DE1601462C3 - Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, insbesondere Heißgasmotor, die einen oder mehrere Räume niedrigerer mittlerer Temperatur, in denen ein Arbeitsmittel komprimiert werden kann, und einen oder mehrere mit diesen Räumen-in Verbindungstehende Räume höherer mittlerer Temperatur enthält, in denen das Arbeitsmittel expandiert werden kann, wobei sich in der Verbindung zwischen jedem Paar dieser Räume ein Wärmeaustauscher, vorzugsweise ein Regenerator, befindet, wobei die Vorrichtung weiter ein Erhitzersystem zum Zuführen von Wärme an das Arbeitsmittel aufweist, wobei das Erhitzersystem mindestens einen ersten Behälter mit einem bei der Betriebstemperatur des Arbeitsmittels flüssigen Metall oder flüssigen Metallgemisch enthält. Bei bekannten Vorrichtungen der Art, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, besteht das Erhitzersystem zum Zuführen von Wärme an das Arbeitsmittel aus einer Brennervorrichtung, der einerseits Brennstoff und andererseits Verbrennungsluft zugeführt wird. Dieses System hat den Nachteil, daß die Vorrichtung nur wirken kann, wenn eine genügende

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Menge Verbrennungsluft vorhanden ist. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht unter Umständen darin, daß Verbrennungsgase abgeführt werden müssen. Dies kann, insbesondere bei Anwendung der betreffenden Vorrichtung in Bergwerken, besonders ungünstig sein. Bei Verwendung der betreffenden Vorrichtungen in Anlagen für Tiefseeforschung bringt die Abführung der Verbrennungsgase infolge des hohen Drucks des umgebenden Wassers sehr große Schwierigkeiten, einen hohen Leistungsverbrauch und somit hohe Kosten mit sich.

Um zu ermöglichen, daß Vorrichtungen der Art, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, doch für die obenerwähnten Zwecke benutzt werden können, könnten für die Zuführung von Wärme an das *5 Arbeitsmittel Wärmeakkumulatoren Anwendung finden. Diese Akkumulatoren werden durch Behälter gebildet, die mit einer Materialmasse mit großer Wärmekapazität gefüllt sind, in die eine Wärmemenge ge- ♦ speichert werden kann, die im gewünschten Augenblick dieser Masse entnommen und dem Arbeitsmittel zugeführt werden kann. Ein Nachteil derartiger Wärmeakkumulatoren ist der, daß der Wärmeinhalt pro Volumeneinheit verhältnismäßig niedrig ist, was zu sehr umfangreichen Bauarten führt, die unter Um- ^a5 ständen nicht mehr brauchbar sind.

Aus der deutschen Patentschrift 821728 ist auch ein Heißgasmotor mit geschlossenem Kreislauf bekannt, bei dem der Erhitzer ein Metallbad zur Übertragung der Wärme von einem Ofen an das Rohr ist, durch das Arbeitsmittel strömt. Das Metall dient dabei nur als Wärmeübertragungsmittel für das Arbeitsmittel und wirkt nicht unmittelbar auf den Erhitzerraum ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obenerwähnten Nachteile zu beseitigen und ein Erhitzersystem zu schaffen, das dem Arbeitsmittel mit besserem Nutzeffekt Wärme zuführen kann, ohne daß es von den Umgebungungsbedingungen abhängig ist und ohne daß Verbrennungsprodukte nach außen abgeführt zu werden brauchen.

