DE2249741C3 - Erhitzungssystem für eine Heißgasmaschine - Google Patents
Erhitzungssystem für eine HeißgasmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Erhitzungssystem für die Wärmezufuhr zu einem Erhitzer einer Heißgasmaschine,
mit einem geschlossenen Raum, in dem mehrere Behälter für wärmespeicherndes, schmelzbares Material
angeordnet sind, die wärmedurchlässige Wände aufweisen, über die das wärmespeichernde Material Wärme an
ein sich im geschlossenen Raum befindendes Wärmetransportmedium abgibt, das in Betrieb durch einen
Verdampfungs-Kondensationsvorgang Wärme von den Behältern zum Erhitzer transportiert, welcher mit den
wärmedurchlässigen Behälterwänden über eine poröse Massie mit Kapillarstruktur für die Rückfuhr von
Wärmetransportmedium-Kondensat vom Erhitzer zu den Behälterwänden verbunden ist.
Ein solches Erhitzungssystem ist aus Fig. 2 der belgischen Patentschrift 7 58 330 bekannt.
Solche Maschinen, in denen ein Arbeitsmedium einen thermodynamischen Kreislauf ausführt, und welchem
Arbeitsmedium durch die Wand eines Erhitzers hindurch von außen Wärme zugeführt wird, sind
beispielsweise Heißgasmotoren und Heißgasturbinen.
Das Erhitzungssystem, bei dem in Behältern gespeicherte Wärme mittels eines Verdampfungskondensationsvorgangs
eines Wärmetransportmediums zum Erhitzer einer thermodynamischen Maschine transportiert
wird, bietet verschiedene Vorteile. Zunächst kann eine große Wärmemenge nahezu ohne Temperaturgefällc
ohne Verwendung einer Pumpvorrichtung und ohne weitere sich bewegende Teile transportiert
werden. Durch die Anwesenheit der porösen Masse mit Kapillarstruktur erfolgt unter allen Umständen eine
Rückfuhr des am Erhitzer kondensierten Wärmetransportmediums zu den Behältern infolge der Kapillarwirkung
unter Verwendung der Oberflächenspannung des Kondensats, Die Kondensatrflckfuhr erfolgt mithin
sogar entgegen der Schwerkraft oder ohne Schwerkraftwirkung.
Die poröse Masse mit Kapillarstruktur kann etwa aus keramischem Material, aus Gazeschichten aus draht-
oder bandförmigem Material, aus Anordnungen von Glasfasern, Röhren oder Stäbchen und aus Nutensystemen
in den Wänden, gegebenenfalls in Kombination mit einer der bereits genannten Möglichkeiten, bestehen.
Diese poröse Masse kann die Wände des geschlossenen Raums, die wärmedurchlässigen Behälterwände -sowie
die Erhitzerwand vollständig oder teilweise bedecken.
Als Wärmetransportmedium kommen allerhand Stoffe wie etwa Kalium, Natrium, Kalzium, Lithium,
Kadmium, Caesium, Metallgemische usw. in Betracht.
Durch Anordnung des Erhitzers in einem geschlossener;
Raum wird ein gedrängtes Ganzes erzielt
Durch Verwendung von mit wärmespeicherndem Material gefüllten Behältern kann die im genannten
Material gespeicherte Wärme zum Betreiben eines Heißgasmotors, an solchen Stellen benutzt werden, an
denen keine Rauchgase entwickelt werden dürfen oder an denen für einen normalen Brenner keine Verbrennungsluft
zur Verfügung steht (Gruben, Unterseeboote USW.).
Als wärmespeicherndes schmelzbares Material kommt etwa Lithiumfluorid (LiF) in Frage.
