DE2106194C3

DE2106194C3 - Hot gas engine with closed circuit and with at least two heater parts

Info

Publication number: DE2106194C3
Application number: DE19712106194
Authority: DE
Inventors: Albertus Peter Johannes; Fokker Herman; Beukering Henricus Cornells Johannes van; Meijer Roelf Jan; Eindhoven Michels (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-03-06
Filing date: 1971-02-10
Publication date: 1977-03-31

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißgasmotor, in dem ein gasförmiges Medium einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf durchläuft, mit einem Erhitzer und einer Vorrichtung für die Zufuhr von Wärme zu dem Erhitzer, welche mindestens eine Brennervorrichtung enthält und daran anschließend mindestens eine Zufuhr für Brennstoff, mindestens eine Zufuhr für Verbrennungsluft und mindestens eine Abfuhr für Rauchgasgemisch, wobei die Brennervorrichtung sich nacheinander über einen ersten Erhitzerteil, einen Raum und mindestens einen weiteren Erhitzerteil an eine Abfuhrleitung anschließt.The invention relates to a hot gas engine in which a gaseous medium is a closed thermodynamic one Cycle through, with a heater and a device for adding heat to it the heater, which contains at least one burner device and then at least one Inlet for fuel, at least one inlet for combustion air and at least one outlet for flue gas mixture, wherein the burner device successively over a first heater part, a space and at least one further heater part is connected to a discharge line.

Ein Heißgasmotor obenerwähnter Art ist aus der »MTZ Motortechnischen Zeitschrift«, Jahrgang 29, Nr. 7, Juli 1968, insbesondere Fig. 13, bekannt.A hot gas engine of the type mentioned above is from the "MTZ Motortechnische Zeitschrift", volume 29, No. 7, July 1968, particularly FIG. 13, is known.

Heißgasmotoren haben den üblichen Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung gegenüber unter anderem den Vorteil, daß die Verbrennungsgase beträchtlich sauberer sind, d. h. insbesondere weniger Kohlenmonoxyde und unverbrannte Kohlenwasserstoffe enthalten. Demzufolge sind Heißgasmotoren hervorragend für eine Verwendung an solchen Orten geeignet, wo die Luftverunreinigung auf ein Minimum beschränkt werden muß. Solche Orte sind beispielsweise Fabrik- bzw. Speicherräume, in denen der Motor fest aufgestellt ist oder als Kraftquelle in Fahrzeugen vorhanden ist, und Bergwerke in denen der Motor als Kraftquelle in Fahrzeugen verwendet wird. Auch Städte mit ihrer großen Bevölkerungskonzentration und ihren zahllosen, gesundheitsschädliche Gase produzieHot gas engines have the usual internal combustion engines with internal combustion compared to, among other things, the advantage that the combustion gases are considerable are cleaner, d. H. in particular contain less carbon monoxide and unburned hydrocarbons. As a result, hot gas engines are ideally suited for use in such locations where air pollution must be kept to a minimum. Such places are for example Factory or storage rooms in which the engine is permanently installed or as a power source in vehicles and mines where the engine is used as a power source in vehicles. Cities too with their large population concentration and their innumerable, harmful gases produzie

renden Fahrzeugen gehören dazu.rend vehicles are one of them.

Es hat sich herausgestellt, daß, obwohl die Abgase des Heißgasmotors arm sind an schädlichen Bestandteilen, sie noch eine geringe Menge «on Stickstoffoxyden enthalten. Diese Sticksioffoxyde sind gesundheitsschädlich und dürfen deshalb eine bestimmte Konzentration in der Atmosphäre nicht überschreiten. Dies bedeutet, daß man zur Einschränkung der Konzentration dieser Oxyde die Räume, in denen der Motor arbeitet, ventilieren muß, was natürlich nachteilig ist.It has been found that although the exhaust gases from the hot gas engine are poor in harmful components, they still contain a small amount of nitrogen oxides. These nitrogen oxides are harmful to health and therefore must not exceed a certain concentration in the atmosphere. This means, that in order to limit the concentration of these oxides, the rooms in which the engine works, must ventilate, which is of course disadvantageous.

