DE2706728A1

DE2706728A1 - Waermetauscher fuer einen stirlingmotor, insbesondere fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE2706728A1
Application number: DE19772706728
Authority: DE
Inventors: Thomas F Dunlap; Lowell A Reams
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1976-04-05
Filing date: 1977-02-17
Publication date: 1977-10-06
Also published as: BR7702025A; CA1065145A; NL7703719A; SE7701500L; JPS52125960A; ES457521A1; GB1579692A; US4085588A

Description

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Betreff

Wärmetauscher für einen Stirlingmotor, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für einen Stirlingmotor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, der überschuflwärme aus dem zur Erhitzung eines geschlossenen Arbeitsmittelkreises, vorhandenen offenen Brennerkreis zur Vorwärmung der Brennerluft heranzieht.

Die im Hinblick auf die immer schärfer werdenden Abgasbestimmungen in den letzten Jahren intensivierten Bemühungen, den seit langem bekannten Stirlingmotor für die Anwendung in Kraftfahrzeugen gezielt weiter zu entwickeln, stellten die Entwicklungsingenieure vor beachtliche Probleme, wie z. B. : der unbedingt erforderlichen Verringerung des Gewichts und der Größe sowie die notwendige Erhöhung der Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit eines Stirlingmotors.

Zur Lösung eines dieser Probleme, der Wirtschaftlichkeit, war bei stationären Stirlingmotoren bereits die Anwendung von Wärmetauschern bekannt, die eine Verschwendung von Wärme aus dem Brennerkreis durch die Ausnützung der überschuflwärme der Abgase zur Vorwärmung der Brennerluft vermieden. Die hierfür benutzten, schweren Wärmetauscher aus Stahl waren jedoch für eine Anwendung in Kraftfahrzeugen

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Sitz der Gesellschaft: Köln Registergericht Köln, HRB 84 Vorsitzender des AufsicMsrates: Hans Schaberger Vorstand: Robert A. Lutz. Vorsitzender

Horst Bergernann Franz J. Bohr WakJemar Ebers WHnekn Inden Alfred Langer Stellvertretend: Hans Wühetm GSb - Paul A. Gucket ■ Hans-Joachim Lehmann - Peter Weiher

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ungeeignet und wurden daher zunächst durch rotierende Wärmetauscher aus keramischen Wabenkörpern ersetzt, die sich bereits bei der Anpassung von Gasturbinen für die Anwendung in Kraftfahrzeugen bewährt hatten.

Obwohl diese Art von Wärmetauschern bereits eine beachtliche Verbesserung ermöglichten, wiesen diese noch eine Reihe von Nachteilen, wie z. B. Energieverluet durch den Antrieb des Wärmetauschers; Abdichtungsschwierigkeiten des sich drehenden Wärmetauschers und der sich daraus ergebenden Verschleiß- und Geräuschprobleme und insbesondere eine ungleichmäßige Wärmeübertragung auf die Erhitzerrohranordnung durch eine einseitige Zufuhr von vorgewärmter Brennerluft zum Brennerkreis auf.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die oben erwähnten Nachteile vermieden werden.

Darüber hinaus soll der erfindungsgemäße Wärmetauscher einfacher und robuster im Aufbau und billiger in der Herstellung sein, einen geringeren Druckabfall im Brennerkreis ermöglichen und eine bisher erforderliche Isolierung der die Erhitzerrohranordnung aufnehmenden Brenner kammer nach außen entbehrlich machen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem ein Wärmetauscher der eingangs genannten Art die Kombination der im Patentanspruch 1 aufgezeigten Merkmale aufweist. Die in den Patentansprüchen 2 bis 10 aufgezeigten Merkmale beziehen sich hierbei im wesentlichen auf besonders zweckmäßige Ausführungedetails.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Wärmetauschers als einen feststehenden, ringförmigen Wabenkörper aus hitzebeständigem,

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. fr.

