DE2140961A1

DE2140961A1 - HEATING SYSTEM FOR A HOT GAS ENGINE

Info

Publication number: DE2140961A1
Application number: DE19712140961
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Motoren Werke Mannheim AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 1971-08-16
Filing date: 1971-08-16
Publication date: 1973-03-01

Description

Erhitzungssystem für einen Heißgasmotor.Heating system for a hot gas engine.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Erhitzungssystem , das Wärme zu dem Erhitzer eines Heißgasmotors über Wärmerohre transportiert.The invention relates to a heating system that adds heat transported to the heater of a hot gas engine via heat pipes.

Unter Wärmerohren werden im vorliegenden Zusammenhang beider= seits verschlossene evakuierte Rohre verstanden, die mit einer kleinen Menge eines geeigneten übertragermediums z.B. Natrium gefüllt sind, das an dem wärmeaufnehmenden Rohrbereich verdampft urid in dem wärmeabgebenden Bereich kondensiert, wobei das Kon= densat durch eine innere Auskleidung des Rohres von kapillarer Struktur zu der Verdampfungsstelle zurückgeführt wird. Solche Wärmerohre können sehr große Wärmemengen bei relativ kleiner Temperaturdifferenz zwischen dem wärmeaufnehmnden und dem wärme= abgebenden Bereich transportieren.In the present context, heat pipes refer to both sides sealed evacuated pipes understood that with a small amount of a suitable transfer medium, e.g. sodium, that is attached to the heat-absorbing pipe area evaporates and condenses in the heat-emitting area, with the condensate through an inner lining of the tube of capillary structure to the evaporation point is returned. Such heat pipes can generate very large amounts of heat at relative small temperature difference between the heat absorbing and the heat = emitting Transport area.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Erhitzungssystem der vorgenannten Art weitgehend selbstregelnd zu machen. Das bedeutet, daß die bisher bei Heißgasmotoren erforderliche fein= fühlige Regelung der Wärmequelle entfallen kann. Die Probleme einer derartigen feinfühligen Regelung sind in der Zeitschrift MTZ Jhg. 32 (1971) auf Seite 1 bis 5 behandelt. Der Begriff "selbstregelnd" schließt weiterhin die Forderung ein, daß an den Wärmerohren kein Regeleingriff von außen benötigt wird.The object of the invention is to provide a heating system of to make the aforementioned type largely self-regulating. That means that so far The sensitive control of the heat source required for hot gas engines is not required can. The problems of such sensitive control are in the journal MTZ year 32 (1971) on pages 1 to 5. The term "self-regulating" includes Furthermore, the requirement that no control intervention from outside on the heat pipes is needed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß an einem Erhitzungssystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Erhitzungs= system mindestens folgende Wärmetransportwege aufweist-: a) Von einer Wärmequelle, deren Wärmeleistung größer ist als der Wärmebedarf des Heißgasmotors bei Vollast, über eine oder mehrere erste thermische Dioden zu dem oder den Erhitzerelementen des Heisgasmotors.According to the invention, this object is achieved in a heating system of the introduction mentioned type solved in that the heating = system at least the following heat transport paths having-: a) From a heat source whose heat output is greater is than the heat demand of the hot gas engine at full load, over one or more first thermal diodes to the heater element or elements of the hot gas engine.

b) Von der Wärmequelle über eine oder mehrere zweite thermische Dioden zu einem Wärmespeicher.b) From the heat source via one or more second thermal diodes to a heat storage.

c) Von dem Wärmespeicher über eine oder mehrere dritte thermi= sche Dioden zu der oder den ersten thermischen Dioden.c) From the heat storage via one or more third thermal = cal Diodes to the first thermal diode or diodes.

Unter einer thermischen Diode wird in diesem Zusammenhang ein Wärmerohr verstanden, bei dem durch-die Ausbildung und Anordnung der inneren kapillaren Auskleidung dafür gesorgt ist, daß die Wärme im wesentlichen nur in einer Richtung transportiert wird.In this context, a thermal diode is a heat pipe understood in the by-the design and arrangement of the inner capillary lining it is ensured that the heat is essentially only transported in one direction will.

Eine derartige thermische Diode ist beispielsweise in der OS 2 028 651 beschrieben.Such a thermal diode is for example in OS 2 028 651 described.

