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Definition
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Die Erfindung betrifft einen Erhitzerkopf für eine Kraft-Wärme-Maschine, insbesondere für einen Stirlingmotor, einen Stirlingmotor mit dem Erhitzerkopf, sowie eine Kraft-Wärme-Maschine mit dem Stirlingmotor. Der Erhitzerkopf ist ein druckdichtes, warmfestes, direkter Flammeneinwirkung ausgesetztes Bauteil zur Aufheizung eines durchströmenden Arbeitsmediums zur Verwendung in Hochtemperaturbrennräumen und Hochtemperaturwärmeaustauschvorrichtungen für Stirling-Motoren und ähnliche Wärme-Kraft-Maschinen.
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Stand der Technik
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Werden Stirling-Motoren als Wärme-Kraft-Maschine in Blockheizkraftwerken eingesetzt, so ist die Biomasse Holz und die daraus resultierenden Produkte wie z. B. Sägespäne, Holz-Pellets, Holzhackschnitzel, etc. der aus Gründen der Nachhaltigkeit gewünschte Energieträger.
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Eine effiziente Verbrennung zur Beheizung dieser Kraft-Wärme-Maschine erfolgt über die Erzeugung von Holzgas in einem vorgelagerten Prozess der Holzvergasung, und der nachfolgenden Verbrennung dieses Holzgases in einem eigenen Brennraum. In diesen Brennraum ist das Motorbauteil Erhitzerkopf der Wärme-Kraft-Maschine eingebaut. Es übernimmt die Wärmeübertragung von Brennerflamme und entstehendem Abgas auf das im Motor benutzte Arbeitsgas. Da der Erhitzerkopf in den Brennraum hinein ragt kann er dort auch durch direkte Strahlung Wärmeenergie aufnehmen.
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Es ist bekannt, dass die Wärmeeinkoppelung aus Brennräumen in Kraft- und Arbeitsmaschinen durch Erhitzerrohre erfolgt. Diese Erhitzerrohre trennen den Brennraum von dem Arbeitsmedium und sichern den Wärmeübergang. Zunehmende Leistungsanforderungen bedingen höhere Temperaturen.
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Es ist ferner bekannt, dass unter Einwirkung von Flammentemperaturen bei der Verbrennung von Heizgasen in Brennräumen und nachgelagerten Wärmetauschsystemen oberhalb von 500°C selbst hochwarmfeste Stahlwerkstoffe versagen. Neben dem thermisch bedingten Festigkeitsabfall treten insbesondere Werkstoffabbauerscheinungen durch Oxidation sowohl an der Oberfläche der Bauteile wie auch in deren Werkstoffgefüge auf.
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Es ist auch bekannt, die zum Zwecke der Wärmeübertragung erforderlichen Erhitzerrohre konstruktiv möglichst in großer Anzahl mit geringen Abständen zueinander anzuordnen um durch eine maximale Größe der Mantelflächen eine maximale Wärmeübertragungsleistung zu erreichen.
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1a zeigt exemplarisch die Zeichnung einer Seitenansicht eines Erhitzerkopfes nach dem Stand der Technik nach Unterlagen der Firma Sunmachine. Durch Insolvenz besteht dieses Unternehmen nicht mehr.
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1b zeigt ergänzend in einer Draufsicht den Verschränkungsbereich der Erhitzerrohre.
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Problem dieses Standes der Technik sind die im Hochtemperaturbereich unterschiedlichen Abmessungen von Konstruktionswerkstoff und die infolge des mehrteiligen Aufbaus erforderliche Verbindungstechnik der Rohrkomponenten. Im Innern ist der dargestellte Erhitzerkopf einer Stirlingmaschine mit ca. 30–40 bar mit Stickstoff bei ca. 750°C als Arbeitsgas befüllt. Mit diesen Betriebsdaten und der Flamme direkt beaufschlagten Rohrkranzkonstruktion unterliegt das Bauteil der Druckgeräterichtlinie 97/23/EG und der Betriebssicherheitsverordnung 2009/104/EG. Ein solches Druckgerät darf nur mit CE Zertifikat in Verkehr gebracht werden, für das der Hersteller durch ein Konformitätsbewertungsverfahren unter Beteiligung einer Prüfstelle nachgewiesen hat, dass die grundlegenden Sicherheitsanforderungen der Richtlinie eingehalten sind. Aus Sicherheitsgründen müssen hier deshalb dickwandige mit Belastungsreserven versehene Werkstoffe und Abmessungen zum Einsatz kommen.
