DE2539319A1

DE2539319A1 - Mehrfachregeneratoren

Info

Publication number: DE2539319A1
Application number: DE19752539319
Authority: DE
Inventors: David W Barton; Norman D Postma
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1974-09-05
Filing date: 1975-09-04
Publication date: 1976-03-18
Also published as: BR7504032A; JPS5624780B2; CA1029563A; IT1035832B; FR2284041B1; ES440734A1; US3939657A; GB1487151A; SE7507935L; FR2284041A1; AU8155575A; JPS5153142A; NL7510524A

Description

Mehrfachregeneratoren

Gemäss der Erfindung wird ein Heissgasmotor vom Stirling-Typ angegeben. Der Motor besitzt eine Heizkopfanordnung, die mit einer Mehrzahl getrennter in dem Heizröhrenlabyrinth in Reihe geschalteter Regeneratoren versehen ist. Die Regeneratoren können hinsichtlich der Grosse und Masse unter Erfüllung vor- ' ' bestimmter Värmeaustauschmuster-Bedingungen in. Kaskade geschaltet sein. Die Temperatur der direkt aus der Heizkopfanordnung austretenden Abgase kann optimal auf weniger als etwa 427° C (800° P)₁ jedoch günstiger auf etwa 538 bis 650° C eingestellt werden.

Die Wärmewirksamkeit und das Gewicht sind zwei der wichtigsten Punkte bei der Entwicklung des Stirling-Motors. Ein Stirling-Motor ist allgemein anerkannt als ein Heissgasmotor des Typs, bei dem unter Druck stehendes Gas wechselseitig in einem geschlossenen System zwischen zwei Räumen oder Kammern, die eine eine heisse Kammer, in der Expansion stattfinden kann, die andere eine kalte Kammer, in der Kompression stattfinden kann,

609812/0337

verschoben wird. Die Verschiebung des geschlossenen Gases (Arbeitsgas führt zu einer Temperaturänderung im allgemeinen bei konstantem Volumen; Expansion oder Kompression finden im wesentlichen bei einer gleichförmigen Temperatur statt. Er ist ein. Hotor, der zwei Arbeitshübe hat und einen stark von der Wärmezufuhr zu dem eingeschlossenen Gas angrenzend an die Hochtemperaturkammer, in typischer Weise auf einer Seite eines WärmeSpeichers (Regenerator) in dem geschlossenen System, abhängigen Betrieb aufweist.

Bisherige Konstruktionen haben derzeit Hei ζ kopfanordnungen verwendet, in denen Verbrennungsgase oder Abgase (in typischer Weise im Bereich von etwa 1260 bis 1925° C (2300 bis 3500° F) längs eines Wärmequellensystems und um ein das eingeschlossene Gas enthaltende und die Räume verbindende Wärmeübertragungsrohr geführt werden. Der Mengenstrom des Wärmequellensystems variiert beträchtlich zwischen Leerlauf und Betrieb des Motors bei hoher Geschwindigkeit. Die zu und durch die Wände der Rohrs und eventuell zu dem geschlossenen Gas (Arbeitsgas) übertragene Wärmemenge führt zu einer Herabsetzung der Temperatur der verbrannten Gase; die Temperatur wird in typischer Weise auf einen Bereich von 732 bis 982° C (1350 bis 1800° F) verringert. Offensichtlich verbleibt eine grosse Menge Wärmeenergie innerhalb des erwärmten Mediums (Abgas) nach Umströmen der Wärmeübertragungsrohranordnung. Um einen Verlust des Wärmegehalts auszuschalten, wandte sich der Stand der Technik zur Verwendung eines rotierenden Regenerativrades, gewöhnlich vom keramischen Typ, das in einer Zone Wärme aus den Verbrennungsgasen aufnimmt und in einer anderen Zone Wärme an die eingeführte Luft zur Erhitzung freigibt. Die Abgase weisen nach Durchgang durch das Rad zur Abgabe eines beträchtlichen latenten Wärmegehalts gewöhnlich einen Temperaturbereich von 3^3° C (650° F) auf. Zum Zeitpunkt, da die Abgase endgültig an die Atmosphäre freigegeben werden, haben sie schätzungsweise eine Temperatur von nur 93 bis 121° C (200 bis 250° F).

Leider sind die Kosten und das zusätzliche Gewicht durch die Verwendung des Regenerativgases zur Nutzung der latenten Wärme

809812/0337

der verbrauchten Gase ein Problem. Nach dem Stand der Technik wurde der Versuch mit vielen Heiz rohranordnungen unternommen, um das grundlegende Problem zu beseitigen.

Eine Möglichkeit bestand darin, die Wärmeübertragungsfähigkeiten durch Verwendung von gerippten Röhren zu erhöhen; die glatten Oberflächen der Röhren werden durch Verwendung flacher Rippen, welche sich nach aussen in einer radialen Richtung der Mittellinie der Röhre erstrecken, erhöht. Leider führt dies zu einem Einnistungs- bzw. Verschachtelungsproblem für die Rohre sowie einem Problem hinsichtlich der Herstellung der Heizkopfanordnung. Eine Begrenzung für jede Lösung ist die Anordnung der Räume.In einem modernen 4-Kolben-Stirling-Motor befinden sich die Hohlräume 90° auseinander um die Achse des Motors; die Gase müssen zwischen diesen zwei Hohlräumen mit Nutzeffekt und maximalem Wärmeaustausch bewegt werden. Um dieser Begrenzung zu begegnen, besteht ein typischer Versuch darin, eine haarnadelförmig gebogene Rohrkonfiguration zwischen dem Hochtemperaturraum und dem Wärmespeicher (Regenerator) zu verwenden; ein Schenkel der Konfiguration ist kürzer und im allgemeinen parallel zu der Motorachse, der äussere Schenkel ist spiralförmig herum angeordnet, um die 90 -Einteilung zu erfüllen und besitzt in typischer Weise zusätzlich gerippte Ubertragungsflachen.

Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht in einem Heissgasmotor vom Stirling-Typ mit einer verbesserten Heizkopf anordnung, die wirksam im Hinblick auf einen wirksameren Austausch eines grösseren Wärmegehalts direkt zwischen einer Heizquelle und einem geschlossenen Gassystem ist.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in einer Heizkopfanordnung des obigen Typs, die sowohl die Notwendigkeit zur Erhöhung äusserer Wärmeaustauschflächen ( wie beispielsweise Rippen) ausschalten kann, als auch den Wärmeaustausch zwischen der Wärmequelle und dem geschlossenen Gassystem unter Herabsetzung der Herstellungskosten erhöhen kann.

609812/0337

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in einer Vorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen einem geschlossenen Gassystem und einer Wärmequelle, wodurch der Widerstand gegenüber der durch das Wärmequellensystem hindurchströmenden Menge herabgesetzt wird, während es möglich ist, die Arbeitstemperatur des Wärmequellensystems bei einer geringfügig höheren mittleren Gesamttemperatur einzuhalten, ö^e(ioch mit einem wirksameren Abfall der Temperatur bei der Übergangszone.

Weitere Aufgaben der Erfindung umfassen (a) die Bewirkung einer Herabsetzung der Temperatur des Ausgangsabgases, während für reduzierte Grosse oder optimal die Beseitigung des Vorerhitzers im äusseren Verbrennungskreis gesorgt wird, (b) die Bewirkung einer Herabsetzung der Maximaltemperatur der Heizkopfanordnung, während sowohl die Brennstoffzufuhr-Erfordernisse als auch die Verluste auf Grund von Kühlung und Auspuffausstoss sämlich bei einem äquivalenten Ausmass der abgegebenen Leistung herabgesetzt werden und (c) die Ermöglichung der Verwendung von dünnerem oder wirtschaftlicherem Rohrmaterial in der Heizrohranordnung.

Eine spezifischere Aufgabe der Erfindung besteht in einem Heißgasmotor mit einem geschlossenen Gassystem mit wenigstens einem Hochtemperaturraum und wenigstens einem Niedertemperaturraum, einem Hochdruckgas in den Räumen und Vorrichtungen, wie beispielsweise ein Heizrohr, zur wechselseitigen Verschiebung des unter hohem Druck stehenden Gases zwischen den Räumen, wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Wärmespeiehern (Regeneratoren) aufweist und dass wenigstens der Teil des stromaufwärts vom letzten Wärmespeicher angeordneten Heizrohrs der Wärmequelle des Motors zur Erhöhung der Wirksamkeit des Wärmeübergangs von der Heizquelle zu dem geschlossenen Gassystem ausgesetzt ist.

»'jpezi fische Merkmale gemäss den obigen Aufgaben bestehen in der Verwendung von wenigstens zwei Wärmespeichern (Regeneratoren),

609812/0337

die in Reihe längs eines üblichen Heizrohrs angeordnet sind, wobei die Regeneratoren mit verschiedenen Massen dimensioniert sind und kaskadenförmige geschaltet sind; der Teil des sich zwischen den Reihen der verbundenen Regeneratoren erstreckenden üblichen Rohrs so ausgerichtet ist, dass es in die der Wärmequelle ausgesetzte Zone wiedereintritt; die Temperatur des Wärmequellensystems und dessen Mengenstrom so programmiert sind, dass die von der Heizrohranordnung austretenden verbrauchten Abgase sich bei einem Temperaturniveau von weniger als etwa 650° C (1200° F) und optimal bei weniger als 427° C (800° F) befinden.

In den Zeichnungen geben:

Fig. Λ eine schematische Darstellung eines Heissgasmotors vom Stirling-Typ, der eine typische Heizkopfanordnung nach dem Stand der Technik darstellt;

Fig. 2 einen vergrösserten Teil der schematischen Darstellung der Fig. 1, welche lediglich den Hochtemperaturraum und den Teil einer üblichen Heizrohranordnung darstellt, in der ein Wärmespeicher angeordnet ist;

Fig. 3 eine fragmentarische schematische Darstellung ähnlich der von Fig. 2, in der jedoch eine der Ausführungsarten der Erfindung wiedergegeben ist;

Fig. 4- eine fragmentarische schematische Darstellung ähnlich der Fig. 2, die jedoch eine andere Ausführungsform nach dem Stand der Technik wiedergibt;

Fig. 5 eine Stirnansicht der schematischen Struktur von Fig. 4; Fig. 6 eine vergrösserte Ansicht ähnlich der von Fig. 4, die jedoch die erfindungsgemässe Ausführungsform angewendet auf diese bekannte Konstruktion darstellt;

Fig. 7 eine Seitansicht der in Fig. 6 gezeigten schematischen Struktur;

Fig. 8 ein schematisches Diagramm, für ein typisches Wärmequellen strömungssystem nach dem Stand der Technik;

Fig. 9 eine schematische Ansicht ähnlich der von Fig. 8, in der jedoch das gemäss der Erfindung modifizierte Wärmequel-Icnntrömungsnystem dargestellt ist, und

609812/0337

Fig. _1Q und 11 jeweils schematische Darstellungen von Energiegleichgewi chten in einem Stirling-Motor nach dem Stand der Technik und einen Motor gemäss der Erfindung

wieder.