Um dies zu erzielen, ist die Vorrichtung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zweiter Behälter mit einem Reaktionsmedium vorgesehen ist, das unter Wärmeentwicklung mit der Flüssigkeit im ersten Behälter chemisch derart reagieren kann, daß die Reaktionsprodukte bei der Temperatur und dem Druck im ersten Behälter fest und/oder flüssig sind, wobei der zweite Behälter über eine Zuführungsleitung mit dem ersten Behälter in Verbindung steht, und das System eine Regelvorrichtung enthält, mit der Reaktionsmedium in dosierten Mengen aus dem zweiten Behälter dem ersten Behälter zugeführt wird, wobei die Vorrichtung weiter einen dritten Behälter mit einem inerten Medium enthält, das mit dem Metall oder Metallgemisch und dem zugesetzten Reaktionsmedium nicht chemisch reagiert, wobei an diesen dritten Behälter eine Leitung angeschlossen ist, deren anderes Ende sich an die Leitung zwischen dem zweiten und dem ersten Behälter anschließt, wobei Mittel zum Zuführen von inertem Medium aus dem dritten Behälter an den ersten Behälter vorgesehen sind, und wobei der erste Behälter mit einer Abfuhr für inertes Medium aus dem dritten Behälter versehen ist.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung befinden sich somit die beiden miteinander reagierenden Medien in zwei gesonderten Behältern, so daß unabhängig von den äußeren Betriebsbedingungen der Vorrichtung beim Zusammenbringen dieser Reaktionsprodukte stets Wärme entwickelt werden kann. Weiter sind die Metalle und das mit diesen Metallen chemisch reagierende Medium derart gewählt, daß die Reaktionsprodukte fest und/oder flüssig sind, so daß keine gasförmigen Reaktionsprodukte aus dem System abgeführt zu werden brauchen. Es hat sich herausgestellt, daß ein Erhitzersystem nach der Erfindung pro Volumeneinheit eine viele Male größere Wärmemenge liefern kann, als pro Volumeneinheit in bekannte Wärmeakkumulatoren gespeichert werden kann. Dadurch daß die im ersten Behälter vorhandenen Metalle sehr stark miteinander reagieren, muß mit der Möglichkeit gerechnet werden, daß, wenn keine Maßnahmen getroffen waren, das flüssige Metall in die Verbindungsleitung zwischen dem ersten und zweiten Behälter eintreten kann. Diese Leitung ist außerhalb der Isolation kalt, so daß das Metall in dieser Leitung fest werden wird, was Schwierigkeiten gibt. Diese Schwierigkeiten sind erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß der dritte Behälter an die erwähnte Verbindungsleitung anschließt, so daß Gas aus diesem Behälter mittels der Verbindungsleitung in den ersten Behälter strömen kann. Dabei ist es möglich, eine dauernde Gasströmung vom dritten zum ersten Behälter aufrechtzuerhalten. Wenn jetzt die Gasströmung aus dem zweiten Behälter variiert wird, so ist doch in der Verbindungsleitung immer eine ausreichende Gasströmung vorhanden, um einem Eintreten von Metall vorzubeugen. Die Gefahr, daß Metall in die Verbindungsleitung eintritt, ist größtmöglich, wenn die Zufuhr von Reaktionsmedium aus dem zweiten Behälter unterbrochen wird. Deshalb wird es unter Umständen auch ausreichen, die Strömung von inertem Medium aus dem dritten Behälter derart zu regeln, daß nur inertes Medium aus dem dritten Behälter strömt, wenn die Gasströmung aus dem zweiten Behälter zu gering wird, um einem Eintreten von Metall in die Verbindungsleitung vorzubeugen.

Im ersten Behälter sind z.B. eines oder mehrere der Metalle Li, Na, K, Mg, Al und/oder eines oder mehrere der seltenen Edelmetalle vorhanden. Diese Metalle und insbesondere Kombinationen dieser Metalle haben den Vorteil, daß sie bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen bereits flüssig sind und bei Reaktion pro Volumeneinheit eine große Wärmemenge entwickeln.

Das im zweiten Behälter vorhandene Reaktionsmedium ist z. B. Sauerstoff, ein Halogen oder eine ha^ logenhaltige Verbindung, insbesondere eine Kohlenstoff-Halogenverbindung. Halogene oder halogenhaltige Verbindungen ergeben, wenn sie mit dem Metall im ersten Behälter reagieren, eine sehr gute Wärmeentwicklung pro Volumeneinheit.

Im ersten Behälter ist über dem darin vorhandenen flüssigen Metall oder flüssigen Metallgemisch ein mit dem vom dritten Behälter zugeführten inerten Medium, wie Helium, gefüllter Raum vorgesehen. Dadurch können etwaige geringe Volumenänderungen neutralisiert und kann die Flüssigkeit unter einem bestimmten Druck gehalten werden, so daß eine gegebenenfalls im Behälter angebrachte Rührvorrichtung bzw. Pumpvorrichtung zweckmäßig arbeiten kann. Dieser mit inertem Gas gefüllte Raum ist mit einer Abfuhr versehen, die eine Vorrichtung enthält, mit der ein bestimmter Druck im ersten Behälter eingestellt werden kann.