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Der Erhitzerkopf besteht aus einem massiven Grundbauteil des Verdrängungszylinders, an den sich ein zylindrischer Regeneratormantel anschließt, der die Verbindung zum Motorblock des Stirlingmotors herstellt.
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In das massive Grundbauteil sind die Erhitzerrohre eingefügt. Zur Vermeidung von Gefügeverletzungen dürfen bei der Umformung der Rohre vorgegebene Mindest-Biegeradien nicht unterschritten werden. Die im Verschränkungsbereich eingesetzte Reduzierung des Rohrdurchmesser ermöglicht die gewünschte enge Anordnung der Rohre. Zu diesem Zweck werden die Rohre mehrteilig aus zwei Standrohren und einen Verschränkungsrohrbogen hergestellt.
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Der Stand der Technik lässt für die Verbindungen dieser Einzelteile eine gemuffte ineinandergefügte und durch Hochtemperatur-Vakuum-Löten eine zulässige Verbindungsweise zu.
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Diese und andere bestehende Lösungen haben dem Stand der Technik entsprechend folgende Nachteile:
- 1. Die Sicherheitsanforderungen werden von starkwandigen hochwarmfesten Werkstoffen erfüllt, die ihrerseits aber erhebliche fertigungstechnische Einschränkungen bezüglich ihrer Bearbeitung und Umformung zeigen und besonders bezüglich einer Kaltumformung kritisch sind.
- 2. Dem Stand der Technik gemäß wird die Verbindung der Bauteile durch eine Vakuum-Lötverbindung hergestellt. Der Schmelzpunkt der einzusetzenden Lote liegt bei 1080°C. Da aber die Temperatur der Brennerflamme im direkten Kontakt 1300°C und mehr aufweist, wird beim Auftreffen der Flamme auf diesen Kopfbereich die Lötnaht aufgeschmolzen und durch den Innendruck der Stickstofffüllung ausgeblasen.
- 3. Die Radiallötverbindung zwischen dem Regeneratormantel und dem Verdrängerzylinder ist durch die geometrisch realisierbaren Abmessungen bezüglich der fertigungstechnischen Gestaltungsfähigkeit sehr beschränkt. Lötfehler infolge unzureichender Passung und Oberflächenbenetzung führen zu nicht reparablen Undichtheiten.
- 4. Die Kontaktflächen des Erhitzerkopfes werden bei der Befeuerung mit Biomasse durch Verbrennungsrückstände stark verunreinigt, so dass der Wärmetransport zum Arbeitsgas erheblich beeinträchtigt wird.
- 5. Der direkte Kontakt der Befeuerungsflamme mit den Erhitzerrohren führt zu einer erheblichen Materialschwächung durch Abbrand-, Verzunderungs-, Oxidations- und Reduktionseffekten.
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Ausgestaltung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Erhitzerkopf für eine Kraft-Wärme-Maschine, der einfach und kostengünstig herstellbar ist und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist, einen Stirlingmotor mit dem Erhitzerkopf, sowie eine Kraft-Wärme-Maschine mit dem Stirlingmotor vorzusehen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Erhitzerkopf, einem Stirlingmotor sowie einer Kraft-Wärme-Maschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß kann ein an die speziellen Leistungsanforderungen und Betriebsbedingungen angepasster Erhitzerkopf für einen Stirlingmotor insbesondere zum Einsatz in einem Blockheizkraftwerk vorgesehen werden, der die erkannten Schwachstellen beseitigt und in der Herstellung vereinfacht und der die Betriebsstandzeit und Betriebssicherheit verbessert.
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Insbesondere ist die Erfindung durch die nachfolgenden Punkte gekennzeichnet:
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Punkt 1: Erhitzerkopf für eine Kraft-Wärme-Maschine, insbesondere für einen Stirlingmotor, mit einem becherförmigen Basisgehäuse, das in seinem Inneren zumindest teilweise einen Arbeitszylinderraum definiert und das mit einer Vielzahl radial innenliegender Bohrungen, die in den Arbeitszylinderraum münden, und einer Vielzahl radial außenliegender Bohrungen, die in einen Arbeitsgasströmungskanal münden, versehen ist, und einer Vielzahl von Erhitzerrohren von denen jedes, an der Außenseite des Basisgehäuses, mit einem Ende an eine der radial innenliegenden Bohrungen und mit dem anderen Ende an eine der radial außenliegenden Bohrungen angeschlossen ist, um eine Verbindung zwischen dem Arbeitszylinderraum und dem Arbeitsgasströmungskanal vorzusehen.