Wenn man sich eng an ein Motorsystem vom Stirling-Typ hält, ist festzustellen, dass die Begrenzung hinsichtlich Leistung oder Geschwindigkeit des Motors vorwiegend auf die Form der Heizrohranordnung zurückzuführen ist. Trotz der grossen Temperaturdifferenz zwischen den Abgasen (Wärmequelle oder erhitztes Medium) und den Heizrohren ist der Wärmeübergang von den Abgasen zu dem Rohr und durch die Rohrwand relativ schlecht. Ein ziemlich grosser Rohroberflächenbereich ist anscheinend erforderlich; grosse Rohre (grosser Oberflächenbereich) liefern einen optimalen Wärmeübergang von der Aussenseite, ergeben jedoch keine optimale Wärmeübertragung auf die Innenseite. Um den Wärmeübergang der Abgase zu verbessern, wurden die Heizrohre nach dem Stand der Technik in typischer Weise in Form einer Reihe oder eines Käfigs von Rohren gefertigt, an die Rippen an abgelegenen Abschnitten der Rohre angelötet sind. Dies erhöht jedoch lediglich den äusseren Oberflächenbereich und trägt wenig dazu bei, die Wärmezufuhr der äusseren Oberfläche der Wärmeabnahme an der inneren Oberfläche der Rohre anzupassen.

Zum besseren Verständnis der Art, in der bisher bekannte Heizkopf anordnungen betrieben wurden, sei auf Fig. 1 verwiesen. Hier umfasst der Heissgasmotor vom Stirling-Typ im wesentlichen vier Hauptanordnungen: Ein geschlossenes Hochdruckgas syst em A, einen Heizquellenkreislauf B, einen Kühlkreislauf C und eine Arbeitsantriebsanlage D. Das geschlossene Hochdruckarbeitsgassystem A umfasst zwei Räume bzw. Kammern, einen Hochtemperaturraum 20 und einen Niedrigtemperaturraum 21, wobei die Räume durch eine Durchgangseinrichtung miteinander verbunden sind, welche zum Teil, die Heizrohre 22, Speicher oder Regenerator und auf der gegenüberliegenden Seite des Speichers angeordnete Kühlrohre 24 umfassen. In einer doppelt-wirkenden Kolbenanlage, wie hier gezeigt, befindet sich der Niedertemperaturraum in einer von der Kolbenkammer 39, welche den Hochtemperatυ aum

609812/0337

20 enthält, abweichenden Kolbenkammer 40. Dies beseitigt die Notwendigkeit gesonderter Verschiebekolben, da der Arbeitskolben dann unter Herbeiführung von Verschiebung wirken kann.

Der Wärmequellenkreislauf B ist so angeordnet, dass eine Wärmeaustauschzone bei der Position 15 die Heizrohre 22 zur Aussetzung an das erhitzte Umgebungsmedium aufnimmt. Der Wärmequellenkreislauf B umfasst insbesondere einen Ansaugdurchgang 12, in den Umgebungsluft (gelegentlich gemischt mit Umlaufabgas) durch ein Gebläse oder Zentrifugalgebläse (nicht gezeigt) gedrückt wird. Die angesaugte Luft wird zu einer Verbrennungskammer 13 durch Öffnungen 14 in der zylindrischen Wand der Kammer gerichtet. Der Brennstoff wird in der Kammer I3 über die Zerstäubungsdüse 40 eingebracht und dort unter Erzeugung einer Flammverbrennung gezündet, wobei die Produkte durch die Stelle 15 strömen oder abwandern. Die Verbrennungsprodukte (Abgase) wandern durch eine Öffnung 17 in den Abgasdurchgang 16 zum Abzug aus dem Motor. Viele bisherige Anwendungen gebrauchen ein Wärmeumlaufrad 18 oder einen Vorerhitzer, von dem wenigstens eine Hälfte oder ein Abschnitt gegenüber den abgezogenen Abgasen ausgesetzt ist, wobei dann das Rad rotiert, um die erhitzte Hälfte oder den Abschnitt an die eintretende Umgebungsluft auszusetzen und dadurch die Luft zu erhitzen.

Der Kühlkreislauf C umfasst eine Durchgangseinrichtung 30, welche das Kühlmedium enthält, wobei das Medium durch eine Pumpe 31 durch diesen Kreislauf bzw. durch diese Leitung geführt wird. Ein Kühlerabschnitt 34 umgibt die Kühlerrohre 24 zur Entziehung von Wärme aus den Rohren 24; ein Kühler 32 ist zur Freigabe von Wärme an die Atmosphäre angeordnet^ und ein Ventilator 33 wird verwendet, um die Luft hindurchzubewegen.

Die Arbeitsantriebsanordnung D besitzt einen Arbeitskolben 44, der den aufgegebenen Kräften unterliegt; mit den Arbeitskolben verbundene Verbindungsstäbe 41 bewegen synchron eine Taumelj> I nt,Io ΛP entsprechend der Bewegung der Arbeitskolben. Ein mit r]<:i· 'i'/iurriol .".chcibo verbundenes Antriebnelement 43 liefert die ' Y. vn Π, f /j hf/, ο υ [-TfinoPKi ο un die Transmission und Antriebswelle.

6 0 9812/0337

In Fig. 2 zeigt die Heizkopfanordnung, mit der sich die Erfindung insbesondere befasst, wieder den mit den Heizrohren 22 verbundenen Hochtemperaturraum 20. Die Rohre erstrecken sich durch die Wärmeaustauschzone 15· Die Heizrohre weisen-in typischer Weise eine Konfiguration mit Haarnadelkrümmung auf, wodurch ein erster Schenkel oder ein Teil 50 des Heizrohrs einem höheren Wärmeausmass unterworfen wird. Ein zweiter Schenkel oder Teil 51 des Heizrohrs wird im allgemeinen einem etwas geringeren Temperaturbereich des erhitzten Mediums ausgesetzt und besitzt dafür in typischer Weise eine Mehrzahl von Rippen 52, welche sich von der Achse des Rohrs strahlenförmig erstrecken. Der Wärniespeicher oder Regenerator 23 trennt die Heizrohre von den Kühlrohren 24 und wirkt als ein wirksamer Mechanismus, wodurch die Hochtemperatur- und Niedertemperaturräume isoliert werden können, indem Wärme abgegeben und zu dem Regenerator wieder rückgeführt wird, wenn dasGas wechselweise hindurchwandert.