keramischem Material und dessen konzentrischer Anordnung zur Achse der Erhitzerröhrenanordnung und den Aufbau des ringförmigen Wabenkörpers aus abwechselnd geschichteten , Wände erster Kanäle bildenden Scheiben und Wände zweiter Kanäle bildenden Scheiben, wobei der Lufteinlaß mit den Eintrittsenden der ersten Kanäle und deren Auetrittsende mit dem Brenner eingang und der Brennkamme rausgang mit dem Eintrittsende der zweiten Kanäle und deren Austritteende mit dem Abgasauslaß verbunden sind, wird ein Kreuz Stromwärmetauscher geschaffen, bei dem die Abgase radial abströmen können und in intensivem Wärmeaustausch mit der zunächst axial einströmenden Brennerluft gelangen, die hierauf radial von allen Seiten gleichmäßig dem Brenner zugeführt wird. Durch die vom Brenner der Brennkammer mittig und axial zugeführten Verbrennungsgase wird eine gleichmäßige Wärmeübertragung auf die in der Brennkammer konzentrisch angeordneten Erhitzerrohre ermöglicht. Der hierbei konzentrisch zur Brennkammer angeordnete, ringförmige Wabenkörper des Wärmetauschers macht hierbei eine besondere Isolierung der Brennkammer nach außen entbehrlich.

Die Erfindung wird anhand eines in der beiliegenden Zeichnung gezeigten Ausführungebeispieles näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch die Erhitz er kopfanordnung eines

Stirlingmotors mit einem erfindungsgemäß angeordneten Wärmetauscher.

Fig. 2 eine Draufsicht auf den ringförmigen Wabenkörper des er fin dung 8-g em äßen Wärmetauschers.

Fig. 3 einen Schnitt durch zwei aufeinander geschichtete Scheiben des

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erfindungsgemäöen Wärmetauschers entlang der Linie 24 in Figur 2.

Ein in den Figuren 1 bis 3 gezeigtes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel weist einen externen Brennerkreis mit im wesentlichen folgenden Bereichen auf: einem Lufteinlaö A, einem Abgasauslaß B, einem Brenner C, einer Brennkammer D und einem konzentrisch angeordneten Wärmetauscher £. Der externe Brennerkreis ist während eines Betriebes des Stirlingmotors ständig im Betrieb. Die vom externen Brennerkreis erzeugte Wärme wird über eine Erhitzer rohranordnung F einem geschlossenen Arbeitsmittelkreis zugeführt, der nachdem dem Stirlingmotor zugrundeliegenden Prinzip eine Arbeitsleistung abgibt.

Dem Lüfteinlaß A wird normalerweise Brennerluft über ein Gebläse (nicht gezeigt) zugeführt. Das Gebläse saugt hierbei Luft mit Umgebungstemperatur von etwa 37 C oder darunter an und erhöht deren Temperatur durch die Kompressions wirkung auf etwa 65 C. Wird hierbei eine Abgasrückführung angewendet, bei der die angesaugte Luft mit einem bestimmten Anteil Abgas vermischt wird, so erhöht sich die Temperatur der Brennerluft bei einer Abgastemperatur von etwa 340 C auf etwa 130 C. Typische Strömunge- und Temperaturverhältnisse an verschiedenen in Fig. 1 mit Bezugszeichen in Kreisen angegebenen Punkten des externen Brennerkreises werden in der folgenden Tabelle bei 4000u/min aufgezeigt:

inkt	kg/h	°C
1	1043	132
2	1043	132
3	1043	882
4	1088	1926
5	1088	1026
6	1088	1026
7	1088	337