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Punkt 2: Erhitzerkopf nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisgehäuse einen Ansatz, bevorzugt in Form einer Aussparung oder Stufe, aufweist, der im Inneren des Basisgehäuses radial zwischen den radial innnenliegenden und den außenliegenden Bohrungen vorgesehen ist und an den ein Einsatz, bevorzugt in Form eines Rohres, formschlüssig angefügt werden kann.
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Punkt 3: Erhitzerkopf nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzerkopf den Einsatz aufweist, der an den Ansatz derart formschlüssig angefügt ist, dass er zum Einen den Arbeitszylinderraum teilweise begrenzt und zum Anderen zusammen mit einer Innenwand des Basisgehäuses den um den Arbeitszylinderraum ringförmig umlaufenden Arbeitsgasströmungskanal bildet.
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Punkt 4: Erhitzerkopf nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz sich an seinem an dem Ansatz anliegenden Ende trichterförmig oder zylinderförmig aufweitet.
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Punkt 5: Erhitzerkopf nach einem der Punkte 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Arbeitsgasströmungskanal wenigstens ein Volumenreduzierring zum Reduzieren des Volumens des Arbeitsgasströmungskanal auf ein vorbestimmtes Volumen eingesetzt ist.
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Punkt 6: Erhitzerkopf nach Punkt 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Volumenreduzierring an einem Ende formschlüssig an das Basisgehäuse angefügt ist.
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Punkt 7: Erhitzerkopf nach einem der Punkte 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzerkopf einen in den Arbeitsgasströmungskanal eingesetzten Regeneratoreinsatz aufweist, der bevorzugt, im Fall des Rückbezugs auf Punkt 5, durch den wenigstens einen Volumenreduzierring in axialer Richtung des Basisgehäuses gestützt ist.
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Punkt 8: Erhitzerkopf nach einem der Punkte 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzerrohre einteilig ausgeführt (aus einem Stück hergestellt) und dreidimensional gebogen sind (eine dreidimensionale Biegelinie aufweisen).
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Punkt 9: Erhitzerkopf nach Punkt 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Erhitzerrohr im Wesentlichen u-förmig ist, wobei
ein Schenkel in einer Ebene gebogen ist, und der andere Schenkel aus dieser Ebene herausgebogen ist, und
sich die Schenkelenden annährend parallel zueinander erstrecken,
wobei bevorzugt die räumliche Biegelinie jedes Erhitzerrohrs auf mehrere Biegeebenen so aufgeteilt ist, das jede Biegeebene einen bevorzugt unverformten Abschnitt der Biegelinie des Erhitzerrohrs betrifft (wobei sich Verformungsbereiche des Erhitzerrohrs, in denen das Erhitzerrohr durch jeweiliges Biegen um eine Achse verformt worden ist, nicht überlappen). Bevorzugt weist der Scheitel des Erhitzerrohrs, aus Sicht auf den Scheitel und in Richtung der parallelen Enden, einen Knick oder Bogen auf.
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Punkt 10: Erhitzerkopf nach einem der Punkte 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzerrohre mit ihren Stirnflächen an der Außenseite des Basisgehäuses anliegen und in diesem Bereich an das Basisgehäuse geschweißt sind, oder die Erhitzerrohre in die radial innenliegenden und radial außenliegenden Bohrungen eingesetzt sind und im Bereich ihrer Stirnflächen mit dem Basisgehäuse an dessen Innenseite verschweißt sind.
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Punkt 11: Erhitzerkopf nach einem der Punkte 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einem Brenn- und/oder Abgasraum zugewandten Flächen des Erhitzerkopfs mit einer hochtemperaturbeständigen Antihaft-Beschichtung versehen sind.
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Punkt 12: Erhitzerkopf nach einem der Punkte 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzerkopf eine Flammschutzeinrichtung zum Schutz der Erhitzerrohre vor Flammenkontakt aufweist.