Wenn man die bekannten Stirling-Motoren vom Betriebsstandpunkt oder VerfahrensStandpunkt aus betrachtet, könnte der thermodynamische Kreislauf des Motors im wesentlichen und im Idealfall aus zwei isothermen Verfahren und zwei Verfahren mit konstantem Volumen (aciabatisches Verfahren) bestehen. Ein auf diesem Zyklus betreibbarer Motor kann aus Elementen, wie in Fig. 1 wiedergegeben, bestehen, wobei ein Arbeitskolben 44 enthaltender Zylinder 25 einen Raum dazwischen als Arbeitsraum 21 oder Niedertemperaturraum begrenzt; ein derartiger Raum ist ferner durch den Regenerator 23 abgegrenzt. Auf der anderen Seite des Regenerators 23 befindet sich zwischen dem Zylinder 25 und dem Arbeitskolben 44 der Expansionsraum 20 oder Hochtemperaturbereich. Ler Expansions- oder Hochtemperaturraum wird bei einer erhöhten Temperatur im Bereich von etwa 790 C (1450° F) gehaltenjund der Niedertemperaturraum wird-hei einer Temperatur im Bereich von etwa 77° C (170° F) gehalten. Die Differenz zwischen den Hoch- und Niedertemperaturraumen erzeugt einen ITettoarbeitswirkungsgrad.

U\ c. t,;/f; i nchon Bewegungen des doppelt-wirkenden Motors vom Stir-I ι γι,";-Ί'.·/ρ r.in'i in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Prospects

609812/0337

of the Stirling Engine for Vehicular Propulsion", veröffentlicht in Philips Technical Review, Band 31» Nr. 5/6, 'Seiten 168 bis 185 (1970) beschrieben, worauf hier Bezug genommen wird. .

Ein unangemessener Strömungswiderstand an einem bestimmten Punkt in dem geschlossenen Gassystem kann die relativen Geschwindigkeiten durch da§ gesamte System verändern. Um dies zu vermeiden, und sogar den Innenoberflächenbereich der Heiζrohranordnung zu erhöhen, umfasst die Erfindung hier die Verlängerung eines üblichen Heizrohrwegs, jedoch mit der Einfügung einer Mehrzahl von Wärmespeichern oder Regeneratoren.

In Fig. 3 ist der Hochtemperaturraum 20 durch die Wand 25 des Zylinders und den Arbeitskolben 44 begrenzt. Die Heizrohreinrichtung umfasst eine erste haarnadelförmig gebogene Durchgangskonfiguration vor dem oder stromaufwärts vom ersten Wärmespeicher 62; die haarnadelförmig gebogene Konfiguration wird der Heizzonenstelle 15 ausgesetzt. Beide Schenkel 60 und 61 der ersten haarnadelförmig gebogenen Konfiguration werden einer relativ hohen Temperatur innerhalb der Stelle 15 ausgesetzt. Eine zweite haarnadelförmig gebogene Konfiguration verbindet die Wärmespeicher 62 und 63 und ist so ausgerichtet, dass sie in die Heizstelle 15 zurückkehrt; die zweite Konfiguration kann eine grössere Länge aufweisen, wobei die- beiden Schenkel 64 und 65 länger sind und keinerlei Rippen aufweisen. Die gesamte Innenoberfläche dieser ausgedehnten und verlängerten Heizrohreinrichtung ist besser an die dem Heizmedium ausgesetzte Aussenflache angepasst und ist einem System überlegen, bei dem äussere Rippen zur Erhöhung der äusseren Oberfläche verwendet werden und nicht zur Erhöhung der inneren Oberfläche beitragen. Da die Anzahl an Regeneratoren erhöht ist, können die Rohre in dem Teil der Durchgangseinrichtung,der weiter vom Mittelpunkt der Wärmequelle entfernt ist, aus weniger aufwendigen Materialien gefertigt werden, als die Rohre mehr im mittleren Bereich.

609812/0337

Modifizierung der bevorzugten Ausführungsform der Fig. 3 kann so erfolgen, dass keine Überlegung hinsichtlich des Wärmeübergangs auf der Aussenseite notwendig ist, sondern lediglich der Gesamtoverflächenbereich des Innern der Rohre zu berücksichtigen ist. Dies wird möglich durch die Verwendung indirekter Heizung in Form von Heizrohren. Grosse Wärmemengen können von einer grossen Oberfläche zu der äusseren Oberfläche des Rohrs übertragen werden. Somit kann ein Kreislauf eingestellt werden, indem Natrium aufeinanderfolgend durch Dampf und die flüssigen Phasen wandert und zu einem Umwandler der Wärmeflussdichte wird. Eine praktische Ausführungsform dafür kann eine spiralförmige Heizkasuaer umfassen, wobei das Abgas durch die spiralförmige Auskleidung strömt und das Natrium auf der entgegengesetzten Seite der Auskleidung erhitzt wird und verdampft, um zu den Heizrohren zu wandern, wodurch das 'Natrium darauf kondensiert. Die so gebildete Flüssigkeit fliesst wieder zu der spiralförmigen Kammer unter dem Einfluss der Kapillarkräfte zurück. Da der Wärmeübergang durch Kondensation des Natriums als unendlich gross im Vergleich zur Wärmeleitung durch die Wände des Rohrs und die Wärmeübertragung von den Wänden zu dein Gas im Innern angesehen werden kann, kann der Stirling-Mqtor bei einer konstanten Temperatur der Aussenwand der Heizrohre gemäss Fig. 3 optimal eingestellt werden.