Durch die Verwendung von thermische Dioden in der Schaltung gemäß den vorstehenden Merkmalen a), b) und c) wird erreicht, daß die Wärme vorder Wärmequelle immer nur in Richtung auf die Erhitzerelemente des Heisgasmotors fließen kann. Die Wärme kann dabei den direkten Weg über die erste thermische Diode oder den Umweg über den Wärmespeicher nehmen.By using thermal diodes in the circuit according to the above features a), b) and c) it is achieved that the heat before the heat source can only flow in the direction of the heater elements of the hot gas engine. the Heat can take the direct route via the first thermal diode or the detour take over the heat accumulator.

In der OS 2 050 198 ist eine Erhitzungssystem für einen IIeißgas= motor mit einem einzigen großen Wärmerohr beschrieben, in dessen Innenraum Wärmespeicherelemente und die Erhitzerelemente des HeiDgasmotors untergebracht sind. Bei dieser bekannten Schaltung müssen erst die Speicherelemente aufgeheizt-werden, bevor den Erhitzerelementen Wärme zugeführt werden kann, was geraume Zeit in Anspruch nimmt. Durch die erfindungsgemäße Schaltung wird demgegenüber sichergestellt, daß in jedem Fall eine für den Voll lastbetrieb des HeiEgasmo'sors ausreichende Wärmemenge den Er= hitzerelementen des'HeiQgasmotors über die erste thermische Diode zugeführt wird, ohne Rücksicht auf den Ladungszustand des Wärmespeichers. Dem Wärmespeicher wird bei eingeschalteter Wär mequelle lediglich die Wärmemenge zugeführt, die zur Versorgung der Erhitzerlemente nicht benötigt wird.In OS 2 050 198 is a heating system for a hot gas = engine described with a single large heat pipe, in the interior of which heat storage elements and the heater elements of the hot gas engine are housed. With this well-known Circuit, the storage elements must first be heated before the heater elements Heat can be supplied, which takes a considerable amount of time. By the invention Circuit, on the other hand, ensures that in each case one for the full load operation of the hot gas engine, sufficient amount of heat for the heating elements of the hot gas engine about the first thermal Diode is fed regardless of the state of charge of the heat accumulator. The heat storage tank is switched on Heat mequelle only supplied the amount of heat needed to supply the heater elements is not needed.

Die bevorzugte Wärmeversorgung der Erhitzerelemente des Heisgas= motors kann vorteilhaft bei Vorhandensein einer Wärmequelle, die einen Strom eines Heizmittels produziert, noch dadurch verbessert werden, daß die ersten thermischen Dioden im Strömungsweg des Heizmit-tels vor den zweiten thermischen Dioden liegen. Dadurch läßt sich erreichen, daß auch bei kaltem Motor und Speicher die Erhitzerelemente des Heißgasmotors bevorzugt mit Wärme versorgt werden, wodurch das Anfahren schnell vor sich geht.The preferred heat supply for the heating elements of the hot gas engine can be advantageous in the presence of a heat source, which is a stream of a heating medium produced, can be improved by the fact that the first thermal diodes in The flow path of the heating medium lies in front of the second thermal diodes. Through this it can be achieved that even when the engine and memory are cold, the heater elements of the hot gas engine are preferably supplied with heat, which makes starting up fast going on.

Vorteilhaft hat die Wärmequelle eine zeitlich konstante Wärme= leistung und wird in Abhängigkeit von einer in einer der ersten Dioden auftretenden Temperatur ein- und ausgeschaltet. Dadurch wird es möglich, eine ganz einfache Thermostatregelung wie bei einem ölbrenner einer Heizanlage zu verwenden. Außerdem wird es dadurch möglich, den Verbrennungsvorgang ohne besondren Aufwand im Hinblick auf geringen Schadstoffgehalt der Abgase und/oder niedrigen Brennstoffverbrauch zu optimieren, weil im wesentlichen nur ein Auslegungspunkt in Betracht gezogen werden muß.The heat source advantageously has a heat output that is constant over time and is a function of a temperature occurring in one of the first diodes on and off. This makes it possible to have a very simple thermostat control to be used as with an oil burner in a heating system. Besides, it becomes possible to reduce the incineration process without any special effort in terms of To optimize the pollutant content of the exhaust gases and / or low fuel consumption, because essentially only one point of interpretation needs to be considered.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungs= gegenstandes schematisch dargestellt.In the drawing is an embodiment of the invention = subject shown schematically.