Nun ist es aus der US-PS 30 48 131 bekannt, zur Verringerung der Stickstoffoxyde in den Abgasen einer Brennervorrichtung dem Brenner eine Menge Verbrennungsluft zuzuführen, die kleiner ist als die theoretisch für völlige Verbrennung erforderliche, und die restliche Menge Verbrennungsluft dem reagierenden Gemisch zuzuführen an einer Stelle im Abstand vom Brenner. Zwar führt dies zu einer Verringerung der Stickstoffoxydbildung, das Ergebnis ist aber noch nicht optimal.Now it is known from US-PS 30 48 131 to reduce the nitrogen oxides in the exhaust gases of a burner device give the burner a lot of combustion air which is smaller than that theoretically required for complete combustion, and the supply the remaining amount of combustion air to the reacting mixture at a point at a distance from Burner. Although this leads to a reduction in nitric oxide formation, the result is not yet optimal.

Die Erfindung bezweckt einen verbesserten Heißgasmotor zu schaffen, bei dem die Stickstoffoxydbildung weiter verringert ist.The aim of the invention is to provide an improved hot gas engine in which nitrogen oxide is formed is further reduced.

Der Heißgasmotor nach der Erfindung weist dazu das Kennzeichen auf, daß mindestens eine weitere Zufuhr für Verbrennungsluft vorhanden ist, die sich an den zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerteil liegenden Raum anschließt. Dadurch, daß die weitere Zufuhr für Verbrennungsluft stromabwärts des reagierenden Gemisches nach dem ersten Erhitzerteil liegt, ist auf vorteilhafte Weise erreicht worden, daß dem reagierenden Gemisch vom ersten Erhitzerteil eine große Menge Wärme entzogen wird, bevor die sekundäre Verbrennungsluft diesem Gemisch zugeführt wird. Dies bedeutet, daß die Reaktiunsieinperaturen wegen der Kühlung durch den ersten Erhitzerteil niedriger sind und infolgedessen die Stickstoffoxydbildung minimal ist.The hot gas engine according to the invention has the characteristic that at least one further supply for combustion air is available, which is located between the first and further heater part Room connects. Because the further supply of combustion air is downstream of the reacting Mixture after the first heater part has been achieved in an advantageous manner that the reacting A large amount of heat is extracted from the mixture from the first heater part before the secondary Combustion air is supplied to this mixture. This means that the reaction temperatures because of the Cooling through the first part of the heater is lower and consequently the formation of nitrogen oxide is minimal is.

Fine günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heißgasmotors hat das Kennzeichen, daß einer oder mehrere Katalysatoren vorhanden sind, die in der Nähe der erwähnten Erhitzerteile und/oder· in der Nähe von bzw. an den Wänden der Räume, in denen diese Erhitzerteile angeordnet sind, vorgesehen sind.Fine favorable embodiment of the hot gas engine according to the invention has the characteristic that one or more catalysts are present, which are in the vicinity of the mentioned heater parts and / or · in the Proximity or on the walls of the rooms in which these heater parts are arranged are provided.

Es wird bemerkt, daß die Anwendung von Katalysatoren im sekundären Verbrennungsraum einer Brennervorrichtung an sich aus der CH-PS 3 12 089 bekannt ist. Die Verwendung von Katalysatoren bietet in dem vorliegenden Fall den Sondervorteil, daß der Raum zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerteil geringe Abmessungen haben kann, da das chemische Gleichgewicht zwischen den Komponenten des durch diesen Raum strömenden Gasgemisches durch die katalytische Wirkung schneller erreicht wird, und eine geringere Aufenthaltszeit des Gasgemisches in dem erwähnten Raum ausreichend ist.It is noted that the use of catalysts in the secondary combustion chamber one Burner device known per se from CH-PS 3 12 089 is. The use of catalysts offers in the present case the special advantage that the Space between the first and further heater part can have small dimensions, since the chemical Equilibrium between the components of the gas mixture flowing through this space due to the catalytic Effect is achieved faster, and a shorter residence time of the gas mixture in the mentioned Space is sufficient.

Wenn Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, sind schädliche unverbrannte Brennstoffreste von vornherein nicht vorhanden, während die Bildung von Stickstoffoxyden verhindert wird.When hydrogen is used as a fuel, harmful unburned fuel is inherent not present, while the formation of nitrogen oxides is prevented.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Exemplary embodiments of the invention are shown schematically in the drawings and are not true to scale and are described in more detail below.