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Das Gas im dritten Behälter ist nach einer weiteren Ausführungsform ein Edelgas, wie Helium oder Argon, das nicht mit den Metallen im ersten Behälter reagiert.

Unter Umständen besteht die Möglichkeit, daß zusammen mit dem vom dritten Behälter herrührenden inerten Medium, das durch das Flüssigkeitsbad geströmt ist, Metallteilchen oder Metalldampf aus dem ersten Behälter abgeführt werden. Diese Metallteilchen bzw. dieser Metalldampf können Schwierigkeiten herbeiführen, wenn sie an Stellen niedrigerer Temperatur gelangen, wo sie sich in fester Form ablagern. Um diese Schwierigkeiten zu beheben, ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in der sich an den Behälter anschließenden Abfuhr für aus dem dritten Behälter herrührendes inertes Medium eine Vorrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe von gegebenenfalls mit dem inerten Medium mitgeführten,Metallteilchen bzw. Metalldampf abgetrennt werden können.

Bei einer Weiterbildung mündet in die Abfuhr für aus dem dritten Behälter herrührendes inertes Medium aus dem ersten Behälter eine sich an den zweiten Behälter anschließende Leitung, durch die Reaktionsmedium aus dem zweiten Behälter in die Abfuhr fließt, wobei dieses Medium chemisch mit den vorhandenen Metallteilchen bzw. dem vorhandenen Metalldampf reagiert. Dadurch werden diese Metallteilchen in Stoffe umgewandelt, die dann von einer anderen Abtrennvorrichtung aufgefangen werden können. Auch können die gebildeten flüssigen Stoffe auf bestimmten Oberflächen aufgefangen und zum Flüssigkeitsbad im ersten Behälter zurückgeführt werden.

Auch können mitgeführte Metallteilchen oder kann mitgeführter Metalldampf dadurch abgetrennt werden, daß in der Abfuhr ein Stoff angebracht wird, der eine Getterwirkung für die betreffenden Metallteilchen hat.

Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, die als Heißgasmotor ausgebildet ist, dessen Erhitzer ein Rohrerhitzer ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Umlaufkanal vorgesehen ist, in dem ein Metall oder Metallgemisch wie NaK, herumströmt, wobei die Erhitzerrohre des Motors von diesem flüssigen Metall oder Metallgemisch umflossen werden und dieses Metall oder Metallgemisch an einer anderen Stelle mit der Flüssigkeit im ersten Behälter Wärme austauscht. Bei dieser Vorrichtung wird somit eine größere Freiheit in der Aordnungsweise und Bauart des Erhitzersystems und der betreffenden Vorrichtung in bezug aufeinander erhalten, wobei die Wärme des Erhitzersystems durch das im weiteren Umlaufkanal vorhandene Metall zu der Vorrichtung befördert wird.

Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung, die eine Turbine enthält, deren Auslaß für expandiertes Medium über einen Wärmeaustauscher und einen Kühler an den Eintritt einer Kompressionsvorrichtung angeschlossen ist, während der Auslaß der Kompressionsvorrichtung über den Wärmeaustauscher und einen Erhitzer an den Eintritt der Turbine angeschlossen ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel der Vorrichtung ein Edelgas, das nicht mit den betreffenden Metallen reagiert, wie Helium ist, wobei die sich an den Auslaß der Kompressionsvorrichtung anschließende Leitung an einer niedrige ren Stelle in den ersten Behälter mündet, in dem sich ein Metall bzw. ein Metallgemisch befindet, und wobei die Abfuhr dieses Behälters an den Eintritt der Turbine angeschlossen ist, wobei sich die an den zweiten Behälter angeschlossene Leitung an den vom Arbeitsmittel durchflossenen Kreis an einer Stelle anschließt, die, in der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels gesehen, hinter dem Kühler und insbesondere zwischen dem Kühler und dem Eintritt der Kompressionsvorrichtung liegt. Dabei wird das Arbeitsmittel also direkt durch das Flüssigkeitsbad geführt, wodurch ein sehr guter Wärmeaustausch gesichert ist. In der Abfuhr des ersten Behälters soll jedoch die oben bereits erwähnte Abtrennvorrichtung vorgesehen sein, so daß verhütet wird, daß Metallteilchen oder Metalldampf vom Helium mitgeführt werden. In dieser Vorrichtung dient der Arbeitsraum, der Helium enthält, zugleich als dritter Behälter, so daß das Arbeitsmittel selbst das Eintreten von flüssigem Metall in der Zufuhrleitung verhütet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen für einige schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch und nicht maßstäblich im Schnitt eine als Heißgasmotor ausgebildete Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, bei der das Erhitzersystem durch einen flüssiges Metall oder ein flüssiges Metallgemisch enthaltenden Behälter und einen mit diesem Behälter verbundenen und ein mit dem Stoff im ersten Behälter chemisch reagierendes Medium enthaltenden zweiten Behälter gebildet wird, wobei ein dritter Behälter vorhanden ist, worin sich Helium befindet und der mit der Zufuhrleitung zwischen dem ersten und zweiten Behälter in Verbindung ist;