Einige bekannte handelsübliche Stirling-Motoren behören zum Typ, der Sammelleitungen verwendet, welche sich aufwärts von den Hoch- und Niedertemperaturräumen erstrecken. Eine derartige Konstruktion nach dem Stand der Technik ist in den Fig. M- und 5 wiedergegeben, wobei die Sammelleitungen 73 und 78 zum Zweck der Darstellung horizontal orientiert sind. Hier ist der Hochtemperaturraum 70 zwischen der Wand 70a und dem Kolben 71 begrenzt; der Raum weist eine kaminartige Sammelleitung 73 auf, welche einen langgestreckten Raum 7M- begrenzt. Eine ähnliche·· kaminartige Sammelleitung 78 ist unabhängig davon im Abstand angeordnet; die Sammelleitung 78 begrenzt einen langgestreckten Kaum 79» der in Verbindung mit einem Regenerator oder Wärmespeicher 77 steht, welcher den kalten Raum (verbunden über Rohr 76) abtrennt. Die Durchgangseinrichtungen, welche die

609812/0337

Sammelleitungen zur Vervollständigung der Heizkopfanordnung verbinden, umfassen eine Reihe von Rohren 81, 82, 85, 84, 85 und 86 mit kleinem Durchmesser. Ein Ende ist jeweils mit einer öffnung 75 in der Sammelleitung 73 verbunden;,und ein gegenüberliegendes Ende ist mit einer Öffnung 80 in der Sammelleitung 78 verbunden. Die Verbrennungsgase in Zone 15 wandern einmal durch jedes der Heizrohre zum Zweck des Wärmeaustausches.

Gemäss der Erfindung ist hier eine Mehrzahl von Wärmespeiehern in das geschlossene Gassystem, wie in Fig.6 und 7 gezeigt, eingearbeitet. Hier erstreckt sich die Sammelleitung 93 von dem Eochteinperaturraum 90,der durch die Wand 91 und den Kolben 92 begrenzt wird; die Sammelleitung besitzt einen Wärmesammelabschnifc 94 und einen nicht-speichernden Abschnitt 95» der durch eine Wand 96 getrennt ist. Die Innenwand 97, welche den Raum 95 begrenzt, besitzt eine kaminartige Konfiguration und steht in Verbindung mit Raum 90. Eine in gleicher Weise begrenzte Sammelleitung 101 erstreckt sich von dem Niedertemperaturraum (nicht gezeigt). Die Sammelleitung 101 besitzt einen Würmesammelabschnitt 104- und einen nicht-speichernden Abschnitt 103, der wiederum eine Innenwand 102 aufweist, welche den Raum 103 begrenzt, der einen kaminartigen Raum in Verbindung mit einem dritten Wärmespeicher 110 im Körper 111 festlegt; Körper 111 stellt die Verbindung über den Durchgang 112 zu dem Niedertemperaturraum dar.

Sämtliche zwischen den Sammelleitungen überbrückende Heizrohre, wenigstens solche Teile stromaufwärts des letzten Regenerators 110, sind der Wärmequelle ausgesetzt. Eine erste Anordnung oder Reihe von Rohren 100 verbindet den nicht-speichernden Abschnitt 95 3iit dem Sammelabschnitt 104 der Sammelleitung 101 (siehe Fig. 7)· Das Hochdruckgas wandert dann in die Heizrohre 99 in einer umgekehrten Richtung, in dem es eine Haarnadelwendung macht; die Rohre 99 bilden eine Reihe, die in einer Ebene liegt, v/o !ehe im allgemeinen mit der Ebene des Rohrs 100 ausgerichtet ii;t. Las unter Druck stehende Gas wird dann durch den Speicher 94 geführt und tritt in eine Reihe oder Anordnung von Rohren 98 ein, welche mit dem nicht-speichernden Abschnitt 103 der Sammelleitung 101 in Verbindung stehen. Die Verbrennungsgase (Wärme-

609812/0337

quelle) sehen oder passieren tatsächlich den geschlossenen Arbeitsgasstrom wenigstens dreimal. Die Anzahl der Regenerativabschnitte kann von den in Fig. 6 und 7 gezeigten erhöht werden.

Die Vorteile, die sich aus der Verwendung der in den bevorzugten und alternativen Ausführungsformen gezeigten Konstruktionen ergeben, werden in Tabelle I erläutert, in der verschiedene Temperaturen des Wärmequellen-Kreislaufs wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt, verglichen werden. In Fig. 8 ist ein. Wärmequellen-Kreislauf B als typische"Konstruktion nach dem Stand der Technik gezeigt, welche eine übliche in dem Heizkreislauf zwischengesehaltete Heiζrohranordnung 120 mit einem Regenerativrad 122 zur Konservierung der Wärme und Vorerhitzung der eintretenden Luft 124 aufweist. Der Abgasumlauf durch den Durchgang 125 ist als Teil des Systems wiedergegeben, da dies typisch für eine übliche Anordnung ist. Tabelle I vergleicht als erstes geschätzte Daten für einen Stirling-Motor, der bei 4000 tfpm " (volle Belastung) betrieben wird, wobei die Versuchsumgebungstemperatur bei etwa 38° C (100 F) gewählt wird und der Abgasumlauf so gewählt wird, dass er bei etwa 25 % des Abgasstroms liegt. Temperaturen, Mengenstrom (m) und Druck wurden an den Stationen 1 bis 13 projiziert. Es sei darauf hingewiesen, dass die aus den Heizrohren austretende Temperatur bei etwa 1027° C (1880° F) nach dem Stand der Technik liegt; ein beträchtlicher Teil dieser Wärme wird durch das Regenerativrad 122 abgeführt, so dass das Gas hinsichtlich seiner Temperatur auf etwa 338° C (640° F) herabgesetzt wird. Während der Zeit, da die Abgase durch den Rest des Rohrsystems wandern, wird die Temperatur auf etwa 127° C (260° F) am Austrittspunkt 13 für eine einzelne Auslassleitung oder auch bei 1Δ für doppelte Auslassrohre verringert.