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Punkt 13: Erhitzerkopf nach Punkt 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammschutzeinrichtung ein bevorzugt zylinder- oder kegelförmig ausgebildetes Bauteil umfasst, das in einen von der Vielzahl der Erhitzerrohre gebildeten Ringraum mit Spiel gegenüber den Erhitzerrohren und unter Berührung des Basisgehäuses eingesetzt ist.
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Punkt 14: Erhitzerkopf nach Punkt 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil einen Schutzmantel, bevorzugt aus Keramik, aufweist, der mit Löchern versehen sein kann, die derart gestaltet und/oder angeordnet sind, dass sie ein Durchschlagen von Flammen zu den Erhitzerrohren verhindern, während sie eine Zirkulation einer Abgasströmung innerhalb des Brennraums gestatten.
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Punkt 15: Erhitzerkopf nach einem der Punkte 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammschutzeinrichtung eine Vielzahl von Hülsen mit offener oder geschlossener Mantelfläche umfasst, die jeweils auf ein Erhitzerrohr axial und/oder radial aufgesteckt sind.
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Punkt 16: Stirlingmotor mit einem Erhitzerkopf nach einem der Punkte 1 bis 15.
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Punkt 17: Kraft-Wärme-Maschine, insbesondere Blockheizkraftwerk, mit einem Erhitzerkopf nach einem der Punkte 1 bis 15 oder einem Stirlingmotor nach Punkt 16.
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Punkt 18: Verfahren zur Herstellung eines Erhitzerkopfs für eine Kraft-Wärme-Maschine, insbesondere einen Stirlingmotor, wobei das Erhitzerrohr außenseitig an ein Basisgehäuse des Erhitzerkopfs anzufügen ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Biegen, in einer ersten Ebene, eines geraden Rohrs in U-Form, wobei eine durch dieses Biegen verursachte Verformung des Rohrs einen ersten Verformungsbereich kennzeichnet, oder Bereitstellen eines derartig gebogenen Rohrs,
Biegen eines Schenkels des Rohrs aus der ersten Ebene heraus, wobei eine durch dieses Biegen verursachte Verformung des Rohrs einen zweiten Verformungsbereich kennzeichnet, und (gleichzeitiges oder anschließendes) Biegen dieses Schenkels derart, dass sich die Schenkelenden im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken, wobei eine durch dieses Biegen verursachte Verformung des Rohrs einen dritten Verformungsbereich kennzeichnet, und
anschließendes Verbinden des Rohrs mit einem Basisgehäuse des Erhitzerkopfs, wobei das Rohr als Erhitzerrohr dient.
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Punkt 19: Verfahren nach Punkt 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste, zweite und/oder dritte Verformungsbereich nicht überlappen.
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Punkt 20: Verfahren nach Punkt 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste und zweite Verformungsbereich überlappen, wobei das Biegen des Schenkels des Rohrs aus der ersten Ebene heraus in einer Ebene erfolgt, die senkrecht zur ersten Ebene ist und die die neutrale Faser des u-förmig gebogenen Rohrs tangiert.
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Figuren
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1(a) ist eine schematische Seitenansicht und 1(b) eine Draufsicht eines Erhitzerkopfs des Stands der Technik;
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2 ist eine schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines erfindungsgemäßen Erhitzerkopfs;
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3(a) ist eine schematische Seitenansicht von Erhitzerrohren des erfindungsgemäßen Erhitzerkopfs und 3(b) ist eine Draufsicht auf die Erhitzerrohre;
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4 zeigt eine 3D-Verformungssimulation der Erhitzerrohre;
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5(a) bis 5(c) stellen verschiedene Verbindungsmöglichkeiten der Erhitzerrohre an einem Basisgehäuse des erfindungsgemäßen Erhitzerkopfs dar;
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6(a) stellt schematisch einen in einen von den Erhitzerrohren gebildeten eingesetzten Flammschutzkorb 7 im Querschnitt dar und 6(b) stellt schematisch an den Erhitzerrohren angebrachte Flammschutzhülsen 8 im Querschnitt dar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erklärt.