kg/

cm

1.19 1.19 1.12 1.05 1.05 1,05 0.98

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Der Lufteinlaß A besteht im wesentlichen aus einem ringförmigen Blechmantel 10, der Luft zum Eintrittsende 11 der ersten Kanäle des Wärmetauschers 12 führt. Der Lufteinlaß A wird hierbei an einer Seite von einer isolierten Wand 13 des geschlossenen Arbeitskreises gebildet. Die in den Lufteinlaß A gelangende Luft wird über axial und parallel zur Achse 14 verlaufende erste Kanäle 15 innerhalb des Wärmetauschers 12 nach oben geführt, wo sie vorgewärmt an den Austrittsenden 16 der ersten Kanäle 15 austritt. Ein konischer Mantel 17 lenkt die vorgewärmte Luft radial nach einwärts, wo sie von allen Seiten einem Brenner C zuströmt. Die vorgewärmte Brennerluft wird im Brenner C Über ein in das Brennergehäuse 44 einragendes Kraftstoffeinspritzelement 47 mit Kraftstoff vermischt und über ein ebenso einragendes Zündelement 46 gezündet. Die Verbrennungsgase gelangen über den Brennerausgang 19 in die Brennkammer D. Den Boden 20 der Brennkammer D bilden hierbei die Wandungen der sogenannten heißen Räume 50, während die Decke der Brennkammer D von einer Isolierung 43 gebildet wird. Am Umfang der Brennkammer D ist eine Erhitzerröhrenanordnung F angeordnet, die aus einer Anzahl zylindrischer, hitzefester Rohre 55 mit einem sich im wesentlichen nach oben erstreckenden Strang 55 a, einer Krümmung 55 b und einem sich im wesentlichen horizontal erstreckenden Strang 55 c bestehen. An den sich hierbei horizontal erstreckenden Strängen 55 c sind hierbei geeignete Metallamellen zur Erhöhung des Wärmeüberganges vorgesehen.

Die axial in die Brennkammer D eintretenden Verbrennungsgase werden radial umgelenkt und gelangen über den Brennkammerauegang tu den Eintrittsenden 21 der zweiten Kanäle 22 des Wärmetauschers 12, über die sie in radialer Richtung zu den Austrittsenden 23 der zweiten Kanäle 22 geführt werden, wo sie in den Abgasauslaß gelangen.

Der innere Umfang des ringförmigen Wärmetauschers 12 aus hitzebeständigem, keramischem Material bildet hierbei die äußere Begrenzung der Brennkammer D. Das keramische Material wird hierbei so

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ausgewählt, daß es Temperaturen im Bereich von 1100 C und Drücke im Bereich von 14 kg/cm aushalten kann. Ein keramisches Material, das diese Ansprüche erfüllen kann, besteht z. B. aus Magnesium-Aluminium-Silikat oder Lithium-Aluminium-Silikat.

Der ringförmige Wärmetauscher 12 besteht aus einzelnen, abwechselnd geschichteten Scheiben, die erste Kanäle 15 und zweite Kanäle 22 bilden (siehe Fig. 2). Die ersten Kanäle 15 erstrecken sich hierbei axial und parallel zur Achse 14, während sich die zweiten Kanäle 22 radial zur Achse 14 erstrecken. Die Luftströmung in den ersten Kanälen 15 erfolgt somit axial, während die Abgas strömung in den zweiten Kanälen 22 radial erfolgt. Der auf diese Weise gebildete Kreuzstrom-Wärmetauscher 12 mit seiner Wabenstruktur sorgt für einen guten Wärmeübergang.

Nachfolgend wird ein typisches Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers sowie dessen mögliche Dimensionen aufgezeigt:

Nach Auswahl eines geeigneten, keramischen Materials, wie Lithium-Aluminium-Silikat, wird dieses mit Kunstharzen zu einem plastischen Brei vermischt. Ein aus diesem Brei gespritzter Strang wird in dünne Scheiben von der Abmessung des radialen Querschnitts 24 des Wärmetauscher β 12 geschnitten und die einzelnen Scheiben durch Pressen in entsprechenden Formen mit eine Vielzahl von Wänden bildenden Rippen 25 versehen. Die auf diese Weise hergestellten Scheiben werden hierauf abwechselnd geschichtet, derart, daß die die Rippen 25 tragende Basiswand 26 einer Scheibe gegen die Stirnkanten 25 a der Rippen 25 der nächsten Scheibe liegen und auf diese Weise geschlossene Kantle 15 bzw 22 bilden. Die auf diese Weise geschichteten Scheiben werden hierauf in einer Haltevorrichtung einem Sintervorgang unterworfen, dessen Temperatur ausreichend hoch ist, um die Kunstharze zu verdampfen und eine feste keramische Verbindung der Stirnkanten 25 a der einen Rippen 25

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mit der Oberfläche 27 der Basiswand 26 der nächsten Scheibe herzustellen.

