DE10240347B3

DE10240347B3 - Spiralerhitzer für Heißgasmotoren

Info

Publication number: DE10240347B3
Application number: DE2002140347
Authority: DE
Inventors: Andreas Gimsa; Denis Niehusen
Original assignee: Enerlyt Potsdam GmbH Energie Umwelt Planung und Analytik
Current assignee: Enerlyt Technik GmbH
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-08-29

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen kompakten Spiralerhitzer, der die Wärmeübertragungsflächen von Arbeitsgas, Rauchgas, die des Luftvorwärmers und Strahlungsflächen vereint.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompakterhitzer für Heißgasmotoren nach Patent Nr. 101 53 772 .
Für Heißgasmotoren mit geringen Leistungen und Drehzahlen zwischen 100 und 500 U/min besteht die prinzipielle Möglichkeit Einrohrerhitzer auszuführen. Je nach Auslegung kann für so eine Anordnung die Wärmeübertragungsfläche ausreichend und der Druckverlust akzeptabel sein.
Der Grund hierfür ist die Überlegung, dass bei bereits gebauten Motoren der Preis des Erhitzers die Systemkosten maßgeblich beeinflusst.

Beim Einsatz konventioneller Brenner, die zylindrische Heizflächen von innen mit Wärme beaufschlagen ist es erforderlich, die Erhitzerrohrwandungen mit definiertem Abstand über den Umfang des Brenners gleichmäßig zu verteilen. Dieses Ziel wird i.d.R. mit Rohrbündelwärmeübertragern erreicht. Ein weiterer Vorteil von Rohrbündelwärmeübertragern ist die mögliche äußere Berippung zur Verringerung des mittleren Temperaturabstandes vom Rauchgas zur Wand.

Zur Ausführung eines Einrohrerhitzers ist die spiralförmige Rohranordnung gut geeignet. Unter der Voraussetzung einer hohen Temperaturbelastung, Zunderfestigkeit und Abdichtbarkeit der Anschlüsse scheint aus heutiger Sicht die Fertigung aus Hochtemperatur-Metall immer noch eine gute Lösung zu sein.

Edelstahlwellschläuche lassen sich für hohe Einsatztemperaturen fertigen und zu Spiralen formen. Je nach Höhe der Wellen des Metallschlauches ist dem Erfordernis nach äußerer Berippung Rechnung getragen.

Beim Umströmen der einzelnen Wellen im Innenraum des Metallschlauches wird die Kernströmung jeweils verzögert und beschleunigt, wodurch die Ausbildung eines laminaren Strömungsprofils verhindert wird. Außerdem findet ein ständiger Impulsaustausch zwischen Kern- und Kammerströmung mit der Folge eines wesentlich erhöhten Druckverlustes statt. Nachteilig ist ferner ein festliegender minimaler Biegeradius, der einen u.U. zu großen Gesamtdurchmesser des Erhitzers ergibt.

In einer glattwandigen Rohrwendel bildet sich bereits nach 90° Umlenkung ein gleichbleibendes Geschwindigkeitsprofil aus und bleibt dann über die Windungszahl erhalten. Die REYNOLDS-Zahl-abhängige Rohrreibungszahl ist im Niveau nur geringfügig höher als beim geraden Rohr. Die Zentrifugalkraft bei der spiralförmigen Rohrdurchströmung erzeugt einen Sekundärwirbel, der im Vergleich zum geraden Rohr für deutlich günstigere Wärmeübergangsbedingungen sorgt.

Dem Verhindern von überhitzten Stellen in den Wänden des Erhitzers kommt eine besondere Bedeutung zu. Der Erhitzer nutzt die Wärmestrahlung des Brenners und die hohe Rauchgasenthalpie. Dabei ist es vorteilhaft, das Rauchgas zu verwirbeln, um Strähnenbildung und deren Hotspots zu vermeiden. Auch hier sind Spiralzüge gut geeignet.