Da der Erhitzer von den Behältern mit wärmespeicherndem Materia' getrennt ist, ist das Volumen der
Behälter und mithin ihr Wärmeinhalt im Gegensatz zu solchen Erhitzungssystemen, bei denen der normalerweise
aus einer Anzahl von Rohren aufgebaute Erhitzer direkt im wärmespeichernden Material angeordnet
wird, nicht begrenzt Im letzteren Fall sind das Höchstvolumen des betreffenden Behälters und mithin
sein maximaler Wärmeinhalt begrenzt, weil die Erhitzungsrohre im Zusammenhang mit der optimalen
Wirkungsweise des thermodynamischen Kreislaufs des Arbeitsmediums in der Maschine, das etwa Helium oder
Wasserstoff sein kann, an bestimmte maximale Längenabmessungen gebunden sind Außerdem muß die
thermodynamische Maschine dann häufig das Gewicht des Behälters mit wärmespeicherndem Material tragen,
was eine schwerere Maschinenkonstruktion notwendig macht.
Das bekannte Erhitzungssystem weist einige Nachteile auf.
Die Behälter sind einzeln mit wärmespeicherndem Material angefüllt, abgeschlossen und gesondert voneinander
im geschlossenen Raum angeordnet. Das gesonderte Füllen und Abschließen der Behälter ist
zeitraubend und kostspielig und macht das Zusammenbauen des Erhitzungssystems für Massenherstellung
weniger geeignet. Da die Behälter gesondert voneinander angeordnet sind, ist das Erhitzungssystem an eine
bestimmte Stellung gebunden. Dieser Mangel an Stellungsunabhängigkeit ist ein schwerwiegender Nachteil
für die Anwendungsmöglichkeiten. Eine Stellungsunabhängigkeit ist etwa in der Raumfahrt oder in
Unterseebooten erwünscht, wo ein mit einem derartigen Erhitzungssystem ausgestatteter Heißgasmotor als
Kraftquelle ohne Auslaßgase vorhanden sein kann.
Damit der Verdampfungskondensationsvorgang des Wärmetransportmediums sich im geschlossenen Raum
gut entwickeln kann, wird dieser Raum normalerweise evakuiert. Ein Problem ist nun, daß in einigen Fällen, je
nach dem gewählten Wärmetransportmedium nicht nur bei Zimmertemperatur sondern auch bei der hohen
Betriebstemperatur des Erhitzungssystems, der Dampfdruck des Wärmetransportmediums im geschlossenen
Raum unter dem Umgebungsdruck liegt. Befindet sich beispielsweise Natrium als Wärmetransportmedium in
dem evakuierten geschlossenen Raum, so beträgt der Dampfdruck bei 800" K 8 Torr (1 Torr = 1 mm Quecksilberdruck)
und bei 11000K 450 Torr, Dies bedeutet, daß insbesondere bei Erhitzungssystemen, deren geschlossener
Raum flache Wände mit großen Abmessungen besitzt, diese Wände einer beträchtlichen mechanischen
Belastung ausgesetzt sind. Namentlich bei hohen Betriebstemperaturen des Erhitzungssystems, bei denen
die Steifigkeit dieser Wände beträchtlich niedriger ist als bei Zimmertemperatur, führt dies zu einer
Verformung und einem Einreißen der genannten Wände mit drohender Implosionsgefahr des geschlossenen
Raums.
Die poröse Masse mit Kapillarstruktur kann sich dabei von den Wänden lösen und derart beschädigt
werden, daß sie für die Rückfuhr von Wärmetransportmediumkondensat vom Erhitzer zu den Behältern nicht
mehr brauchbar ist
Dickere und dadurch festere Wände des geschlossenen Raums bzw. Abstützkörper, wie sie aus der US-PS
35 03 438 bekannt sind, sind aus Gründen des Gewichts, Gestehungspreises und der Abmessungen nicht möglich.
Auch die einfache Verwendung von Stahlwolle als Abstützmittel, wie sie in der DE-OS 21 28 566
vorgeschlagen wurde, beseitigt nicht die Gefahr einer Verformung der Behälterwände.