Das erfindungsgemäße Erhitzersystem besteht im wesentlichen aus der Wärmequelle 1, der ersten thermischen Diode 2, der zweiten thermischen Diode 3, den dritten thermischen Dioden 4, dem Wärmespeicher 5 und dem Erhitzerelement 6. -Der Wärmespeicher 5 ist ein mit einem geeigneten Medium z.B. Lithiumfluorid gefüll= ter Behälter. Die Wärmequelle 1 ist bei dem dargestellten Bei spiel einbrenner, dem über den Anschluß 7 Brennstoff,- sowie über das Gebläse 8 und den Luftvorwärmer 9 Verbrennungsluft zugeführt wird. Der Betrieb des Ölbrenners 1 wird in üblicher Weise durch einen Thermostaten 10 geregelt, der die Brennstoff-und Luftzufuhr einschaltet, wenn die Temperatur in der thermi= schen Diode 2 unter einen bestimmten Wert sinkt. Die Brennstoff-und Luftzufuhr wird wieder ausgeschaltet, wenn die Temperatur in der thermischen Diode 2 über einen bestimmten Betrag ansteigt.The heater system according to the invention consists essentially of the Heat source 1, the first thermal diode 2, the second thermal diode 3, the third thermal diodes 4, the heat accumulator 5 and the heater element 6. -The heat accumulator 5 is filled with a suitable medium, e.g. lithium fluoride = the container. The heat source 1 is a burner in the example shown, the over the connection 7 fuel, - as well as via the fan 8 and the air preheater 9 is supplied with combustion air. The operation of the oil burner 1 is controlled in the usual way by a thermostat 10, the fuel and Air supply switches on when the temperature in the thermal diode 2 falls below one certain value decreases. The fuel and air supply is switched off again, when the temperature in the thermal diode 2 rises above a certain amount.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur eine erste thermische Diode 2 und ein Erhitzerelement 6 dargestellt. Es kann an dieser Stelle selbstverständlich ein Bündel von mehreren Dioden verwen= det werden, um die Wärme aus den Verbrennungsgasen des Ölbrenners 1 zu einem oder mehreren Erhitzerelementen 6 zu transportieren.For the sake of clarity, there is only a first thermal diode 2 and a heater element 6 is shown. It can be taken for granted at this point A bundle of several diodes can be used to generate heat from the combustion gases of the oil burner 1 to one or more heater elements 6.

Das Gleiche gilt sinngemäß für die zweite thermische Diode 3.The same applies analogously to the second thermal diode 3.

Auch hier kann ein Bündel von Dioden zum Wärmetransport in den Speicher 5 verwendet werden. Die Wärme der von dem Ölbrenner 1 erzeugten Verbrennungsgase wird in den Dioden 2,3 und 4 im wesentlichen nur in Richtung der eingezeichneten Pfeile transportiert.Here, too, a bunch of diodes can be used to transport heat into the storage tank 5 can be used. The heat of the combustion gases generated by the oil burner 1 is in the diodes 2, 3 and 4 essentially only in the direction shown Arrows transported.

Dabei verdanpft das in den Dioden 2 und 3 befindliche Übertrager medium an den in den heißen Gasstrom tauchenden Enden und konden= siert im Falle der Diode 2 an den Erhitzerelementen 6 und im Fall der Diode 3 in dem Bereich dieser Diode, der in den Wärmespeicher 5 eintaucht. Bei eingeschaltetem Brenner 1 wird die Temperatur der Diode 2 höher sein als die Temperatur der Diode 3, deren Temperatur wiederum höher ist als die Temperatur des Speichers 5, wenn dieser noch nicht vollaufgeladen ist. Unter diesen Umständen kann keine Wärme in nennenswertem Ausmaß von der Diode 2 über die Dioden 4 in den Speicher 5 fließen, weil die Dioden 4 den Wärme= fluß in dieser Richtung praktisch vollständig sperren. In entge= gengesetzter Richtung kann bei eingeschaltetem Ölbrenner 1 eben= falls keine Wärme über die Dioden 4 fließen, weil dies durch das vorhandene entgegengesetzte Temperaturgefälle ausgeschlossen wird.The transmitter located in diodes 2 and 3 evaporates from the medium at the ends immersed in the hot gas flow and condenses in the case of the diode 2 on the heating elements 6 and in the case of diode 3 in the area of this diode, which is immersed in the heat accumulator 5. When burner 1 is switched on, the temperature is of the diode 2 be higher than the temperature of the diode 3, the temperature of which in turn is higher than the temperature of the memory 5, if this is not yet fully charged is. Under these circumstances, no significant amount of heat can be released from the diode 2 flow through the diodes 4 into the memory 5, because the diodes 4 the heat = flow practically completely block in this direction. In the opposite direction can also be switched on when the oil burner 1 = if no heat flows through the diodes 4, because this is excluded by the existing opposite temperature gradient will.