Erfindungsgemäß wird ein Erhitzer vorgeschlagen, der entweder aus einem oder zwei zylindrischen Hohlstählen gefertigt oder vollständig gegossen wird.
Der Erhitzer besteht in seiner einfachsten Ausführung aus einem Grundkörper (1), einer zylindrischen Außenhülse (10) mit Wendekammerblech (12) als unterer Erhitzerabschluss und Arbeitsgasanschlüssen (4; 5), einer gedeckelten zylindrischen Innenhülse (11), einem Verbindungsrohr (14) zur Weiterleitung der vorgewärmten Luft zum Brenner (13).
Falls der Grundkörper gegossen wird, werden die äußeren (2; 3; 6) und inneren (8) Spiralgänge durch die Gussform gebildet. Hierbei sind entsprechende Wandstärken und Formschrägen der Spiralwandungen zu berücksichtigen. Sofern die Betriebstemperatur 600°C nicht wesentlich übersteigt, ist der Einsatzwerkstoff SiMo-legiertes Gusseisen mit Kugelgraphit eine praktikable Lösung.
Eine andere Möglichkeit ist das Drehen bzw. Fräsen der äußeren und inneren Spiralgänge in einen zylindrischen Hochtemperatur-Hohlstahl.
Die Außenhülse (10) wird aufgeschrumpft und verschließt dabei die Spiralen (2; 3; 6). Über die Anschlüsse (4; 5; 7) werden die Gasströme angebunden.
Die Innenhülse (11) wird eingeschrumpft und verschließt damit im Bereich der Arbeitsgasspiralen (2, 3) die Spiralgänge der Rauchgasspirale (8). Zusätzlich lässt sich eine zweite innere Hülse soweit in den Grundkörper (1) einpressen bis ein Anschlag an den Deckel der Hülse (11) erfolgt. Für das Verbindungsrohr (14) muss in der zweiten Hülse einseitig ein Loch ausgespart werden.
Schrumpfen ist möglich, weil dem Erhitzer die Wärme des Brenners immer von innen zugeführt wird. Die Dichtigkeit ist damit gewährleistet. Zuerst dehnt sich die Innenhülse (11), dann der Grundkörper (1) und schließlich die Außenhülse (10). Die Abkühlung erfolgt von außen nach innen und ist damit hinsichtlich der Spiralgangdichtigkeit ebenfalls unkritisch.
Die Gaswege verlaufen wie folgt: Die Verbrennungsluft gelangt bspw. über einen Lüfter in den Verbrennungsluftanschluss (7). Sie wird über den äußeren Verbrennungsluft-Spiralgang (6) vorgewärmt. Dieser ist von innen mit dem bereits reduzierten Rauchgastemperaturniveau der inneren Rauchgas-Spirale (8) beaufschlagt. Die Luft wird von der äußeren Spirale (6) über das Verbindungsrohr (14) mit der Mündung im Deckel der inneren Hülse (11) in die Mischkammer des inneren Verbrennungsraumes des Erhitzers geleitet. Der spiralförmige Verlauf der Rauchgasströmung wird dadurch nur unbedeutend gestört. Nach der Mischung mit dem Brennstoff erfolgt die Verbrennung. Hierbei wird die Innenhülse (11) des Erhitzers mit der Strahlungswärme des Brenners (13) beaufschlagt.
Das Rauchgas gelangt in die Wendekammer, wird durch das Wendekammerblech (12) umgelenkt und strömt von dort durch die innere Spirale (8) in den Schornstein.
Die Pressung der Luft für die gesamte Verbrennungsgasführung kann über einen Lüfter am Verbrennungsluftanschluss (7) voreingestellt werden.
Die Arbeitsgasanschlüsse (4; 5) werden jeweils mit einem Ende mit einem der beiden Zylinderräume und mit dem anderen Ende mit einem der beiden Regeneratoren des Motors verbunden. Sofern es sich um einen 2-Zyklus-Motor handelt, existieren folglich im Motor 2 voneinander getrennte und geschlossene Arbeitsgasräume. Deren pulsierendes Arbeitsgas wird in 2 hydraulisch getrennten äußeren Erhitzerspiralen (2, 3) erhitzt.
Eine erweiterte Ausführung des Erhitzers beinhaltet einen zweigeteilten Grundkörper (1) und (15) mit den zusätzlichen Hülsen (20) und (21), eine Lochscheibe (16) für den Verbindungskanal (17) zur Fortleitung der vorgewärmten Luft in die Mischkammer des Verbrennungsraumes mit dem Brenner (13).
Mittels Lochscheibe (16) und dem Verbindungskanal (17) wird genau, wie mit dem Verbindungsrohr (14) bei der einfachen Erhitzerausführung s.o. erreicht, dass die vorgewärmte Luft von der äußeren Spirale (6) in diese Mischkammer gelangt. Die inneren Rauchgasführungen (8) und (19) werden über den Kanal (18) miteinander verbunden und stellen somit den durchgehenden Rauchgaszug in Richtung Schornstein her.
Die erweiterte Ausführung hat den Vorteil zweier kurzer Grundkörper, von denen einer eine durchgehende äußere Spirale besitzt, die nicht gefräst werden muss, sondern gedreht werden kann. Außerdem kann eine zweite innere Hülse (21) ohne einseitiges Loch eingeschrumpft werden.
Für beide Erhitzerausführungen ist die senkrechte Anordnung vorteilhaft. Die Verbrennungsluft strömt dabei zur Vorwärmung abwärts und das Rauchgas bis über den Schornstein aufwärts.
Vorteile

