese werden verwendet, um mit möglichst hohen Temperaturen arbeiten zu können, da erzielbare Leistung und Effizienz in Abhängigkeit zur Temperaturdifferenz von heißem und kaltem Medium stehen. Dennoch ist es in der Praxis kaum möglich, einen dauerhaften Betrieb bei Temperaturen über 1000°C zu gewährleisten; besonders die stark nachlassende Festigkeit aller metallischen Werkstoffe bei hohen Temperaturen begrenzen das nutzbare Temperaturspektrum.
Ein Nachteil ist auch, dass die Rohre einzeln durch Schweißen oder Löten an zahlreichen schlecht zugänglichen Stellen mit dem Erhitzerkopf zusammengefügt werden müssen, was aufwendig ist und das Risiko von später auftretenden Leckagen birgt.
Hier nun setzt die Erfindung an, welche sich zur Aufgabe gemacht hat, die Verwendung von temperaturresistenten, festen und gut wärmeleitenden Materialien zu kombinieren mit einer Konstruktion, die keine oder nur eine Fügestelle hat und die zudem ein vorteilhaftes Verhältnis von inneren und äußeren Oberflächen aufweist.
Die keramische Industrie hat Werkstoffe, z.B. SiSiC oder SSiC, entwickelt, deren Festigkeit bei Temperaturen um 1000°C eher zunimmt und die auch den Forderungen nach guter Wärmeleitung entsprechen, die um ein Vielfaches über der von hitzbeständigen Edelstählen liegt. Mit der vorliegenden Erfindung kann dieser Werkstoff genutzt werden, z.B. in Form eines topfförmigen Wärmetauschers, dessen Seitenwände zur besseren Wärmeaufnahme verrippt sind und der in der Wandmitte einen zum Boden hin offenen Schlitz aufweist zur Aufnahme des Arbeitsmediums. In diesen Schlitz wird eine Trennwand eingesteckt in der Weise, dass jeweils ein Spalt zwischen den Schlitzwänden und Trennwand, auch am oberen Schlitzende, verbleibt. Damit ergibt sich eine zwangsweise Führung des Arbeitsmediums vom bodenseitigen Eintritt auf einer Seite des durch die eingeschobene Trennwand geteilten Schlitzes über dessen oberes Ende auf die andere Seite zum bodenseitigen Schlitzaustritt. Wird diese Konstruktion als Bauteil nach außen abgedichtet in solcher Weise auf den Stirlingmotor aufgesetzt, dass die Zu- und Abführung des durchströmenden Arbeitsmediums jeweils durch die mittels der im Wandschlitz befindlichen Trennwand aufgetrennten Wegen erfolgt, ist die Funktion als Wärmetauscher erfüllt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung des Wärmetauschers liegt in hoher Effizienz des Tauschers durch gute Wärmeleitung und günstigem Verhältnis der Innen- zu den Außenflächen. Das tote Volumen ist gering. Es kann ohne Verkleinerung der aktiven Wärmetauscherfläche durch Spaltverkleinerung bis auf einen durch den Durchflusswiderstand limitierten Wert minimiert werden. Hierdurch können auch zusätzlich strukturierte Oberflächen, z.B. durch erhöhte Rauheit, Noppen, Längs- oder Kreuzrillen, etc., einen besseren Einfluss auf den Tauscherwirkungsgrad ausüben.
Die hier beschriebene Ausführung kann als Gussteil, Press- oder Sinterteil einteilig, ohne Fügestellen ausgeführt werden und erlaubt eine einfache Herstellung. Es ist auch denkbar, den Wärmetauscher zweiteilig, bestehend aus Außen- und Innenteil auszuführen, wobei der Schlitz die Trennstelle darstellt. Dies ergibt nur eine einzige, gut zugängliche Fügestelle an der dem Boden gegenüberliegenden Seite. Aus Fertigungsgründen wird man die Ausführung des Tauschers überwiegend in runder Form gestalten, jedoch ist die Funktion in gleicher Weise gewährleistet, wenn sie oval, als Vieleck oder in Rechteckform ausgeführt wird.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung auch bei Anwendungen im Gegenstromverfahren, wobei die volle Temperaturdifferenz zur Übertragung von der Wärmequelle zum Medium genutzt werden kann.
Da der erfindungsgemäße Tauscher nicht wie üblich aus vielen Einzelteilen zusammengesetzt ist, gibt es keine oder nur maximal eine Schnittstelle dieser Einzelteile untereinander, so dass keine besonderen Genauigkeitsanforderungen gelten. Lediglich die Trennwand muss zum Schlitz passen. Sofern die Herstellungstoleranzen hier keine reproduzierbaren Maße erlauben kann die Funktion der Trennwand auch eine mehrfach gewickelte temperaturfeste Folie übernehmen, die sich dann sowohl im Durchmesser, als auch in der Dicke den Verhältnissen flexibel anpassen kann.