In F i g. 1 wird mit der Bezugsziffer 1 ein Zylinder bezeichnet, in dem sich ein Kolben 2 und ein Verdränger 3 phasenverschoben bewegen können. Der Kolben 2 und der Verdränger 3 sind durch eine Kolbenstange 4In Fig. 1, the reference number 1 designates a cylinder in which a piston 2 and a displacer are located 3 can move out of phase. The piston 2 and the displacer 3 are supported by a piston rod 4

bzw. Verdrängerstand 5 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden. Zwischen dem Kolben 2 und dem Verdränger 3 befindet sich ein Kompressionsraum 6, während sich oberhalb des Verdrängers 3 ein Expansionsraum 7 befindet Der Kompressionsraum 6 und der Expansionsraum 7 stehen üb.;r einen Kühler 8, einen Regenerator 9 und einen Erhitzer 10 miteinander in Verbindung.or displacement stand 5 connected to a transmission, not shown. Between the piston 2 and the Displacer 3 is a compression space 6, while above the displacer 3 there is an expansion space 7 is The compression space 6 and the expansion space 7 are above.; R a cooler 8, a regenerator 9 and a heater 10 in communication with each other.

Der in einem Gehäuse 11 vorgesehene Erhitzer 10 ist aus einer Anzahl von Röhren 12 aufgebaut, die sich einerseits an den Regenerator 9 und andererseits an einen Ringkanal 13 anschließen, und einer Anzahl von Röhren 14, die sich einerseits an den Ringkanal 13 und andererseits an den Expansionsraum 7 anschließen.The heater 10 provided in a housing 11 is constructed from a number of tubes 12, which are connected on the one hand to the regenerator 9 and on the other hand connect an annular channel 13, and a number of tubes 14, on the one hand to the annular channel 13 and on the other hand, connect to the expansion space 7.

Eine Reihe von Zwischenwänden 15 verteilt den Raum innerhalb der Erhitzerröhren in zwei Teilräume 16 und 17. Zwischen den Wänden des Gehäuses 11 und des Erhitzers 10 befindet sich ein Raum 18. Der Heißgasmotor ist mit einer Brennervorrichtung 19 versehen, an die sich eine Zufuhr 20 für Brennstoff und eine Zufuhr 21 für Verbrennungsluft anschließen. Die Brennervorrichtung 19 schließt sich über den Teilraum 16, einen durch die oberhalb der Zwischenwände 15 liegenden Teile der Röhren 12, sowie durch den Ringkanal 13 und die Röhren 14 gebildeten ersten Erhitzerteil an den Raum 18 an, der sich seinerseits über einen zweiten, durch die unteren Teile der Röhren 12 gebildeten Erhitzerteil und über den Teilraum 17 an eine Abfuhr 22 für Verbrennungsgase anschließt. Der Raum 18 ist weiter mit einer Zufuhr 23 für Verbrennungsluft versehen. A series of partitions 15 divides the space within the heater tubes into two sub-spaces 16 and 17. A space 18 is located between the walls of the housing 11 and the heater 10. The hot gas engine is provided with a burner device 19 to which a feed 20 for fuel and a feed 21 for combustion air. The burner device 19 closes over the subspace 16, one through the parts of the tubes 12 lying above the partition walls 15, as well as through the annular channel 13 and the tubes 14 formed first heater part to the space 18, which in turn has a second heater part formed by the lower parts of the tubes 12 and via the subspace 17 to an outlet 22 for combustion gases connects. The space 18 is further provided with a supply 23 for combustion air.