Aufgabe der Erfindung ist es, den maximalen Füllgrad der Behälter ausnützen zu können und die Gefahr einer
Verformung der Behälterwände zu vermindern, um ein Abiösen der porösen Schicht an den Behälterwänden zu
verhindern.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Behälter an eine gemeinsame Zufuhrleitung für das wärmespeichernde
Material angeschlossen sind, in der eine Druckregeleinrichtung für Inertgas angeordnet ist und
daß zwischen den Wänden des geschlossenen Raumes und den Behälterwänden sowie zwischen den Behälterwänden
eine poröse Füllmasse vorhanden ist, deren Poren größere Abmessungen aufweisen, als die Poren
der porösen Masse.
Bei Einführung eines Inertgases, beispielsweise nach dem Füllen der in Serie liegenden Behälter, kann ein
Ausgleich der Druckpegel in den verschiedenen Behältern erreicht werden.
Da der Übergang des wärmespeichernden Materials in den Behältern von der festen in die flüssige Phase mit
einer beträchtlichen Volumenzunahme dieses Materials einhergeht, was zu hohen Drücken in den Behältern
führen kann, welche Drücke bei steigender Temperatur des geschmolzenen wärmespeichernden Materials noch
weiter ansteigen, wird mit Hilfe der Druckregelanordnung nun dafür gesorgt, daß der Druck in den Behältern
innerhalb bestimmter annehmbarer Grenzen bleibt, so daß es möglich ist, den maximalen Füllgrad der Behälter
auszunutzen, wodurch die Abmessungen des Erhitzungssystems und seine Wärmeisolationsverluste für
eine bestimmte wärmespeichernde Leistung minimal sind.
Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird zusammengepreßte Stahlwolle als Füllmasse
angewendet. Die Stahlwolle bietet den Vorteil eines niedrigen Preises, sie läßt sich leicht in allerhand
Formen zusammendrücken und kann in zusammengepreßtem
Zustand erhebliche Flächendrücke aufnehmen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der als Beispiel in in den
F i g, la, Ib und 2 Ausführungsformen von Erhitzungssystemen schematisch und nicht maßstabgerecht darge-■
stellt sind, näher erläutert.
In Fig. ta ist mit der Bezugsziffer 1 ein Heißgasmotor
bezeichnet, der mit einem Erhitzer 2 versehen ist, dem Wärme zugeführt werden muß. Der Erhitzer 2 ist in
einem geschlossenen Raum 3 angeordnet. Dieser Raum
in enthält ferner mehrere Behälter 4 für wärmespeicherndes,
schmelzbares Material wie etwa LiF. Jeder Behälter 4 besitzt zumindest eine wärmedurchlässige Wand 5.
Die Behälter sind hier als Ringzylinder ausgeführt, die
im zylindrischen Teilraum 3a des geschlossenen Raums
π 3 derart angeordnet sind, daß die Ringzylinderachsen
zusammenfallen. Im geschlossenen Raum 3 ist außerdem eine Natriummenge des Wäirmetransportmediums
vorhanden. Der Erhitzer 2 ist mit den wärmedurchlässigen Behälterwänden 5 über eine poröse Masse 6 mit
:o Kapillarstruktur verbunden.
Die Behälter 4 sind alle an eine gemeinsame Zufuhrleitung 7 für wärmespeich-.
>;ndes Material angeschlossen, die durch die Wand des geschlossenen
Raums 3 hindurch nach außen geführt und dort mit
2) einem Abschluß 8 versehen ist Außerdem sind alle
Behälter an eine gemeinsame Abfuhrleitung 9 angeschlossen die gleichfalls außerhalb des geschlossenen
Raums 3 nach außen tritt und dort mit einem Abschluß 10 versehen ist. Die Behälter sind über Verbindungslei-
jii tungen 11 in Serie geschaltet
Mit einer Druckregelanordnung 12 v/ird der Druck innerhalb des Behälters 4 über den gesamten auftretenden
Temperaturbereich innerhalb bestimmter Grenzen aufrechterhalten. Die Druckregelanordnung 12 umfaßt
j) eine mit einem inerten Gas gefüllte Flasche 13, die über
eine Leitung 14, in der sich ein Druckregelventil 15 mit einer Abfuhr 16 befindet, an die gemeinsame Zufuhrleitung
7 angeschlossen ist.