Bildbeschreibung:
Bild 1 zeigt den Längsschnitt eines einteilig ausgeführten Wärmetauscher. Auf der Bodenplatte 1 steht eine zylindrisch geformte Wand 2, welche durch einen ringförmigen Schlitz 3 in eine innere und äußere Seite geteilt ist. In diesen Schlitz 3 ist eine zylindrische Trennwand 4 so eingebracht, dass ein beidseitiger Spalt zu den Schlitzwänden als Innenspalt 5 und Außenspalt 6 gebildet wird. Gleichzeitig belässt die Trennwand 4 auch an ihrem oberen Ende einen Kopfspalt 7, der ein Überströmen des Arbeitsmediums zwischen Innenspalt 5 und Außenspalt 6 ermöglicht. Der äußere Rand 8 der Bodenplatte 1 ist durch eine Verschraubung 9 und eine Abdichtstelle 10 mit der Kraftmaschine, bzw. den das Arbeitsmedium zu- und abführenden Bauteilen verbunden. Dadurch kann nun das Arbeitsmedium mittels der durch die Trennwand 4 separierten inneren Ringkanäle 11 (innen) und 12 (außen) über die Schlitzspalte 5 und 6 den Wärmetauscher durchströmen.
Zusätzlich ist hier gezeigt, wie die Führung eines in einer Richtung parallel über Innen- und Außendurchmesser zugeführten äußeren Heißgasstromes, dargestellt durch die Pfeile 13 über den Wärmetauscher hinweg verläuft. Die heißeste Stelle liegt hierbei an der Kopfspitze 14.
Bild 2 zeigt den Querschnitt eines Wärmetauschers nach Bild 1. Zwischen Innenspalt 5 und Außenspalt 6 liegt die Zylinderwand 4. Die Wand 2 ist innen wie außen mit Rippen 15 versehen.
Bild 3 zeigt den Längsschnitt eines zweiteilig ausgeführten Wärmetauschers, dessen Funktion identisch mit der in den Bildern 1 und 2 beschriebenen ist. Das Innenteil 16 ist mit dem Außenteil 17 durch die umlaufende einzige Fügestelle 18 verbunden.
Zusätzlich ist hier gezeigt, wie die Führung eines umgelenkten, nacheinander über Innen- und Außendurchmesser zugeführten äußeren Heißgasstromes, dargestellt durch die Pfeile 19 über den Wärmetauscher hinweg verläuft. Die heißeste Stelle liegt hier an der inneren Wandwurzel 20. Diese Ausführung eignet sich auch vorzüglich für einen Betrieb im Gegenstrom, indem beispielsweise das kalte Medium über den Innenspalt 5 zugeführt und über den Außenspalt 6 abgeführt wird.

Claims

Wärmetauscher zur Erwärmung eines den Tauscher durchfließenden Mediums mittels einer externen Wärmequelle, insbesondere zur Verwendung als Erhitzerkopf an einer nach dem Stirlingprinzip arbeitenden Kraftmaschine, gekennzeichnet dadurch, dass die wärmetauschende Fläche als ringförmige, ovale oder eckige und jeweils geschlitzte Wand ausgeführt ist, innerhalb der der Schlitz parallel zu den Außenseiten verläuft und an einer Stirnseite offen ist und in welchem seinerseits durch das Einbringen einer Trennwand von der offenen Seite her zwei Spalträume jeweils zwischen einer Schlitzwand- und einer Trennwandseite gebildet werden, womit das durchströmende Medium gezwungen ist von der offenen Stirnseite des Spaltes auf der einen Trennwandseite durch die gesamte Spalttiefe über einen Übertritt an dem der Schlitzöffnung gegenüberliegenden Ende zurück über die gesamte Tiefe des anderen Spaltes zur offenen Stirnseite des anderen Spaltes zu fließen, wodurch die gesamte Schlitzfläche vom Medium überstrichen wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der gesamte aktive Tauscherkörper als ein einziges Teil, z.B. aus dem Vollen bearbeitet, oder als Guss-, Sinter- oder Pressteil ausgebildet ist, oder aber höchstens aus 2 am Schlitz zusammengefügten Teilen gebildet wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die geschlitzte Wand ein Teil mit einer Grundplatte bildet, durch welche der Wärmetauscher mit der jeweiligen Anwendung zusammenmontiert werden kann.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass die geschlitzte Wand senkrecht auf der Grundplatte steht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass ein Werkstoff verwendet wird, der hohe mechanische und thermische Festigkeit aufweist, sowie gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, wie Keramik, z.B. SiSiC oder SSiC.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Außenflächen zur besseren Wärmeaufnahme mit Rippen versehen sind oder rippenartig ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Oberfläche der Schlitzinnenseiten strukturiert sind, beispielsweise durch erhöhte Rauhigkeit, Noppen oder Rillen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die in den Schlitz eingebrachte und das Arbeitsmedium leitende Trennwand aus dünnem Blech besteht, was eine Hin- und Herführung des Mediums auf engstem Raum ermöglicht.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die in den Schlitz eingebrachte und das Arbeitsmedium leitende Trennwand aus dünnem mehrfach gewickeltem Blech besteht, wodurch herstellungsbedingte Maßungenauigkeiten des Schlitzes in Breite und Durchmesser ausgeglichen werden können.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass der Tauscher vom Arbeitsmedium nur in einer Richtung durchströmt wird, wodurch eine Wärmetauschung im Gegenstrom ermöglich wird.