Ein typischer Wärmetauscher 12 für einen etwa 170 PS leistenden Stirlingmotor weist einen äußeren Durchmesser 28 von etwa 457 mm, einen inneren Durchmesser 29 von etwa 330 mm, eine radiale Breite 30 von etwa 63 mm und eine axiale Höhe 31 von etwa 152 mm auf. Die Höhe 32, der Abstand 33 voneinander und die Dicke 34 der Rippen 25 sind für die Auslegung der Porosität des Wärmetauschers 12 von besonderer Bedeutung. Der ringförmige Wärmetauscher 12 wird vorzugsweise in einzelne Ringsektoren 60 und 61 aufgeteilt, die an ihren Enden 62 miteinander verbunden werden. Als Verbindungsmaterial wird hierbei ein Material gewählt, das Temperatur spannungen im Wärmetauscher 12 während hoher Betriebstemperaturen vermeiden kann. Als Verbindungsmaterial kann hierbei eventuell das gleiche Material wie für den Wärmetauscher gewählt werden. In manchen Fällen ist ein Aneinanderliegen der Ringsektoren ohne Verbindungsmaterial möglich.

Es hat sich gezeigt, daß, um einen gewünschten Druckabfall im Wärmetauscher 12 zu erzielen, das Verhältnis von Abstand 33 zur Höhe 32 der Rippen 25 zwischen 1 : 1 und 2 : 1 liegen soll. Das Verhältnis von Abstand 33 zu Höhe 32 der Rippen 25 ist hierbei je nach radialer Lage der ersten Kanäle 15 unterschiedlich, während es bei den zweiten Kanälen 22 über deren gesamte Länge gleichbleibt.

Um z. B. bei einem Stirlingmotor unter Vollast einen erwünschten Druckabfall von 0,0047 kg/cm zu erzielen, ist es erforderlich, einen Wärmetauscher 12 derart auszulegen, daß dieser sowohl für die ersten Kanäle als auch für die zweiten Kanäle eine Porosität von etwa 70 Offnungen pro ein aufweist. Die Rippen 25 weisen hierbei etwa eine Höhe von 0, 6 mm und eine Dicke von 0, 15 bis 0, 25 mm auf und der Abstand der Rippen beträgt bei einem Verhältnis von Höhe zu Abstand von etwa 1:1 ungefähr

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O₁ 7 mm. Soll der Druckabfall verringert werden, so kann ein Verhältnis von 2 : 1 von Abstand zu Höhe der Rippen für die zweiten Kanäle 22 gewählt werden.

Um die verschiedenen Strömungswege im Kreuz strom-Wärmetauscher 12 voneinander zu trennen, sind Ringdichtungen 35, 36, 37 und 38 entlang der vier Ringkanten des ringförmigen Wärmetauschers 12 angeordnet. Die Ringdichtungen 35 und 36 sind hierbei an den oberen Ringkanten und die Ringdichtungen 37 und 38 sind an den unteren Ringkanten angeordnet. Solche Dichtungen können mit geringen Kosten aus keramischem Material, wie Aluminium- oder Siliciumoxyd gebildet werden. Eine bevorzugte Ausführung einer statischen Ringdichtung besteht hierbei aus einem keramischen Strang, der durch Flechten oder Weben hergestellt wird und innerhalb einer Hülle aus einer verformbaren Metallfolie wie ζ. Β. einer rostfreien Stahlfolie angeordnet ist. Die auf diese Weise gebildeten Ringdichtungen werden über entsprechende Flansche an den benachbarten Blechbauteilen in dichter Anlage gegen den ringförmigen Wärmetauscher 12 gehalten. Die Abstützung des Wärmetauschers 12 erfolgt somit nur über vier feststehende Ringdichtungen, wodurch keinerlei Verschleiß- und Geräuschprobleme auftreten können. Darüber hinaus bleibt durch diese Anordnung der Ringdichtungen der grollte Teil des Wärmetauschers 12 frei für die Strömung von Luft bzw Abgas.