Der Motor enthält einen Vorerhitzer 24, der sich über eine gemeinsame Leitung 25 an die beiden Zufuhren 21 und 23 für Verbrennungsluft und über eine Leitung 26 an die Abfuhr 22 für Verbrennungsgase ansehließt. In diesem Vorerhitzer können die Verbrennungsgase Wärme austauschen mit der Verbrennungsluft. Zum Ansaugen von Verbrennungsluft ist ein regelbarer Ventilator 27 vorhanden, während in die Leitung 25 ein Verteilhahn 28 aufgenommen ist, mit dem die von dem Ventilator angesaugte Menge Verbrennungsluft über die beiden Zufuhren 21 und 23 verteilt werden kann.The motor contains a preheater 24 which is connected to the two inlets via a common line 25 21 and 23 for combustion air and via a line 26 to the discharge 22 for combustion gases. In this preheater, the combustion gases can exchange heat with the combustion air. A controllable fan 27 is provided for sucking in combustion air, while in the line 25 a distribution valve 28 is added, with which the amount of combustion air sucked in by the fan can be distributed via the two feeds 21 and 23.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist wie folgt. Der Zufuhr 21 wird eine Menge Verbrennungsluft zugeführt, die kleiner ist als die Menge, die stöchiometrisch der der Zufuhr 20 zugeführten Brennstoffmenge entspricht. Demzufolge werden während der Verbrennungsreaktionen in der Brennervorrichtung 19 wegen der niedrigen Sauerstoffkonzentration kaum Stickstoffoxyde gebildet. Außerdem wird bei dem nahezu adiabatisch verlaufenden Verbrennungsprozeß weniger Wärme entwickelt, was zu niedrigeren Temperaturen in der Brennervorrichtuiig führt. Der niedrigere Temperaturpegel sorgt außerdem dafür, daß kaum Stickstoffoxyde gebildet werden. Das in der Brennervorrichtung 19 gebildete Gasgemisch strömt nun an dem ersten, bereits beschriebenen Erhitzerteil unter Abgabe von Wärme entlang und bekommt eine niedrigere Temperatur. Danach strömt es in den Raum 18 und reagiert dort mit der diesem Raum über Zufuhr 23 zugeführten Verbrennungsluft. Hierdurch finde? ein Temperaturanstieg des Gasgemisches statt. Durch eine geeignete Wahl der Menge der der Zufuhr 23 zugeführten Verbrennungsluft findet eine vollständige Verbrennung des übrigbleibenden Brennstoffes bei einem solchen Temperaturpegel im Raum 18 statt, daß eine Bildung von Stickstoffoxyden nahezu nicht stattfindetThe operation of the device is as follows. The supply 21 is supplied with a quantity of combustion air, which is smaller than the amount which is stoichiometric of the amount of fuel supplied to the feeder 20 is equivalent to. Accordingly, during the combustion reactions in the burner device 19 are due the low oxygen concentration hardly any nitrogen oxides formed. It also becomes almost adiabatic As the combustion process progresses, less heat is generated, resulting in lower temperatures in the Brenner device leads. The lower temperature level also ensures that hardly any nitrogen oxides are formed. That formed in the burner device 19 The gas mixture now flows through the first part of the heater, which has already been described, giving off heat along and gets a lower temperature. It then flows into room 18 and reacts there too the combustion air supplied to this room via supply 23. Through this find? a rise in temperature of the Gas mixture instead. By a suitable choice of the amount of the combustion air supplied to the supply 23 finds complete combustion of the remaining fuel at such a temperature level in space 18 that a formation of nitrogen oxides almost does not take place

Um zu erreichen, daß die Komponenten des den Raum 18 verlassenden Gasgemisches sich in einem nahezu vollständigen chemischen Gleichgewicht befinden und sich also bei dem herrschenden Temperaturpegel in diesem Raum nahezu keine Stickstoffoxyde, Kohlenwasserstoffe und andere schädliche Gase mehr befinden, hat der Raum 18 derart große Abmessungen, daß die Aufenthaltszeit des Gasgemisches in diesem Raum lang genug ist zur Herstellung dieses Gleichgewichtes. Das Gasgemisch strömt danach unter Abgabe von Wärme an dem zweiten, durch die unteren Teile der Röhren 12 gebildeten Erhitzerteil entlang, wodurch das Gemisch erneut eine niedrigere Temperatur bekommt, und strömt danach über die Abfuhr 22 und die Leitung 26 zu dem Vorerhitzer 24, wo es im Gegenstrom mit der angesaugten Verbrennungsluft derselben Wärme abgibt. Die Verwendung eines Vorerhitzers ist nicht unbedingt notwendig, jedoch sehr günstig, um die kalorischen Verluste auf ein Minimum zu beschränken.In order to achieve that the components of the gas mixture leaving the space 18 in an almost are in full chemical equilibrium and are therefore at the prevailing temperature level there are almost no nitrogen oxides, hydrocarbons and other harmful gases in this room, the space 18 has such large dimensions that the residence time of the gas mixture in this space is long enough to establish this equilibrium. The gas mixture then flows with the release of Heat along the second heater part formed by the lower parts of the tubes 12, whereby the Mixture gets a lower temperature again, and then flows via the discharge 22 and the line 26 to the preheater 24, where there is the same heat in countercurrent with the intake combustion air gives away. The use of a preheater is not absolutely necessary, but very beneficial to the caloric Keep losses to a minimum.