In direktem Gegensatz dazu zeigt Tabelle II produzierte Temperaturen unter den Bedingungen der Tabelle I -für zwei Konstruktionen, welche die Prinzipien der Erfindung verkörpern, wobei bei einer der Vorerhitzer 122a modifiziert ist (kleiner gefertigt ist) und bei einer der Vorerhitzer weggelassen wurde. Für die Konstruktion mit einem modifizierten Vorerhitzer wird die

609812/0337

Temperatur bei der Station 9 auf 838° G (1540° F) verringert, und es ergibt sich eventuell eine Freigäbetemperatur von 121° C (250° F). Die Aufgabe der Energieübertragung ist beträchtlich verringert, ebenso wie die Temperaturen. Dies erfordert geringere Vorerhitzerbelastung, niedrigere Vorerhitzerkosten und niedrigere Drücke im Gebläsekreislauf.

Für die Konstruktion, bei welcher der Vorerhitzer weggelassen wurde, wird die Temperatur am Punkt 9 auf 382° C(72O° F) verringert^und es ergibt sich eventuell eine Freigabe-abgastemperatur von 138° G (280° F) bei 13. Diese erhebliche Differenz geht auf die höhere Wirksamkeit der Wärmeübertragung zurück, die mit dem reinenförmigen Regeneratorsystem und ausgedehnten Durchgangssystem der Erfindung stattfindet ohne Verwendung von Rippen aufweisenden Rohren. Es werden Reihenregeneratoren 127 und 128 verwendet.

Es sei darauf hingewiesen, dass die niedrigere Temperatur von 1110° C (2030° F) bei Station 11 für die Konstruktion ohne einen Vcrerhitzer bewirkt, dass das Warmeubergangsausmass durch die Heizrohrwände als Ergebnis einer niedrigeren Wärmespitze herabgesetzt wird. Der Motor kann langsamer arbeiten, um das Wärmegleichgewicht zu halten. Das gesamte Energiegleichgewicht der Kraftanlage erfordert, dass die Nettoenergie des Motors (Q Energie) die Differenz zwischen der Energie der Kraftstoffzufuhr (Q Kraftstoff) und den verschiedenen Verlusten ist. Die Verluste können eingeteilt werden in: (a) Abgas plus verschiedene Strahlungsverluste (Q Abgas), (b) Wärme, die durch das Kühlsystem an die Luft abgegeben wird (Q Kühlsystem) und (c) Energie, die durch Hilfseinrichtungen, wie beispielsweise Kühlgebläse, Wasserpumpe oder Verbrennungsgebläse verbraucht wird (Q Hilfs.) Eines der Ziele der Erfindung besteht darin, auf einer Herabsetzung der Ausgangsabgastemperatur, wie beispielsweise bei den Stationen 9 und 10 einzuwirken. Der Gesamterfolg dieser Bemühungen würde zur Beseitigung des Vorerhitzerrades führen. Wenn jedoch die Beseitigung des Vorerhitzers einen langsameren Betrieb der Energieanlage bewirkt, so kann die Erfindung am besten angewendet werden, um die Grosse

- . 60981 2/"0337

des Vorerhitzers zu verringern, die Vorerhitzerbelastung und die Kosten, die Geschwindigkeit der Wärmerückgewinnung herabzusetzen. Wichtiger ist jedoch, dass die Abgasverluste geringer sind, die Verluste durch Hilfseinrichtungen geringer sind, da die Luftpumpenergie herabgesetzt ist und mit Sicherheit können Kühlverluste verringert werden, da weniger Energie des Kühlgases an das Kühlwasser abgegeben wird, während die Temperatur der kalten Seite angemessen niedrig gehalten wird.

Vom Handelsüblichen abweichende Konstruktionen (Design tradeoffs) werden durch die Erfindung vereinfacht. Derartige Konstruktionsänderungen (tradeoffs) können gemacht werden, um die Spitzenarbeitstemperaturen der Kraftstoffzufuhr und die Kosten für den gleichen Netto-Energieausstoss zu beeinflussen. Durch Verbesserung des Wärmeüberträgungsausmasses in dem Heizkopf und unter Verwendung der Erfindung kann die Spitzenarb eirstemperatur des Heizkopfes verringert werden_foder die Kraftstoffzufuhr kann eingestellt werden.

Die Daten der Tabelle I erläutern, dass ein anderes Ziel der Erfindung erreicht wurde. Dies kann am besten durch Vergleich der Fig. 10 und 11 erklärt werden. Die maximale Arbeitstemperatur in der Heizkopfanordnung wird herabgesetzt, wodurch die Kriechgrenze auf dem Rohrmaterial verringert wird und dadurch entweder höhere Arbeitsdrücke in dem geschlossenen System oder weniger kostspielige Materialien und/oder Stärken für die Heizrohre ermöglicht werden. Der Nettoenergieausstoss bleibt praktisch der gleiche für die erfindungsgemässe Ausführung (Fig.11) im Vergleich zu der nach dem Stand der Technik (Fig. 10). In diesen Figuren sind die verschiedenen Energieniveaus schematisch wiedergegeben. Die aus dem Motor entnommene Bruttokraftenergie ist im allgemeinen gleich der Brennstoffzufuhrenergie abzüglich des Verlustes an Energie auf Grund von Kühlung und Abgabe im Abgas.

Q Bruttoenergie = Q Kraftstoffzufuhr - ^Q Abgas + Q Kühlsystem/ Bei äquivalenten Kraftabgaben sind die Energieverluste auf Grund

609812/0337

von Kühlung und Abgasausstoss wenigerunädie Energie der Brennstoffzufuhr kann geringer sein. Die maximale Heizkopftemperatur ist um etwa 230° 0(450° F) geringer ; jedoch i,st die an das geschlossene Gassystem übertragene Energie (zwischen den Stationen 8 und 9) praktisch die gleiche.