Der Wärmespeicher wird daher nur deshalb aufgeladen, weil der Ö1= brenner 1 neben der Deckung des-Wärmebedarfeæ des Heißgasmotors hierzu noch genügend Wärme liefert. Ist der Ölbrenner ausgeschal tet, so sinkt die Temperatur in dcr Diode 2 während der Wärme= speicher 5 seine emperatur im wesentlichen beibehält. Es ent= steht demnach ein Wärmegefälle vom Speicher 5 zur Diode 2, so daß die Diode 4 Wärme in Richtung der eingezeichneten Pfeile transportieren können, bis die Temperatur im Speicher 5 soweit abgesunken ist, daß die Temperatur in der Diode 2 die Einschalt= grenze des Thermostaten 10 erreicht, worauf der Ölbrenner 1 wieder eingeschaltet wird,womit der vorstehend beschriebene Vor= gang wieder abläuft. Durch entsprechende Festlegung der Ein- und Ausschaltgrenzen des Thermostaten 10 kann verhindert werden, daß die Temperatur des Erhitzers 6 allzusehr schwankt und daß der Speicher 5 allzusehr entladen wird. Der Erhitzer 6 besteht bei dem dargestellten Beispiel aus einer Rohrschlange, in deren Innerem sich das Arbeitsmedium des Heißgasmotors, im allgemeinen Helium, befindet. Das Erhitzerrohr ist mit seinem einen Ende an den heißen Raum 11 des Heißgasmotors angeschlossen und mit sei= nem anderen Ende über den Regenerator 12 und den Kühler 13 mit dem kalten Raum 14 verbunden. Der Verdrängerkolben 15 trennt die Räume 11 und 14 voneinander und steuert den Arbeitsprozeß des Heißgasmotors dadurch, daß er eine Hin- und Herbewegung ausführt und dabei das Arbeitsmedium jeweils von dem einen in den anderen Raum verdrängt. Der Arbeitskolben 16 führt ebenfalls eine hin-und hergehende Bewegung aus, die phasenverschoben zu der Bewe= gung des Verdrängerkolbens 15 abläuft. Der Bewegungsablauf der beiden Kolben 15 und 16 wird durch einen nicht dargestellten besonderen Kurbeltrieb bewirkt und auf die ebenfalls nicht sicht= bare Motorwelle arbeitsleistend übertragen. Der Regenerator 12 nimmt aus dem aus dem heißen Raum 11 in den kalten Raum 14 ver= drängten Arbeitsmedium Wärme auf und gibt diese Wärme wieder ab, wenn das Arbeitsmedium von dem kalten in den heißen Raum überge= schoben wird, so daß eine unnötige Wärmezufuhr vermieden wird.The heat accumulator is therefore only charged because the Ö1 = burner 1, in addition to covering the heat requirement of the hot gas engine, is still sufficient for this Heat supplies. If the oil burner is switched off, the temperature drops in dcr Diode 2 while the heat = store 5 essentially maintains its temperature. It ent = there is therefore a heat gradient from the memory 5 to the diode 2, so that the diode 4 transport heat in the direction of the arrows can until the temperature in the memory 5 has dropped so far that the temperature in the diode 2, the switch-on limit of the thermostat 10 is reached, whereupon the oil burner 1 is switched on again, whereby the process described above runs again. By setting the switch-on and switch-off limits of the thermostat 10 accordingly the temperature of the heater 6 can be prevented from fluctuating too much and that the memory 5 is overly discharged. The heater 6 consists in the one shown Example from a pipe coil, inside of which the working medium of the hot gas engine, generally helium. The heater tube is at one end to the connected hot space 11 of the hot gas engine and with his = nem other end over the regenerator 12 and the cooler 13 are connected to the cold room 14. The displacement piston 15 separates the spaces 11 and 14 from one another and controls the working process of the hot gas engine in that he performs a back and forth movement and thereby the working medium in each case displaced from one room to the other. The working piston 16 also leads a to-and-fro movement that is out of phase with the movement of the Displacement piston 15 expires. The sequence of movements of the two pistons 15 and 16 is caused by a special crank drive, not shown, and also on the not visible = motor shaft transferred while performing work. The regenerator 12 takes from the working medium displaced from the hot space 11 into the cold space 14 Heat up and releases this heat again when the working medium is cold is pushed over into the hot room, so that unnecessary heat supply is avoided will.