die Fig. 2 und 3 zeigen zwei weitere Ausführungsformen der Vorrichtung nach Fig. 1, gleichfalls schematisch und nicht maßstäblich;

die Fig. 4 und 5 zeigen schematisch und nicht maßstäblich zwei Ausführungsformen von Vorrichtungen zur Umwandlung von mechanischer Energie in Wärmeenergie, bei denen ein Arbeitsmittel einen Kreis durchfließt, in den eine Turbine und eine Kompressionsvorrichtung aufgenommen sind.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Zylinder, in dem sich ein Kolben 2 und ein Verdränger 3 bewegen können. Der Kolben 2 und der Verdränger 3 sind mittels einer Kolbenstange 4 bzw. einer Verdrängerstange 5 mit einem nicht dargestellten Getriebe derart verbunden, daß der Kolben und der Verdränger sich mit einem gegenseitigen Phasenunterschied bewegen können. Bei der Bewegung ändert der Kolben 2 zusammen mit der Unterseite des Verdrängers 3 das Volumen eines Kompressionsraums 6, während die Oberseite des Verdrängers das Volumen eines Expansionsraums 7 ändert. Der Kompressionsraum 6 und der Expansionsraum 7 stehen über einen Kühler 8, einen Regenerator 9 und einen Erhitzer 10 miteinander in Verbindung. Der Erhitzer 10 besteht aus einem Kranz von Rohren 11, die sich einerseits an den Regenerator 9 und andererseits an einen Ringkanal 12 anschließen. Der Ringkanal 12 steht über zwischen den Rohren 11 liegende Rohre 13 mit dem Expansionsraum 7 in Verbindung. Es wird angenommen, daß die Wirkungsweise des Heißgasmotors bekannt ist. Die Rohre des Erhitzers 10 sind von einem ersten Behälter

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15 umgeben. Dieser Behälter enthält ein Metall oder Metallgemisch, dessen Schmelzpunkt derartig ist, daß bei der gewünschten Betriebstemperatur das Metall oder Metallgemisch flüssig ist. Die Vorrichtung enthält weiter einen zweiten Behälter 17 mit einem Reaktionsmedium, das unter Wärmeentwicklung mit den Metallen im Behälter 15 reagiert. Der Behälter 17 steht über eine Leitung 18 mit dem Behälter 15 in Verbindung. Der im Behälter 15 liegende Teil der Leitung 18 ist mit einer Anzahl von Öffnungen 19 versehen, wodurch das Reaktionsmedium aus dem Behälter 17 gut im Behälter 15 verteilt wird.

Das Metall im Behälter 15 kann z.B. Li, Na, K, Mg, Al oder eines der seltenen Erdmetalle oder Kombinationen derselben sein. Die Wahl der Metalle wird im wesentlichen durch ihre Schmelztemperatur und ihrer Wärmeentwicklung bestimmt.

Das Reaktionsmedium im Behälter 17 kann Sauerstoff, ein Halogen oder eine halogenhaltige Verbindung sein. Insbesondere Kohlenstoff-Fluorverbindungen (Freone) sind sehr geeignet.