Um die Behälter 4 im zylindrischen Teilraum 3a des
Um die Behälter 4 im zylindrischen Teilraum 3a des
-tu geschlossenen Raums 3 an Ort und Stelle zu halte- und
dadurch das Erhitzungssystem völlig stellungsunabhängig zu machen, ist eine poröse Masse 17 aus
zusammengepreßter Stahlwolle zwischen den Behältern untereinander und zwischen den den Teilraum 3a
Ai begrenzenden Wänden des geschlossenen Raums 3 und
den Behältern vorhanden. Diese Füllmasse besitzt Poren, deren Abmessungen größer sind als die Poren
der porösen Masse 6.
Das Erhitzungssystem umfaßt schließlich ein elektri-
-,Ii sches Heizelement 18, das in dem geschlossenen Raum
3, angeordnet ist.
Das Erhitzungssystem kann folgenderweise gebrauchsfertig gemacht werden.
Mit Hilfe des Heizelements 18 wird dem geschlosse-
Mit Hilfe des Heizelements 18 wird dem geschlosse-
-,) nen R-^ura 3 Wärme abgegeben. Hierdurch verdampft
das in diesem Raum vorhandene Natrium, so daß das Erhitzungssystem au hohe Temperatur gebrecht wird.
An verhältnismäßig kalten Stellen kondensiertes Natrium wird durch die poröse Masse 6 aufgrund der
no Kapillarwirkung 2um Heizelement 18 zurückgeführt,
um dort erneut veroampft zu werden. Das Heizelement 18 ist dazu ebenfalls mit der porösen Masse 6 bekleidet,
die örtlich mit der porösen Masse 6 ar. den Außenwänden der Behälter 4 verbunden ist. Da die
h-, poröse Füllmasse 17 Poren mit verhältnismäßig großen
Abmessungen aufweist, kann der Natriumdampf nahezu unbehindert hindurchströmen.
Befindet sich das Erhitzunessvstem auf der richtigen
Temperatur, so werden die Behälter 4 über die gemeinsame Zufuhrleitung 7 mit flüssigem, wärmespeicherndem
Material, etwa geschmolzenen LiF. angefüllt. Die gemeinsame Abfuhrleitung 9 dient dann
als Entlüftungsleitung.
Das Füllen erfolgt mit jeweils einer Ladung. Über die Verbindungsleitungen 11 werden die Behälter nacheinander
gefüllt. Mit Hilfe eines inerten Gasstromes aus der Gasflasche 13 werden die Behälter danach unter Druck
gesetzt, wobei überflüssiges wärmespeicherndes Mate- i>
rial durch die gemeinsame Abfuhrleitung 9 abgeleitet wird. Der Pegel des wärmespeichernden Materials
reicht dann bis an die Einstecktiefe der Verbindungsleitungen H und der gemeinsamen Abfuhrleitung 9.
Schließlich wird in den Behältern ein bestimmter inerter Gasdruck eingestellt. Das Druckregelventil 15 sorgt
dafür, daß der Inertgasdruck innerhalb bestimmter Grenzen bleibt. Sollte der Druck außergewöhnlich stark
ansteigen, so sorgt dieses Ventil dafür, daß über die Abfuhr 16 inertes Gas abgelassen wird. Bei einem zu
niedrigen Gasdruck iäBt es Gas aus der Flasche i3 zu.
Bei normalem Betrieb gibt das wärmespeicherende Material in den Behältern 4 dem Natrium über die
warmedurchlässige Wände 5 Wärme ab, welches Natrium demzufolge verdampft und in der Dampfphase
zum Erhitzer 2 strömt wegen des dort herrschenden niedrigeren Dampfdrucks infolge einer etwas niedrigeren
örtlichen Temperatur. Natriumdampf kondensiert unter Wärmeabgabe am Erhitzer 2. Das Natriumkondensat
wird danach durch die poröse Masse 6 hindurch ; zu den wärmedurchlässigen Wänden 5 der Behälter 4
zurückgeführt, um dort erneut verdampft zu werden. Die Rückfuhr des Kondensats erfolgt aufgrund der
Kapillarwirkung.