– Äußerst kompakter Modul
– Preisgünstige Fertigung
– Günstige Wärmeübertragungsverhältnisse bei geringem Druckverlust
– Vereinigung mindestens zweier Arbeitsgasräume zur Erhitzung mit einem Brenner
– Integration einer inneren Berippung
– Integration des Luftvorwärmers
– Einsatz von Hochtemperaturguss möglich
– Bei senkrechter Anordnung direkte Weiterleitung des Rauchgasstromes zum Schornstein

Bezugszeichenliste 1 bis 9
1 Erhitzer mit einem Grundkörper Vorderansicht
2 Schnitt
3 Draufsicht
4 Erhitzer mit zwei Grundkörpern Vorderansicht
5 Schnitt
6 Draufsicht
7 Lochscheibe (16) Vorderansicht
8 Rückansicht
9 Schnitt

1: Erster Grundkörper
2: Erster äußerer Arbeitsgas-Spiralgang des ersten Grundkörpers
3: Zweiter äußerer Arbeitsgas-Spiralgang des ersten Grundkörpers
4: Tangentiale Arbeitsgasanschlüsse des ersten Gaszyklusses
5: Tangentiale Arbeitsgasanschlüsse des zweiten Gaszyklusses
6: Äußerer Verbrennungsluft-Spiralgang
7: Tangentialer Verbrennungsluftanschluss
8: Mehrgängige innere Rauchgas-Spirale des ersten Grundkörpers
9: Schornsteinstutzen
10: Äußere Hülse des ersten Grundkörpers
11: Innere gedeckelte Hülse des ersten Grundkörpers
12: Wendekammerblech
13: Brenner
14: Verbindungsrohr zur Fortleitung der Luft von außen nach innen
15: Zweiter Grundkörper
16: Lochscheibe zur Fortleitung der Luft von außen nach innen
17: Luftverbindungskanal in der Lochscheibe
18: Rauchgasverbindungskanal in der Lochscheibe
19: Mehrgängige innere Rauchgas-Spirale des zweiten Grundkörpers
20: Äußere Hülse des zweiten Grundkörpers
21: Innere Hülse des zweiten Grundkörpers
22: Verbrennungsraum

Claims

Kompakterhitzer für Heißgasmotoren nach Patent Nr. 101 53 772 , dadurch gekennzeichnet, dass ein hohler Zylindergrundkörper als ungefügtes Bauteil spiralförmige Wärmeübertragungsflächen für Arbeitsgas, Rauchgas und Luft enthält.
Kompakterhitzer nach vorgenanntem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich die spiralförmigen Wärmeübertragungsflächen für das Arbeitsgas auf dem Außenumfang des Zylindergrundkörpers befinden.
Kompakterhitzer nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens zwei Arbeitsgasspiralen für einen Mehrzyklenmotor hintereinander auf dem Außenumfang des Zylindergrundkörpers befinden.
Kompakterhitzer nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine Verbrennungsluftspirale auf dem Außenumfang des Zylindergrundkörpers befindet.
Kompakterhitzer nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die spiralförmigen Wärmeübertragungsflächen für das Rauchgas auf dem Innenumfang des Zylindergrundkörpers befinden.
Kompakterhitzer nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rauchgasspirale mit mehreren parallelen Spiralgängen ausgeführt wird.
Kompakterhitzer nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Außenumfang des Grundkörpers ein Spiralverschlusshülse aufgeschrumpft ist.
Kompakterhitzer nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Innenumfang des Grundkörpers ein gedeckeltes Spiralverschlusshülse im Bereich der Arbeitsgasräume eingeschrumpft ist.
Kompakterhitzer nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei senkrechter Anordnung der Spirale der Rauchgasstrom von unten nach oben durch die Rauchgasspiralwindungen geleitet werden kann.
Kompakterhitzer nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluftspirale so auf dem Außenumfang angeordnet ist, dass die hochtemperierte Brennerwärme zuerst das Arbeitsgas erhitzt und anschließend die Restwärme die Luft erhitzt.
Kompakterhitzer nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzer aus mindestens zwei Grundkörpern besteht, die in fluchtender Anordnung durch Verbindungslochscheiben getrennt sind, die die innere durchgehende Rauchgasführung aufrecht erhalten und in der Lage sind, äußere Spiralgänge mit inneren zu verbinden.
Kompakterhitzer nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Grundkörpern äußere oder innere Hülsen auf- oder eingeschrumpft werden.
Kompakterhitzer nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von den Erhitzerbauteilen mindestens die Grundkörper aus dem Werkstoff SiMo-legiertes Gusseisen mit Kugelgraphit besteht.