In F i g. 2 ist ein Heißgasmotor dargestellt, der nahezu vollständig dem in F i g. 1 entspricht. Für die entsprechenden Teile werden dieselben Bezugsziffern verwendet. In Fig. 2 shows a hot gas engine that almost completely to that shown in FIG. 1 corresponds. The same reference numbers are used for the corresponding parts.

Der ein/ige Unterschied ist der, daß nun in der Nähe des Erhitzers in dem Raum 18 und dem Teilraum 16 Katalysatoren 30 vorgesehen sind, die beispielsweise aus feinverteiltem Platin bestehen. Die Katalysatoren üben einen günstigen Einfluß auf den Verbrennungsprozeß aus, vor allem an den Stellen, wo wegen der relativ niedrigen Temperatur (beispielsweise die Wände des Gehäuses 11) die Gefahr einer unvollständigen Verbrennung besteht. Durch die katalytische, reaktionsbeschleunigende Wirkung wird das erwünschte chemische Gleichgewicht zwischen den Komponenten des Gasgemisches in dem Raum 18 schneller hergestellt. Die erforderliche Aufenthaltszeit des Gasgemisches in diesem Raum ist somit kleiner. Dei Raum 18 ist in diesem Fall denn auch kleiner ausgebildet als bei dem Heißgasmotor nach F i g. 1, so daß der vorliegende Heißgasmotor im Ganzen kleinere Abmessungen hat.The only difference is that now near of the heater in the space 18 and the sub-space 16 catalysts 30 are provided, for example consist of finely divided platinum. The catalysts exert a beneficial influence on the combustion process especially in the places where, because of the relatively low temperature (for example the walls of the housing 11) there is a risk of incomplete combustion. Through the catalytic, reaction-accelerating Effect, the desired chemical equilibrium between the components of the gas mixture in the space 18 is established more quickly. The required residence time of the gas mixture in this room is therefore shorter. Room 18 is in this case also made smaller than in the case of the hot gas engine according to FIG. 1 so that the present Hot gas engine as a whole has smaller dimensions.

Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform des Heißgasmotors jeweils nur zwei Erhitzerteile dargestellt sind, sind selbstverständlich auch mehrere Erhitzerteile möglich, wobei dann an den Raum zwischen zwei benachbarten Erhitzerteilen jeweils eine Zufuhr für Verbrennungsluft anschließbar istAlthough only two heater parts are shown in the described embodiment of the hot gas engine are, of course, several heater parts are possible, in which case the space between a supply for combustion air can be connected to two adjacent heater parts

Außer den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen sind noch andere Ausführungsformen möglich, wobei das System der Verbrennung in Stufen mit dazwischenliegender Wärmeabgabe des Gemisches gleichfalls anwendbar ist.In addition to the embodiments shown in the drawing, there are other embodiments possible, the system of combustion in stages with intermediate heat emission of the mixture is also applicable.

Hierzu 2 Bbtt ZeichnungenFor this 2 Bbtt drawings

Claims

Patent claims:

1. Hot gas engine in which a gaseous medium forms a closed thermodynamic circuit goes through, with a heater and a device for the supply of heat to the heater, which contains at least one burner device and then at least one supply for fuel, at least one supply for combustion air and at least one outlet for the flue gas mixture, the burner device being one after the other via a first heater part, a space and at least one further heater part connects to a discharge line, characterized in that at least one further Supply (23) for combustion air is present, which is located between the first and further heater part adjoining the lying room (18).

2. Hot gas engine according to claim 1, characterized in that one or more catalysts (30) are present, which are located in the vicinity of the aforementioned heater parts and / or in the vicinity of or on the walls of the rooms (16, 18 ), in which these Erhitzerteile are arranged, are provided ¹ S.

3. hot gas engine according to claim 2, characterized in that between the first and space (18) lying further part of the heater has a volume in which the residence time of the gas mixture in this space (18) is long enough to achieve at least an almost complete chemical Equilibrium of this gas mixture at the prevailing temperature level.

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