Der Abgasauslaß D weist einen zylindrischen Blechmantel 40 auf, der die in radialer Richtung über den gesamten Umfang des Wärmetauschers 12 austretenden Abgase in dem ringförmigen Raum zwischen dem Blechmantel 40 und dessen oberen und unteren Flanschen 41 und 42 zusammenfaßt und zu einer seitlichen Auslaßöffnung 49 führt.

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Leerseite

Claims

Ford / US-841 / 4. Februar 1977 Patentansprüche

Wärmetauscher für einen Stirlingmotor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, der Überschußwärme aus den zur Erhitzung eines geschlossenen Arbeitsmittelkreises vorhandenen, offenen Brennerkreis zur Vorwärmung der Brennerluft heranzieht, gekennzeichnet durch die Kombination folgender, zum Teil an sich bekannter Merkmale:

a) Ein Lufteinlaß (A) führt Luft in den Brennerkreis;

b) Ein Abgasauslaß (B) führt Abgas aus dem Brennerkreis;

c) Ein Brenner (C) führt der Luft Kraftstoff zu und verbrennt das Kraftstoff-Luft-Gemisch kontinuierlich;

d) Eine Brennkammer (D) erhält die Verbrennungegase zugeführt und weist eine Erhitzerröhrenanordnung (F) auf, die den Verbrennungegasen eine bestimmte Wärmemenge entzieht und dem geschlossenen Arbeitsmittelkreis zuführt;

e) Ein Wärmetauscher (12) besteht aus einem feststehenden, ringförmigen Wabenkörper aus hitzebeständigem, keramischem Material und ist konzentrisch zur Achse (14) der Er hitzerr Öhrenanordnung (F) angeordnet, weist Wände erster Kanäle (15) bildende Scheiben und Wände zweiter Kanäle (22) bildende Scheiben abwechselnd geschichtet auf, wobei der Lufteinlaß (A) mit den Eintrittsenden (11) der ersten Kanäle (15) und deren Auetrittsenden (16) mit dem B renne reingang und der Brennkammer ausgang mit den Eintrittsenden (21) der zweiten Kanäle (22) und deren Austrittsenden (23) mit dem Abgasauslaß (B) verbunden sind.

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2. Wärmetauscher nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß der konzentrisch angeordnete, ringförmige Wabenkörper (12) in getrennte, ringsektorförmige Elemente (60 und 61) aufgeteilt ist, die über ein Wärme spannungen verminderndes Material (62) miteinander verbunden sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da/3 die Luftströmung in den ersten Kanälen (15) im wesentlichen parallel zur Achse (14) und die Abgasströmung in den zweiten Kanälen (22) im wesentlichen radial zur Achse (14) verläuft.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Zylinderwandung des ringförmigen Wabenkörpers (12) gleichzeitig die äußere Wandung der Brennkammer (D) bildet.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Kanäle (22) über ihre Länge gleichbleibenden Querschnitt und Wände von etwa 0, 7 mm Dicke aufweisen und die ersten Kanäle (15) entsprechend ihrer radialen Lage unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Wabenkörper (12) an seinen vier Ringkanten über keramische R ing dichtung en (32, 36 und 38, 35) zwischen dem Lufteinlai) (A) und dem Abgaeauslafl (B) und zwischen dem Brennereingang und dem Brennkamm er ausgang abgedichtet ist.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Ringdichtungen (32, 36 und 35, 38) aus einem Kern aus geflochtenem Keramikmaterial innerhalb einer Hülle aus verformbarer Metallfolie bestehen.

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8. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Ringdichtungen (32, 36 und 35, 38) statische Dichtungen mit geringer Verschleißfestigkeit aber hoher Temperaturbeständigkeit bis etwa 1100 C sind.
9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Kanäle (22) aus keramischen Scheiben mit sich nach einer Richtung erstreckenden, gleich hohen Rippen (25) gebildet sind, die gegen die ersten Kanäle (15) bildende keramische Scheiben mit entsprechend ihrer radialen Lage unterschiedlich hohen Rippen (25) liegen und die Rippen eine Dicke von etwa 0, 1 bis 0, 25 mm aufweisen.
10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die Porosität des ringförmigen Wabenkörpers (12) etwa siebzig öffnun

trägt.

Öffnungen pro cm mit einem Querschnitt von etwa 0, 38 mm be-

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