Das Erhitzersystem ist weiter noch mit einem dritten Behälter 23 versehen, in dem sich ein inertes Medium wie Helium oder Argon befindet, das weder mit dem Medium im Behälter 17 noch mit dem Metall oder Metallgemisch bzw. mit den bereits gebildeten Reaktionsprodukten im Behälter 15 reagiert. Der Behälter 23 ist über eine Leitung 24 mit einer Stelle 25 der Leitung 18 verbunden. Die Stelle 25 liegt dabei zwischen dem Verschlußglied 20 und der Stelle, an der die Leitung 18 in den Behälter 15 mündet. Im Behälter 23 wird ein den Druck im Behälter 15 überschreitender Druck aufrechterhalten. Der Behälter 15 ist mit einer Abführungsleitung 26 versehen, die über eine Zirkulationspumpe 27 an den Behälter 23 angeschlossen ist. In die Abführungsleitung 26 ist ein Kühler 28 aufgenommen. Im Behälter 15 ist über das flüssige Metall ein Raum 14 vorgesehen, der ebenfalls mit unter Druck stehendem Helium gefüllt ist.

Die Wirkungsweise dieses Erhitzersystems ist folgende. In den Behältern 17 und 23 wird ein Druck aufrechterhalten, der den gegebenenfalls atmosphärischen Druck im Behälter 15 überschreitet. Das Metall in diesem Behälter ist zuvor durch Wärmezufuhr über die elektrische Heizvorrichtung 21 auf eine Temperatur gebracht, bei der es flüssig ist.

Die Medien aus den beiden Behältern 17 und 23 fließen nun in den Behälter 15. Das Reaktionsmedium aus dem Behälter 17 reagiert mit dem flüssigen Metall, während das inerte Medium aus dem Behälter 23, das nicht mit dem flüssigen Metall reagiert, zu der Abfuhr fließt. Im Kühler 28 wird dieses Medium gekühlt und dann von der Pumpe 27 zum Behälter 23 zurückgeleitet. Dieses System hat den Vorteil, daß beim Schließen des Verschlußglieds 20 das Metall nicht in die Leitung 18 eindringen kann. Es würde darin erstarren, weil die Temperatur der Leitung niedriger ist, und die Vorrichtung würde nicht mehr starten können.

Wenn das Helium Metallteilchen oder Metalldampf zu der Abführleitung 26 mitführt, können sich Schwierigkeiten ergeben, weil diese Metallteilchen bzw. dieser Metalldampf beim Erreichen von Bauteilen mit niedrigerer Temperatur, z.B. der Zirkulationspumpe 27, in fester Form auf diese Teile niederschlagen. Um dies zu verhüten, kann in der Abfuhrleitung eine Abtrennvorrichtung für diese Teilchen angebracht werden. Letztere Vorrichtung ist nicht dargestellt, aber sie kann aus einem Filter bestehen oder dadurch gebildet werden, daß in der Abfuhr ein z. B. auf eine von der Strömung berührte Oberfläche aufgebrachtes Material vorgesehen wird, das für diese Metallteilchen eine Getterwirkung hat. Metallteilchen bzw. Metalldampf können auch auf zusätzlich gekühlte Oberflächen aufgefangen werden, die zu diesem Zweck angebracht sind.

Auch kann man in die Abfuhr eine Zufuhr von Reaktionsmedium aus dem Behälter 17 münden lassen, ίο Dieses Medium reagiert dann mit den Metallteilchen bzw. dem Metalldampf und bildet dann Stoffe, die mit einem Filter leichter aufgefangen werden können. Der Rest des zugeführten Reaktionsmediums wird dann weiter zum Behälter 15 zurückgeleitet. Wenn das gasförmige Reaktionsmedium C₄F₈ ist und das Metall aus Lithium besteht, sind die Reaktionsprodukte fest und bestehen aus Lithiumfluorid und Kohlenstoffteilchen. Wenn das gasförmige Reaktionsmedium z. B. ClF₃ ist, sind die Reaktionsprodukte festes Lithiumfluorid und flüssiges Lithiumchlorid. Es wird angenommen, daß dabei eine Temperatur von etwa 840° C, eine geeignete Betriebstemperatur für den Heißgasmotor, vorherrscht.

Die bei der Reaktion gebildeten festen Teilchen vermischen sich mit dem geschmolzenen Metall. Das Volumen der Reaktionsprodukte ist nahezu gleich dem des Metalls, das sich an der Reaktion beteiligt hat. Dabei brauchen keine Reaktionsprodukte abgeführt zu werden.