Der Wärmequellenkreis und die Temperatur darin ist etwas abhängig vom Mengenstrom; in gleicher Weise variiert der Druck darin in Abhängigkeit von der Arbeitsgeschwindigkeit. Daher gibt Tabelle II lediglich für die Konstruktion nach dem Stand der Technik die Veränderung hinsichtlich des Mengenstroms und Differenzen der Temperatur als Ergebnis des Motorbetriebs bei Teilgeschwindigkeit (30 m/Stunde) und bei Leerlaufbedingungen wieder.

609812/0337

	Stelle	-000	Upm	Technik)	P	,98	(14)	Tabelle I	Upm	mit modifi-	in ₍LB X₁	⁰C Vf)	P 2 kg/cm (psi)	(14)
		vStai	id der	f	J- 0 kg/cm (psi)	,98	(14)	4000	Lndung	ziertem Vorerhitzer)	(1830)	38 (100)	0,98	(13)
				⁰C (⁰J?)	0	,98	(14)	(Erf:		kg/h	((47O)	327 (620)	0,91	(13)
			in	38 (100)	0	,20	(17)		825	(2300)	104 (220)	0,91	..(17)
	Λ i	825	(1830)	338 (640)	0	,20	(17)		213	(2300)	127 (260)	1,20	(16)
	2	213	(470)	104 (220)	1	,12	(16)		1040	(23ΟΟ)	127 (260)	1,12	(16)
	3	1040	(2300)	132 (270)	1	,12	(16)	1040	(23ΟΟ)	682(1260)	1,12	(16)
	4	1040	(2300)	132 (270)	1	,05	(15) '	1040	(2300)	682(1260)	1,12	(15)
		1040	(2300)	882(1620)	1	,05	(15)	1040	(237Ο)	1670(3070)	1,05	(15)
CD co	6	1040	(2300)	882(1620)	1	,05	(15)	1040	(237Ο)	838(1540)	1.05	(15)
co-	7	1040	(2300)	1925.(3500)	1	,98	(14)	1080	(237Ο)	838(1540)	1,05	(14)
ΓΟ	8	1090	(2400)	1027(1880)	1	,98	(14)	1080	(237Ο)	327 (620)	0,98	(14)
Ο	9	1090	(2400)	1027(1880)	0	»98	(14)	1080	(47O)	327 (620)	0,98	(14)
GJ»	10	1090	(2400)	338 (640)	0	1080	(I9OO)	121 (250)	0,98
—I	11	1090	(2400)	338 (640)	0	213
	12	21.3	(470)	127 (260)'	862
	13	874	(1930)

Tabelle I (Fortsetzung)

Stelle

ο co co

4000 Upm

(Erfindung unter Weglassung des Vorerhitzers)

	&	kg/h	(1830)	1	⁰C	38	(⁰P)	(720)	P	(14)
	825	(470)	382	(100)			(14)'
1	213	(2300)	104	(720)	(720)	kg/cra (psi;	(14)
2	1040	(2300)	138	(220)	(720)	0,98	(17)
3	1040	(2400)	138	(280)	(280)	0,98	(16)
4 5	1090	(2500)		(280)	0,98	(16)
- 6 7	1130	(2500)	1910(3470)	1,20	(16)
8	1130		382	1,12
9		(2030)		1,12	(14)
10	919	(470)	382	1,12	C14)
11	213	(1930)	382		C14)
12	874	138^:	0,98
13		0,98
	0,98

-ν] I

OJ CO CjJ

09

CL, O

V"

ννννννννν

0003COCOOOOOCOCOOOOOOOaDCO

er« CT^ ctn er* CTN er» er* ctn er* er* er» cr> ctn ooooooooooocTcT

OOOQQOOOOOOO

QQ

s- KN W fvJ CM rT\ (Λ ΙΛ

v^ v_^ ^^ v^ KS V" S" CU

CO vD ir\ \s\ \s\

KA^rv-r

s- s- s-s-

tc\ CvJ

r-l I—I

CJ

CvJ

B
O

OU

OO OOOOOOOOOOO COs-OOOOOOOOOs-C^ ^s- OJCv)OJCMOJCvJ OJ ' CM OJ s~ ν-χ

ΝΛ O O- O- O- O- C--- !>- O- O- O- CTn CO

■^D Cn O O O O O O O O O CTN O

N"4 f (

COCOOOOOCOOOOOCOCOOOOOOOCO CJn CJN CTn CTn ON CTn CJn CJn CJn CJn CJn CJn CTn

OOOOOOOOOOOOO

CvI

•a ο \

U)

OOOOOOOOOOOOO OCUCUCMCvlCOCOOCOCOOJCMOJ

AflfIC\lAft[AfflAC\J

[
S^- CM

CO

OO44
s-s-O-O-

<t^v£DO O-O-s-s~s-

QOOOOOOOOOOOO

ΓΓ(\Ι(\ΐηΐ(\1(\1ΙΛΙΛΐΛ|Γ\ΓΓ

S^COCUCviCUCMOJvDvDvOvD V0V0 KNKNfr\K>KNKNK\KNK\

fH
O)
-i-J

609812/0337

Claims

Patentansprüche

Keissgasmotor mit wenigstens einem Hochtemperaturraum und wenigstens einem Niedertemperaturraum, einem Hochdruckgas in den Räumen und Mitteln zur gegenseitigen Verschiebung des unter hohem Druck stehenden Gases zwischen den Räumen, einerVorrichtung zur Übertragung von Wärme auf das Hochdruckgas und zur Isolierung seines Wärmeinhalts in eine Verschiebungszone des Gases, gekennzeichnet durch