Der Natrium enthaltende geschlossene Raum 3 ist im ·. übrigen evakuiert. Beim Betrieb ist der Natriumdampfdruck
beträchtlich niedriger als 1 atm. Die poröse Füllmasse 17 hält nun nicht nur die Behälter 4 an Ort und
Stelle, sondern unterstützt auch die großen Wandober flächen des geschlossenen Raums 3 gegen die von außer
darauf ausgeübten Druckkräfte, wodurch die Implo sionsgefahr beseitigt wird. Außerdem hält die porös«
Füllmasse 17 die poröse Masse 6 größtenteils an Ort un< Stelle, so daß dem Transport von Natriumkondensa
keine Schwierigkeiten bereitet werden.
F i g. I b zeigt einen Querschnitt an der Stelle der Linii
Ib-Ibin Fig. la.
Fig. 2 zeigt ein Erhitzungssystem, das in großer Zügen gleich dem nach Fig. 1 ist. Für entsprechend«
Einzelteile werden daher dieselben Bezugszifferr benutzt. Im vorliegenden Fall sind die Behälter 4 nicht ii
Serie sondern parallel geschaltet, während die Druckre gelanordnung 12 aus einem Expansionsgefäß 20 besteht
das über eine Leitung 21. in der sich ein Hahn 2\
befindet, an die gemeinsame Zufuhrleitung 7 anschließ
bar ist. Das Expansionsgefäß 20 ist mit einem als Puffe fungierenden inerten Gas angefüllt.
Bei ansteigendem Druck in den Behältern infolgi einer Voiumenzunahme des wärmespeichernden Mate
rials, beispielsweise bei Übergang von der festen in di<
flüssige Phase, wird das Volumen des Puffers au inertem Gas verkleinert. Bei hinreichend großen
Volumen des Expansionsgefäßes 20 bleibt der Druck ii den Behältern nahezu unverändert.
Nun können die Behälter gleichzeitig in kurzer Zei mit flüssigem wärmespeicherndem Material angefüll
werden, nachdem sie evakuiert worden sind.
Die wfchere Konstruktion und Wirkungsweise de;
vorliegenden Erhitzungssystem sind mit dem Systen nach Fig. la identisch, so daß sich eine Beschreibung
erübrigt.
Aus dem vorhergehenden dürfte einleuchten, daß di< Erfindung ein wirtschaftliches Erhitzungssystem schafft
das völlig stellungsunabhängig ist und auf schnelle unc einfache Weise montiert und mit wärmespeichernderr
Material versehen werden kann.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Erhitzungssystem für die Wärmezufuhr zu einem Erhitzer einer Heißgasmaschine, mit einem ^
geschlossenen Raum, in dem mehrere Behälter für wärmespeicherndes, schmelzbares Material angeordnet
sind, die wärmedurchjässige Wände aufweisen, über die das wärmespeichernde Material
Wärme an ein sich im geschlossenen Raum i<> befindendes Wärmetransportmedium abgibt, das in
Betrieb durch einen Verdampfungs-Kondensationsvorgang Wärme von den Behältern zum Erhitzer
transportiert, welcher mit den wärmedurchlässigen Behälterwänden über eine poröse Masse mit ΐί
Kapillarstruktur für die Rückfuhr von Wärmetransportmedium-Kondensat vom Erhitzer zu den Behälterwänden
verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Behälter (4) an eine gemeinsame Zufuhrleitung (7) für das wärmespeichernde ·?»
Material angeschlossen sind, in der eine Druckregeletnrichtung
(L^) für Inertgas angeordnet ist und daß
zwischen den Wänden des geschlossenen Raumes (3) und den Behälterwänden sowie zwischen den
Behälterwänden eine poröse Füllmasse (17) vorhan- 2"·
den ist, deren Poren größere Abmessungen aufweisen, als die Poren der porösen Masse (6).
2. Erhitzungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Füllmasse (17) aus
zusammengepreßter Stahlwolle besteht «ι
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |