DE2342741C3 - Heißgaskolbenmotor mit einem Erhitzer, der mindestens zwei Rohrreihen enthält - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißgaskolbenmotor mit einem Erhitzer als Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme zwischen Verbrennungsgasen und im Motor vorhandenem Arbeitsmittel, wobei der Erhitzer mindestens zwei Rohrreihen enthält, die untereinander mit Zwischenraum und hintereinander im Strömungsweg der Verbrennungsgase angeordnet sind und in Flächen liegen, die sich wenigstens im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung erstrecken, wobei zwischen den Rohren jeder Reihe Durchgänge für die Verbrennungsgase vorhanden sind.

Ein derartiger Heißgaskolbenmotor ist aus der GB-PS 8 57 758 bekannt.

Im Erhitzer wird dem Arbeitsmittel des Motors, beispielsweise Helium oder Wasserstoff, kalorische Energie zugeführt. Die heißen Verbrennungsgase strömen dazu an den Erhitzerrohren unter Abgabe von Wärme an denselben entlang.

Trotz des großen Temperaturunterschiedes zwischen den Verbrennungsgasen (Temperatur 2200 bis 2300⁰C) und den Erhitzerröhren (Temperatur ca. 700⁰C) ist die Wärmeübertragung dieser Verbrennungsgase auf die Erhitzerrohrwände verhältnismäßig schlecht. Um eine gute Wärmeübertragung zu erhalten ist eine verhältnismäßig große Rohroberfläche erforderlich, was Rohre mit verhältnismäßig großer Länge bedeutet. Längere Rohre führen jedoch zu größeren Strömungsverlusten des Arbeitsmittels in den Rohren und zwar wegen größerer Strömungswiderstände, wodurch der thermische Wirkungsgrad und vJie Leistung beeinträchtigt werden.

Das Verdichtungsverhältnis des Motors wird dadurch beeinträchtigt, daß bei zunehmender Rohrlänge das schädliche Volumen größer wird, was insbesondere in einer Verringerung der Leistung zum Ausdruck gelangt.

Längere Rohre bedeuten außerdem ein größeres Bauvolumen des Motors.

Die beschränkte Wärmeübertragung der Verbrennungsgase auf die Erhitzerrohr bildet eine Hemmung beim Anstreben einer höheren spezifischen Leistung (Wellenleistung pro Zylinderinhalt), mittels Erhöhung des Arbeitsmitteldrucks im Motor und/oder der Drehzahl.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heißgasmotor der genannten Art zj schaffen, bei der durch eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen den Verbrennungsgasen und den Erhitzerrohrwänden die genannten Nachteile behoben sind.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Zwischenraum mit einer für die Verbrennungsgase durchströmbaren, im Betrieb des Motors die Wärme gut ausstrahlenden, aus Siliziumkarbid-Hohlkugeln bestehenden Masse ausgefüllt ist.

Durch die Siliziumkarbid-Hohlkugel wird das Gewicht und die Wärmekapazität der Masse gering. Letzteres bedeutet, daß die Aufheizung der Masse nur wenig Wärme braucht, so daß die Anwärmezeit gering ist.

Bei einer beim Heißgaskolbenmotor auftretenden Temperatur der wärmestrahlenden Masse von etwa 1700⁰C weist das Siliziumkarbid einen günstigen hohen Ausstrahlungskoeffizienten von 0,8 (das ideale theoretisehe Maximum ist 1 für den sogenannten schwarzen Strahler) auf. Zugleich bietet Siliziumkarbid den Vorteil einer großen Wärmebeständigkeit und einer hohen thermischen Stoßbeständigkeit, so daß keine Schwierigkeiten auftreten, wenn beispielsweise die Flamme des Brenners des Heißgaskolbenmotors auf die im kalten Zustand befindliche wärmestrahlende Masse gerichtet werden.

Eine weitere günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heißgaskolbenmotors ist dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg der Verbrennungsgase hinter den Rohrreihen eine weitere für die Verbrennungsgase durchströmbare, aus Siliziumkarbid bestehende wärmestrahlende Masse quer zur Strömungsrichtung angeordnet ist.

Dadurch ist erreicht worden, daß auch die vom Zwischenraum abgewandten Rohrwandteile der, für die Verbrennungsgase stromabwärts gesehen, letzten Rohrreihe angestrahlt werden. Diese zusätzliche Erhitzung fördert weiter eine gleichmäßige Wärmebelastung am Umfang der Rohre, welche die letzte Reihe bilden.

Anhand der Zeichnung, in der als Beispiel eine Ausführungsform des Heißgaskolbenmotors auf schematische Weise und nicht maßgerecht dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert.

jo Die Figur zeigt einen Schnitt durch einen Heißgaskolbenmotor mit einem Erhitzer, der aus zwei Reihen von Rohren aufgebaut ist, welche konzentrisch um einen Raum für Verbrennungsgase angeordnet sind.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist ein Zylinder bezeichnet worden, in dem sich ein Kolben 2 und ein Verdränger 3 phasenverschoben bewegen können. Der Kolben und der Verdränger sind durch eine Kolbenstange 4 bzw. eine Verdrängerstange 5 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden. Zwischen dem Kolben 2 und dem

Wi Verdränger 3 befindet sich ein Kompressionsraum 6, der über einen Kühler 7, einen Regenerator 8 und einen Erhitzer 9 mit einem Expansionsraum 10 über dem Verdränger in offener Verbindung steht.

Der Erhitzer 9 besteht aus einer Anzahl in ι nem

'"> Kranz um einen Raum 11 für Verbrennungsgase angeordneter gebogener Rohre, die sich je einerseits an den Regenerator 8 anschließen und andererseits in den Expansionsraum 10 münden. Die Anordnung ist derart,

daß eine innere Rohrreihe 9' und eine konzentrisch dazu angeordnete äußere Rohrreihe 9" erhalten worden ist, wobei zwischen den Reihen ein ringförmiger Zwischenraum 12 vorhanden ist. Zwischen den Rohren untereinander jeder Reihe gibt es Spalte, die als Durchgänge für Verbrennungsgase wirksam sind. Die Rohre der Außenreihe 9" sind an ihren unteren Enden mit Flossen 13 zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche an dieser Stelle versehen.

Der Heißgaskolbenmotor enthält weiter eine Brennervorrichtung 14 mit einem Brenner 15 und einer Zufuhr 16 für Verbrennungsluft Weiter gibt es eine Abfuhr 17 für Verbrennungsgase.

Der ringförmige Zwischenraum 12 ist mit hohlen Kügelchen 18 aus Siliziumkarbid aufgefüllt. Zwischen !5 den Berührungspunkten der Kugeln untereinander sind gleiche genau definierte Durchströmungsöffnungen für Verbrennungsgase vorhanden. Die Kugeln sind derart gestapelt, daß sie für die Rohrreihen untereinander eine scheinbar geschlossene Wand bilden.

Um die äußere Rohrreihe 9" ist ein zylinderförmige Büchse aus porösem keramischen Material im vorliegenden Fall aus Siliziumkarbid angeordnet.

Im Betrieb des Heißgasmotors strömen die von der Brennervorrichtung 14 herrührenden heißen Verbrennungsgase (Temperatur beispielsweise 2200⁰C) an den Rohren der inneren Reihe 9" unter Abgabe von Wärme an dieselben entlang. Die Verbrennungsgastemperatur sinkt dann beispielsweise bis 1700⁰C. Danach strömen die Verbrennungsgase durch die Durchströmungsöffnungen zwischen den hohlen Siliziumkarbidkügelchen 18, ebenfalls unter Abgabe von Wärme an dieselben. Da die Wärmeübertragung zwischen den Verbrennungsgasen und den hohlen Kügelchen hoch ist, ist die mittlere Temperatur der Kügelchen nicht viel niedriger als 1700°C. Nachdem die Verbrennungsgase die äußere Rohrreihe 9" unter Abgabe von Wärme an dieselben passiert sind, !'.ann ihre Temperatur etwa 11O⁰C betragen.

Danach strömen die Verbrennungsgase durch die w poröse Büchse 20 unter Abgabe von Wärme, wonach sie, nachdem sie den Flossen 13 Wärme abgegeben haben, den Heißgasmotor durch die Abfuhr 17 verlassen.

Die auf etwa 1700⁰C erhitzten Siliziumkarbidkügelchen bilden ausgezeichnete Wärmestrahler, wodurch die dem Zwischenraum 12 zugewandten Rohrwandteüe der beiden Rohrreihen angestrahlt und daJier zusätzlich erhitzt werden. Die auswärts gerichteten Rohrwandteüe der äußeren Rohrreihe 9" werden durch die poröse Büchse 20 als gute Wärmestrahler angestrahlt und zusätzlich erhitzt Das Resultat ist, daß nicht nur durch Konvektion, sondern auch durch Strahlung Wärme der Verbrennungsgase auf die Erhitzerrohre übertragen wird.

Durch die verbesserte Wärmeübertragung mit einer gleichmäßig über den Rohrumfang verteilten höheren Wärmebelastung der Erhitzerrohre können diese kürzer ausgebildet sein, was zu geringeren Strömungs-Verlusten des Arbeitsmittels in den Rohren, zu einem geringeren schädlichen Volumen der Rohre und zu einem kleineren Bauvolumen des Motors führt.

Zugleich werden durch die verbesserte Wärmeübertragung bessere Möglichkeiten in bezug auf eine Erhöhung der spezifischen Motorleistung geboten, beispielsweise durch Erhöhung des Arbeitsmitteldrucks im Motor, da dem in diesem Fall größeren Arbejtsmittclmassenstrom in den Rohren mehr Wärme übertragen werden kann und muß.

Obschon in der Zeichnung ein Erhitzer dargestellt ist, der aus zwei konzentrisch angeordneten Reihen gerader untereinander paralleler Rohre ^!gebaut ist, kann die Erfindung selbstverständlich auf viele andere Erhitzerkonfigurationen angewandt werden. So können beispielsweise die Rohre einer Reihe gekrümmt ausgebildet sein, oder die Rohre einer Reihe können mit den Rohren einer anderen Reihe einen Winkel einschließen und die durch die Rohrreihen gebildeten Flächen können viele Formen aufweisen und r/wteinander einen Winkel einschließen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Heißgaskolbenmotor mit einem Erhitzer als Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme zwischen Verbrennungsgasen und im Motor vorhandenem Arbeitsmittel, wobei der Erhitzer mindestens zwei Rohrreihen enthält, die untereinander mit Zwischenraum und hintereinander im Strömungsweg der Verbrennungsgase angeordnet sind und in Flächen liegen, die sich wenigstens im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung erstrecken, wobei zwischen den Rohren jeder Reihe Durchgänge für die Verbrennungsgase vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (12) mit einer für die Verbrennungsgase durchströmbaren, im Betrieb des Motors die Wärme gut ausstrahlenden, aus Siliziumkarbid-Hohlkugel.i (18) bestehenden Masse ausgefüllt ist.

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg der Verbrennungsgase hinter den Rohrreihen (9¹, 9") eine weitere für die Verbrennungsgase durchströmbare, aus Siliziumkarbid bestehende wärmestrahlende Masse (20) quer zur Strömungsrichtung angeordnet ist.