Der Kühler 13 führt die nicht in mechanische Arbeit verwandelte Wärme aus dem Arbeitsmedium an das Kühlwasser ab. Das in den Räumen 11 und 16 sowie im Erhitzer 6, Regenerator 12 und Kühler 13 befindliche Arbeitsmedium wird bei niederiger Temperatur ver= dichtet und expandiert bei hoher Temperatur, wobei ein Gewinn an mechanischer Arbeit verbleibt, der als Nutzarbeit an der Motorwelle abgegeben wird, Eine anschauliche Darstellung dieses Arbeitsprozesses findet sich in MTZ Jhg. 29 (1968) auf Seite 284 in Bild 2.The cooler 13 carries the heat that is not converted into mechanical work from the working medium to the cooling water. That in rooms 11 and 16 as well as in Heater 6, regenerator 12 and cooler 13 located working medium is at lower Temperature compresses and expands at high temperature, with a gain on mechanical work remains, which is output as useful work on the motor shaft, An illustrative representation of this Work process is found in MTZ year 29 (1968) on page 284 in Fig. 2.

Die Leistung eines Heißgasmotors kann durch Veränderung des Druckes des Arbeitsmediums oder durch Änderung der Phasenlage von Verdränger und Arbeitskolben geregelt werden. Eine dieser bekannten Regelungen des inneren Kreislaufes bleibt im vorlie= genden Fall unverändert wirksam. Die Wärmezufuhr zum Erhitzer 6 muß dabei dem durch die Regelung des inneren Kreislaufes bestim= ten Wärmebedarf des Heißgasmotors entsprechen. Diese Anpassung geschieht im vorliegenden Fall automatisch ohne Regeleingriff von außen in Abhängigkeit von der Erhitzertemperatur. Steigt die Temperatur des Erhitzers 6 über einen bestimmten Wert, weil von dem inneren Kreislauf weniger Wärme entnommen wird, so steigt die Temperatur in der Diode 2 entsprechend und veranlaßt das Ausschalten des Ölbrenners 1. Sinkt die Temperatur des Erhitzers 6, weil der innere Kreislauf mehr Wärme entnimmt als zugeführt wird, so sinkt die Temperatur in der Diode 2 ebenfalls, wenn die Speichertemperatur soweit abgesunken ist, daß von dort her nicht mehr genügend Wärme zufließt, um die Temperatur in der Di= ode 2 über der Einschalttemperatur des- Thermostaten 10 zu halten.The performance of a hot gas engine can be increased by changing the pressure of the working medium or by changing the phase position of the displacer and working piston be managed. One of these well-known regulations of the internal cycle remains effective unchanged in the present case. The heat supply to the heater 6 must be the heat demand of the hot gas engine determined by the regulation of the internal circuit correspond. In the present case, this adjustment takes place automatically without control intervention from outside depending on the heater temperature. If the temperature of the Heater 6 above a certain value, because less heat from the internal circuit is removed, the temperature in the diode 2 rises accordingly and causes switching off the oil burner 1. If the temperature of the heater 6 falls because of the inner cycle removes more heat than is supplied, so the temperature drops in the diode 2 also when the storage temperature has dropped so far that from there not enough heat flows in to keep the temperature in the diode 2 to hold above the switch-on temperature of the thermostat 10.

Die Temperatur in der Diode 2 unterschreitet diese Grenze und der Ölbrenner 1 wird wieder eingeschaltet.The temperature in the diode 2 falls below this limit and the Oil burner 1 is switched on again.

Claims

S heating system that transfers heat to the heater of a hot gas engine transported through the armpits, characterized by the presence of at least the following heat transport routes: a) From a heat source (1), its heat output is greater than the heat demand of the hot gas engine at full load, over one or more first thermal diodes (2) to the one or more heating elements (6) of the hot gas engine.

b) From the heat source (1) via one or more second thermal Diodes (3) to form a heat store (5).

c) From the heat accumulator (5) via one or more third thermal Diodes (4) for the first thermal diode or diodes (2).

2. Heating system according to claim 1, with a heat source, the one Stream of a heating medium produced, characterized in that the first thermal Diodes (2) in the flow path of the heating means in front of the second thermal diodes (3) lie.

3. Heating system according to claim 1, characterized in that the Heat source (1) has a constant thermal output over time, as well as depending switched on and off by a temperature occurring in one of the first diodes (2) will.

L e r s e i t e