(a) eine zur Erzeugung eines erhitzten Mediums innerhalb einer ersten Position wirksame Wärmequelleneinrichtung und

(b) Bauteile, die warmelextende Durchgänge begrenzen, welche die Räume miteinander verbinden und durch die das unter hohem Druck stehende Gas zur Verschiebung hindurchgeht, wobei die Durchgangseinrichtung in einer Reihe darin angeordnete Wärmespeicher aufweist, wobei Teile der Durchgänge, die insbesondere zwischen den Speichern angeordnet sind und Teile, die vor dem ersten Speicher angeordnet sind, durch die erste Position zur Aussetzung gegenüber dem erhitzten Medium geführt sind.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangseinrichtung durch dünnwandige metallische Röhren begrenzt ist, wobei die Röhren zusammengefasst sind, so dass sie sich praktisch quer zur Bewegung des erhitzten Mediums dort entlang erstrecken, wobei die Röhren eine glatte zylindrische Konfiguration frei von Wärmeübertragungsrippen aufweisen.

Vorrichtung nach Anspruch Λ oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Räume ferner jeweils eine sich davon erstreckende langgestreckte Sammelleitung aufweisen, wobei jede Sammelleitung einen Wärmespeicherabschnitt und einen nicht-speichernden Abschnitt enthält, die Durchgangseinrichtung eine Mehrzahl unabhängiger Rohre umfasst, die sich zwischen im Abstand befindlichen Positionen der Sammelleitung er-

609812/0337

strecken, wobei ein Ende jedes Rohrs mit dem Speicherabschnitt und ein gegenüberliegendes. Ende mit einem nichtspeichernden Abschnitt verbunden ist.

4-. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sammelleitung mehr als einen Wärmespeicherabschnitt enthalten kann.

5· Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher aus einem Netzwerk feiner metallischer Stränge mit einem Durchmesser von etwa 0,05 nun besteht, wobei der Draht zu einem Nest eng zusammengedrückt ist, um praktisch den von der Wand des Speichers mitgenommenen Raum auszufüllen.

6. Vorrichtung nach Anspruch Λ bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckgas in dem Niedertemperaturraum bei " einer im allgemeinen gleichförmigen niedrigen Temperatur eine Kompression erfährt, wobei das Gas von dem Niedertemperaturraum zu dem Hochtemperaturraum durch die Durchgangs einrichtung bei konstantem Volumen verschoben wird, während es einer Zunahme der Temperatur als ein Ergebnis zurückgeführter Wärme zu dem Gas aus dem Wärmespeicher unterliegt, wobei das Gas einer Expansion in dem Hochtemperaturraum unterzogen wird, während es bei einer im allgemeinen gleichförmigen Temperatur vorliegt und das Gas durch die Durchgangseinrichtung zurückgebracht wird, wobei wesentliche Anteile des Wärmeinhalts an den Speicher zum Wiedereintritt in den Niedrigtemperaturraum abgegeben werden.

7· Verfahren zum Betrieb eines ein Arbeitselement aufweisenden Heissgasmotors vom Stirling-Typ, dadurch gekennzeichnet, dass

(a) wenigstens ein Hochtemperaturraum und wenigstens ein Niedertemperaturraum vorgesehen werden, die durch eine tfOKchlocoene Durchgangseinrichtung mit einer Mehrzahl K»;l,ronnlorWüriricapoicher verbunden sind, wobei die

609812/0337

Durchgangseinrichtung und die Räume ein geschlossenes Hochdrucksystem begrenzen, in dem Wasserstoff enthalten ist, eine konstante Wärmequelle vorgesehen wird,

(b) das geschlossene Gas in dem Niedertemperaturraum während es sich bei einer Temperatur im Bereich von 60 bis 120PC befindet, komprimiert wird,

(c) Teile der Durchgangseinrichtung vor dem letzten Wärmespeicher der konstanten Wärmequelle ausgesetzt werden,

(d) das komprimierte Gas^während es sich bei im allgemeinen konstanten Volumen befindet,von dem Niedertemperaturraum zu dem Hochtemperaturraum verschoben wird, wobei das komprimierte Gas durch Jeden der Wärmespeicher geführt wird,

(e) das Gas in dem Hochtemperaturraum bei einer erhöhten Temperatur von etwa 788° C (1450° F) zum Antrieb des Arbeitselementesdes Motors expandiert wird und

(f) das expandierte Gas durch die Durchgangseinrichtung bei im allgemeinen konstantem Volumen unter Freigabe des Wärmeinhalts an die Speicher verschoben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7» bei dem die konstante Wärmequelle ein Strömungssystem umfasst, in dem ein Gebläse Umgebungsluft in das System ansaugt und längs eines Kreislaufs führt, wobei das System- eine Zone aufweist, in die ■ ein brennbares Gemisch zur Herbeiführung von Flammverbrennung eingeführt wird und das System die Produkte der Flammverbrennung teilweise an die Atmosphäre freigibt und ein Teil davon zur Ansaugöffnung des Gebläses zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesetzten Durchgangsteile in dem System unmittelbar stromabwärts der Verbrennungszone angeordnet sind, der Mengenstrom des Systems in der oder angrenzend an die Zone, in die sich die ausgesetzten Durchgangsteile hineinerstrecken, im Bereich von 136 bis 1360 kg/h (300 bis 3000 lbs.-per hour) je aaoh der Motorgeschwindigkeit liegt und die Temperatur darin im Bereich von 1650 bis 1925° C (3000 bis 3500° F) liegt, woboi die Temperatur des Mengenstroms stromabwärts der ausge-

609812/0337

setzten Durchgangsteile auf den Bereich von 316 bis 382° C (600 bis 725° F) herabgesetzt wird,

609812/0337

Leerseite