Eine gute Wärmeübertragung zwischen dem flüssigen Metall und den Erhitzerrohren ist dadurch gesichert, daß durch Konvektionsströmungen und durch die durch das hineinströmende gasförmige Medium herbeigeführte Bewegung eine gute Berührung zwisehen den Rohren und dem Metall erzielt wird.

Bei der Reaktion zwischen einem Metall oder Metallgemisch und Sauerstoff, einem Halogen oder einer halogenhaltigen Verbindung wird pro Volumeneinheit der reagierenden Stoffe eine Menge an Wärme entwickelt, die eine Anzahl von Malen größer als die Wärmemenge ist, die in üblichen Wärmeakkumulatoren pro Volumeneinheit gespeichert werden kann. Daher kann das Erhitzersystem, in dem eine chemische Reaktion vor sich geht, ein erheblich kleineres Volumen und geringeres Gewicht als Wärmeakkumulatorsysteme haben. Dabei wird der Vorteil, daß keine Verbrennungsgase abgeführt zu werden brauchen, völlig beibehalten. Dies ist sehr wichtig in bezug auf das sich in Großstädten und Bergwerken ergebende Luftverunreinigungsproblem. Weiter kann dieses chemische Erhitzersystem auch an Stellen Anwendung finden, wo infolge des hohen Umgebungsdrucks eine Abfuhr von Verbrennungsgasen kaum mehr möglich ist.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 enthält weiter noch einen Rührer 30, der die Berührung des flüssigen Metalls mit den Erhitzerrohren noch verbessert. Um zu verhüten, daß Metall sich in den den Rührer abstütztenden Lagern ablagert, wird längs der Achse eine Heliumströmung herabgeblasen, so daß kein Metalldampf die kälteren Teile erreichen kann.

Fig. 2 zeigt eine Abart des Erhitzersystems. Dabei weist der erste Behälter die Form eines Umlaufkanals 31 auf, in dem eine Zirkulationspumpe 32 angeordnet ist. Die Zirkulationspumpe wird in diesem Beispiel von einem Elektromotor 33 angetrieben, aber es dürfte einleuchten, daß sie auch über eine Übersetzung von der Ausgangswellc des Heißgasmotors an-

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getrieben werden kann. Der Heißgasmotor 34 ist in dieser Figur sehr schematisch dargestellt, da er für die Wirkungsweise des Erhitzersystems nicht wesentlich ist. Die weiteren Teile, wie die Behälter 17 und 23, die Leitungen 18, 24 und 26 sind wieder mit den gleichen Bezugsziffern wie in den vorstehenden Figuren bezeichnet. Rings um den Umlauf kanal 31 sind Heizwendeln 35 angebracht, die das System auf die erwünschte Anlaßtemperatur erhitzen.

Es ist bei dieser Vorrichtung sehr wichtig, daß mit *° Hilfe des Heliumdrucks das Metallbad stets unter einem zum Erzielen einer guten Wirkung der Zirkulationspumpe genügenden Druck gehalten werden kann. Wenn im Umlaufkanal ein Vakuum entstehen würde, würde die Wirkung der Pumpe verlorengehen.

Fig. 3 zeigt wieder einen Heißgasmotor, bei dem zwischen dem Erhitzer des Heißgasmotors und dem Umlaufkanal 31 des Erhitzersystems ein Medium herumströmt, das die im Umlaufkanal 31 entwickelte Wärme auf die Erhitzerrohre überträgt. Dieses Über-· tragungsmedium befindet sich in einem Umlaufsystem, das aus einer rings um den Erhitzer des Heißgasmotors angeordneten Kammer 40, einem Kanal 41, einer Zirkulierungspumpe 42, einem Wärmeaustauscher 43 und einem sich wieder an die Kammer 40 anschließenden Kanal 44 besteht. Im letzteren Kanal befindet sich ein Metall oder Metallgemisch, wie z.B. NaK. Im Wärmeaustauscher 43 tauscht dieses Metall mit dem flüssigen Metall oder Metallgemisch im Umlaufkanal 31 Wärme aus.

Diese Bauart weist den Vorteil auf, daß beim Aufbau des Erhitzers die sich im Betrieb ändernden Eigenschaften der Flüssigkeit im Behälter nicht berücksichtigt zu werden brauchen. Die Eigenschaften des flüssigen wärmeübertragenden Metalls ändern sich im Laufe der Zeit nicht. Für den Wärmeaustauscher 43 besteht baulich eine größere Freiheit, weil die an den Heißgasmotor zu stellenden Anforderungen hier nicht mehr erfüllt zu werden brauchen, so daß nun ein Wärmeaustauscher aufgebaut werden kann, der gut mit dem Flüssigkeitsbehälter 31 zusammenwirkt.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in Wärmeenergie. Diese Vorrichtung enthält eine Turbine 50, einen Wärmeaustauscher 51, einen Kühler 52, einen Kompressor 53, die auf der gleichen Welle 54 wie die Turbine 50 angeordnet ist.

Der Auslaß des Kompressors 53 mündet über eine Leitung 55 in den Behälter 15. Der Behälter 15 ist mit einer Abfuhr versehen, die über Leitung 56 an den Eintritt der Turbine 50 angeschlossen ist.

Im Behälter 15 befindet sich, gleich wie bei den Vorrichtungen nach den vorstehenden Figuren, wieder ein flüssiges Metall oder Metallgemisch. Das den Kreis der Turbine und des Kompressors durchlaufende Medium ist ein Edelgas, wie Helium oder Argon, das nicht mit den betreffenden Metallen reagiert.

Bei dieser Vorrichtung ist das zu erhitzende Arbeitsmittel der Vorrichtung also mit dem Metall bzw. dem Metallgemisch und den Reaktionsprodukten im Behälter 15 in unmittelbarer Berührung, so daß ein guter Wärmeaustausch gesichert ist.

Es ist möglich, daß das durch den Behälter 15 fließende Medium Metallteilchen bzw. Metalldampf mitreißt. Um dies zu verhüten, können wieder die bei der Vorrichtung nach Fig. 1 beschriebenen Maßnahmen getroffen werden.

Das mit den Metallen im Behälter 15 reagierende Mittel ist im Behälter 58 enthalten, welcher mittels einer Leitung 59 und eines in dieser angeordneten Regelventils 62 mit der Stelle 61 des Kreislaufs verbunden ist. Diese Stelle ergibt den Vorteil, daß das Arbeitsmittel der Vorrichtung das Reaktionsmedium zum Behälter 15 mitführt, so daß das Metall nicht in die Leitung 18 eindringen kann. Der das mit den Metallen reagierende Medium enthaltende Behälter kann gegebenenfalls auch an der mit gestrichelten Linien angegebenen Stelle 57 angeordnet werden. Die Anordnung an Stelle 58 ist aber vorzuziehen, da an der Stelle 61 der niedrigste im Kreislauf auftretende Druck vorherrscht.

Fig. 5 zeigt eine Abart der Vorrichtung nach Fig. 4. Dabei wird das Arbeitsmittel nicht mit dem Metall im Behälter 15 in unmittelbare Berührung gebracht, sondern es ist im Behälter 15 ein Wärmeaustauscher 60 angeordnet, der einerseits an die Leitung 55 und andererseits an die Leitung 56 angeschlossen ist.

Der Behälter 15 kann auch bei diesen Vorrichtungen wieder, wie in Fig. 3, die Form eines Umlaufkanals haben.

Bei dieser Vorrichtung wird das Reaktionsmedium aus dem Behälter 17 wieder zusammen mit Helium aus dem Behälter 23 in den Behälter 15 geführt. Diese Bauart hat den Vorteil, daß der Behälter 15 nun nicht dem Zyklusdruck ausgesetzt ist.

Aus Obenstehendem geht hervor, daß die Erfindung ein Erhitzungssystem schafft, das bei einem großen Wärmeinhalt ein verhältnismäßig geringes Volumen hat und das den großen Vorteil aufweist, daß keine gasförmigen Verbrennungsprodukte abgeführt zu werden brauchen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

16 Ol 462 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, insbesondere Heißgasmotor, die einen oder mehrere Räume niedrigerer mittlerer Temperatur, in denen ein ■ Arbeitsmittel komprimiert werden kann, und einen oder mehrere mit diesen Räumen in Verbindung stehende Räume höherer mittlerer Temperatur enthält, in denen das Arbeitsmittel expandiert werden kann, wobei sich in der Verbindung zwischen jedem Paar dieser Räume ein Wärmeaustauscher, vorzugsweise ein Regenerator, befindet, wobei die Vorrichtung weiter in Erhitzersystem zum Zuführen von Wärme an das Arbeitsmittel aufweist, wobei das Erhitzersystem mindestens einen ersten Behälter mit einem bei der Betriebstemperatur des Arbeitsmittels flüssigen Metall oder flüssigen Metallgemisch enthält, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zweiter Behälter (17) mit einem Reaktionsmedium vorgesehen ist, das unter Wärmeentwicklung mit der Flüssigkeit im ersten Behälter (15) chemisch derart reagieren kann, daß die Reaktionsprodukte bei der Temperatur und dem Druck im ersten Behälter fest und/oder flüssig sind, wobei der zweite Behälter (17) über eine Zuführungsleitung (18) mit dem ersten Behälter (15) in Verbindung steht, und das System eine Regelvorrichtung (20) enthält, mit der Reaktionsmedium in dosierten Mengen aus dem zweiten Behälter (17) dem ersten Behälter (15) zugeführt wird, wobei die Vorrichtung weiter einen dritten Behälter (23) mit einem inerten Medium enthält, das mit dem Metall oder Metallgemisch und dem zugesetzten Reaktionsmedium nicht chemisch reagiert, wobei an diesen dritten Behälter (23) eine Leitung (24) angeschlossen ist, deren anderes Ende sich an die Leitung (18) zwischen dem zweiten und dem ersten Behälter anschließt, wobei Mittel zum Zuführen von inertem Medium aus dem dritten Behälter (23) an den ersten Behälter (15) vorgesehen sind, und wobei der erste Behälter (15) mit einer Abfuhr (26) für inertes Medium aus dem dritten Behälter (23) versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich im dritten Behälter (23) ein nicht mit den betreffenden Metallen reagierendes Edelgas, wie Helium oder Argon, befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an den ersten Behälter (15) angeschlossene Abfuhr (26) für inertes Medium aus dem dritten Behälter (23) über eine Zirkulationspumpe (27) an den dritten Behälter (23) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der sich an den ersten Behälter (15) anschließenden Abfuhr (26) für inertes Medium aus den dritten Behälter (23) eine Vorrichtung zur Abtrennung gegebenenfalls von diesem Medium mitgeführter Metallteile vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Abfuhr (26) eine sich an den zweiten Behälter (17) anschließende Leitung mündet, durch die Reaktionsmedium aus dem zweiten Behälter (17) in die Abfuhr

fließt, wobei das Reaktionsmedium chemisch mit den vorhandenen Metallteilchen reagiert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Abfuhr (26) ein Stoff befindet, der für die vorhandenen Metallteilchen eine Getterwirkung hat.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, die als Heißgasmotor ausgebil- ^: det ist, dessen Erhitzer ein Rohrerhitzer ist, da- ; durch gekennzeichnet, daß ein Umlaufkanal (31) j vorgesehen ist, in dem ein Metall oder Metallge- ! misch, wie NaK, zirkuliert, wobei die Erhitzer- i rohre (11) des Motors von diesem flüssigen Metall \ oder Metallgemisch umflossen sind und dieses ^; Metall oder Metallgemisch an einer anderen Stelle ; (43) mit der Flüssigkeit im ersten Behälter Wärme austauscht.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der | Ansprüche I bis 6, die eine Turbine enthält, deren ! Auslaß für expandiertes Medium über einen War- ] meaustauscher und einen Kühler an den Eintritt j einer Kompressionsvorrichtung angeschlossen ist, ] wobei der Auslaß der Kompressionsvorrichtung S über einen Erhitzer an den Eintritt der Turbine ^! angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel dieser Vorrichtung ein Edelgas, wie Helium, ist, wobei die sich an den Auslaß der Kompressionsvorrichtung (53) anschließende Leitung (55) mit ihrem anderen Ende an einer niedrigeren Stelle in den ersten Behälter (15) mündet, in dem sich Metall oder ein Metallgemisch befindet, wobei die Abfuhr dieses Behälters (56) an den Eintritt der Turbine (50) angeschlossen ist, wobei die an den zweiten Behälter (58) angeschlossene Leitung (59) sich mit ihrem anderen Ende an den vom Arbeitsmittel durchlaufenen Kreis an einer Stelle anschließt, die, in der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels gesehen, hinter dem Kühler (52) und insbesondere zwischen dem Kühler (52) und dem Eintritt der Kompressionsvorrichtung (53) liegt.