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2 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen Erhitzerkopfes. Zur Sicherstellung einer hinreichenden Betriebsstandzeit und Betriebssicherheit bildet das Erhitzerkopfgehäuse (1) in robuster Bauart mit weitestgehend gleichmäßigen Materialquerschnitten, also ohne größere Materialanhäufungen gemeinsam mit den an der Außenseite angefügten Erhitzerrohren (6) die druckdichte und druckfeste, wärmeübertragende Oberfläche zum Brennraum bzw. Befeuerungsraum. Das Erhitzerkopfgehäuse nach Anspruch 1 ist mit dem ebenfalls druckdichten Stirlingmotors (nicht dargestellt) verbunden. Im Innenraum von Erhitzerkopf und Motor befindet sich das unter Überdruck stehende Arbeitsgas.
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Dem Arbeitsprinzip des Stirlingmotors folgend, muss das erhitzte Arbeitsgas aus dem Erhitzerkopfvolumen durch einen Verdrängerkolben (nicht dargestellt) und unter Rückkühlung einem Arbeitszylinder (nicht gezeigt) zugeführt werden. Die vereinfachte Gestaltung des Erhitzerkopfgehäuses (1) verzichtet auf eine integrierte Ausbildung von Zylinderraum und Überströmkanälen zu den Erhitzerrohren, zum Beispiel durch deren gusstechnische Herstellung. Stattdessen wird die erforderliche Arbeitsgasführung durch ein mit Formschluss in den Erhitzerkopf eingesetztes Trennrohr (2) realisiert, das Beispiel eines Einsatzes ist. Mit dem Trennrohr wird der Zylinderraum (A) gebildet und ein für Zu- und Abströmung des Arbeitsgases genutzter Raum (C) (entspricht dem „Arbeitsgasströmungskanal”) abgetrennt, der auch der Aufnahme des Regeneratoreinsatzes (5) dient. Durch eine Kragenausbildung oder Aufweitung des Trennrohres (2) am formschlüssigen Fügebereich zum Erhitzerkopfgehäuse (1) wird der querschnitts- und volumenangepasste Überströmkanal (B)” zu den inneren Fußenden der Erhitzerrohre hergestellt. Folglich ist im Erhitzerkopfgehäuse (1) nur eine geeignete den Formschluss liefernde Anschlussfläche einzubringen.
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Das Einsetzen des Regeneratorpaketes in diesen Hochtemperaturbereich des Erhitzerkopfes bestimmt die Abmessung des Kammervolumens (C). Durch das Einsetzen von Volumenreduzierring innen (3) und Volumenreduzierring außen (4) gemäß Anspruch 3 in das von (C) verbleibende Kammervolumen wird dieses verkleinert. Mit der zusätzlichen Volumenabtrennung entsteht ein definierter Strömungskanal ohne strömungsschädliche Toträume. Die eingelegten Bauteile (3, 4) übernehmen die axiale Stützung des Regeneratorpaketes.
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Die in den Feuerungsraum hineinragenden Erhitzerrohre (6) werden in einteiliger Ausführung durch Umformung eines Rohres mit konstanten Durchmesser und Wandstärke gefertigt. Die Fußanschlüsse der Erhitzerrohre (6) enden in außenseitigen Aufnahmebohrungen des Erhitzerkopfgehäuses (1). Zu diesem Zweck sind die Rohrschenkel zueinander parallel ausgerichtet und ermöglichen so die Einhaltung des für das Fügen erforderliche Stichmaß. Die Anordnung der Erhitzerrohre (6) erfolgt, wie in 3 gezeigt, ringförmig auf der Stirnfläche des Erhitzerkopfgehäuses (1). Dabei werden wechselseitig die parallel geführten senkrechten Rohrschenkel von der Bogenhöhe der Nachbarelemente überdeckt. Mit der zusätzlichen Schenkelkröpfung und Winkelbiegung werden Kollisionsfreiheit und Einhaltung der Hüllkurvenbegrenzung im Verschränkungsbereich eingehalten.
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Die nunmehr einheitliche Wandstärke eines Erhitzerrohres (6) macht dieses robust gegen die Flammeneinwirkung und ermöglicht infolge der gleichmäßigeren Wärmedehnungen auch die dauerhafte Beschichtung der Oberfläche mit anhaftenden z. B. keramischen oder ähnlichen Schutzschichten.
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Die gasdruckdichte Verbindung kann nach 5(a) durch Hochtemperatur-Hartlötung der Kontaktfläche erfolgen. Diese Verbindung durch Hartlöten erfordert jedoch für die Ausbildung der Kontaktflächen an den durch Druck und Temperatur hochbelasteten Bauteil eine sehr ungünstige Materialanhäufung am Erhitzerkopfgehäuse. Hier sind noch weitere Verbesserungen möglich, wie, gemäß Anspruch 6 dargelegt, nach 5(b) durch stirnseitiges Schweißen mit einer außen liegenden Verbindung, oder auch nach 5(c) durch eine frei zugängliche und innen liegende Verbindung eine optimierte Ausführung ermöglicht ist. Die Materialanhäufungen entfallen und Belastungsspitzen durch unterschiedliche Wärmedehnungen im Erhitzerkopf vermieden.
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Weitere Ausgestaltung der Erfindung:
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 7 angegeben. Durch den Fortfall der Gefahr eines Ausschmelzen von Lötverbindungen und der konstanten Rohrprofilierung der Erhitzerrohre ist die keramische Beschichtung der Rohre mit geeigneten Antihaft-Suspensionen zusätzlich möglich. Der Vorteil ist, teilverbrannte und angeschmolzene Verbrennungsrückstände führen nicht mehr zu Anhaftungen im Brennraum und damit zu kurzen Wartungs- und Reinigungszyklen.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 8 ermöglicht es, einen Flammkorb (beispielhaft in 2 mit Bezugszeichen (7) dargestellt, sowie beispielhaft in 6(a) dargestellt) und/oder eine Flammenschutzhülse (8) nach Anspruch 8 (beispielhaft in 6(b) dargestellt) oder ähnliche Schutzsysteme, die jeweils für ein bestimmtes Brennraum und Wärmeaustauschsystem angepasst sind, einzusetzen und auf einfache Weise herstellen zu können.
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Der Flammkorb (7) ist ein aus flammfestem Werkstoff, bevorzugt Hochtemperaturkeramik gefertigter Zylinder, z. B. ein zylindrisches Rohr, das den Wirkungsbereich der Flammenfront begrenzt. Nach Aufheizung bewirkt dieser Mantel als Infrarotstrahler die Wärmeübertragung auf Erhitzerrohre (6) und Arbeitsgas. Durch Perforation der Mantelfläche wird bei dieser Lösung sichergestellt, dass das entstehende heiße Abgas der abgebrannten Heizgasflamme aus dem Mantelumschluss entweichen kann und eine die Wärmeübertragung förderliche Zirkulationsströmung entstehen kann. Je nach Brenneraufbau und der sich daraus ergebenden Abbrandsituation kommen für die Perforation unterschiedliche Geometrien zur Anwendung, wie radiale Schlitze, axiale Schlitze, Lochmuster. So kann beispielsweise eine radiale Schlitzbildung dadurch erzielt werden, den Flammkorb mit eingearbeiteten Füßen auf den erforderlichen Abstand zur Kontaktfläche zu stellen, oder diesen Abstand durch zusätzliche Aufstelleinrichtungen [Stützringe, Stützfüße, etc.] zu gewährleisten.
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Verfahrensbeschreibung
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Die Kaltumformung der einteiligen Erhitzerrohre (6) aus hochwarmfesten Edelstahl muss zur Vermeidung von Gefügeversprödungen und Rissbildungen unter Beachtung spezieller Randbedingen erfolgen. Die einzusetzende Werkstoffgruppe EN DIN 1.487x wird im Lieferzustand die Eigenschaft der Kaltumformbarkeit zugesichert. Nach einer Erstumformung ist aber, wegen der bereits erfolgten Biegebelastungen, das Gefüge in den Verformungszonen nicht mehr oder nur noch eingeschränkt nachformbar.
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Ein Verformen mit aufeinander folgenden Einzelschritten muss folglich die Vorverformungen berücksichtigen.
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Wie 3(a) zeigt, ist die Grundform des einteiligen Erhitzerrohres ein 180° Bogen mit gleich langen Schenkelstücken. Sind vorgegebene Anordnungsgeometrien und Bedingungen zur Passfähigkeit und Anschlussmaße der Erhitzerrohre einzuhalten, so sind, wird der Durchmesser im Biegebereich beibehalten, Kollisionen im Verschränkungsbereich der Rohre vorbestimmt. Die Rohrführung muss diesen Bereichen ausweichen. Es entsteht eine räumliche Biegeline des Rohres die mit aktuellen Rohrbiegemaschinen nicht in einem Arbeitsgang herstellbar sind. Es werden ergänzende Nachverformungen erforderlich. Soweit diese außerhalb der bereits von der Grundumformung belasteten Werkstoffbereiche liegen, können diese mit weiteren Umformungsschritten, zum Beispiel mit einer „Schenkelkröpfung” o. ä. vollzogen werden 3(b).
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Oftmals sind auch in bereits vorverformten Bereichen Nachformungen erforderlich, weil Passfähigkeit und Anschlussmaße verletzt werden. So führt zum Beispiel eine Winkelstellung von Biegeebenen dazu, dass ein eingehaltenes Stichmaß erhalten bleibt, aber die damit entstandene Winkelstellung des 180° Bogens ergibt ein Auskragen des Verschränkungsbereich über den zulässigen Hüllkreis hinaus. Der Umlenkbogen wandert aus dem ursprünglichen Hüllkurvenbegrenzungsbereich heraus. Anschlusstoleranzen zu Nachbarbauteilen werden verletzt
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Als Abhilfe ist eine ersatzweise oder ergänzende Nachverformung in einer speziellen Biegeebene erforderlich, die allerdings einen besonders stark vorverformten Abschnitt des Rohres tangiert, den 180° Bogen.
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Ist eine Nachverformung unumgänglich, so muss für diesen Zweck diese Nachverformung in einer Biegeebene vollzogen werden, in der die aus Vorumformung hervorgerufenen Gefügebelastungen minimiert sind. Die Lage einer solchen speziellen Biegeebene ist vom Bauteil und Verformungsgrad abhängig.
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4 zeigt eine 3D-Verformungssimulation für die Werkstoffbelastung in Haupt- (180° Bogen) und Nachumformrichtung, hier für den Toleranzausgleich eines Passmaßes.
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Bei dem vorverformten 180° Rohrbogen liegt diese spezielle Biegeebene tangential an dem Krümmungsbogen der Biegelinie, parallel zu den tolerierten Fußpunkten der Rohrenden und steht senkrecht auf der die Grundbiegungslinie abbildenden Biegeebene. Im Berührungspunkt schneidet diese spezielle Ebene genau die neutrale Faser des umgeformten Rohrabschnittes. Auf dieser Ebene ist, wie das Sattelminimum zeigt, die Gefügebeeinflussung aus der vorangegangenen Umformung minimal. Eine Nachverformung mit einer in dieser Ebene liegende Biegelinie vermeidet somit das Auftreten größerer Belastungsspitzen im Werkstoff und daraus resultierende Gefügeverletzungen.
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Folglich umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Erhitzerkopfs für eine Kraft-Wärme-Maschine, insbesondere einen Stirlingmotor, mit folgenden Schritten:
Biegen, in einer ersten Ebene, eines geraden Rohrs in U-Form, wobei eine durch dieses Biegen verursachte Verformung des Rohrs einen ersten Verformungsbereich kennzeichnet, oder Bereitstellen eines derartig gebogenen Rohrs,
Biegen eines Schenkels des Rohrs aus der ersten Ebene heraus, wobei eine durch dieses Biegen verursachte Verformung des Rohrs einen zweiten Verformungsbereich kennzeichnet, und (gleichzeitiges oder anschließendes) Biegen dieses Schenkels derart, dass sich die Schenkelenden im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken, wobei eine durch dieses Biegen verursachte Verformung des Rohrs einen dritten Verformungsbereich kennzeichnet, und
anschließendes Verbinden des Rohrs mit einem Basisgehäuse des Erhitzerkopfs, wobei das Rohr als Erhitzerrohr dient.
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Optional kann das Verfahren so ausgestaltet sein, dass sich der erste, zweite und/oder dritte Verformungsbereich nicht überlappen.
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Weiter optional kann das Verfahren so ausgestaltet sein, dass sich der erste und zweite Verformungsbereich überlappen, wobei das Biegen des Schenkels des Rohrs aus der ersten Ebene heraus in einer Ebene erfolgt, die senkrecht zur ersten Ebene ist und die die neutrale Faser des u-förmig gebogenen Rohrs tangiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Druckgeräterichtlinie 97/23/EG [0009]
- Betriebssicherheitsverordnung 2009/104/EG [0009]
- EN DIN 1.487x [0055]
