DE2713174A1

DE2713174A1 - Waermetauscher fuer einen stirlingmotor, insbesondere fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE2713174A1
Application number: DE19772713174
Authority: DE
Inventors: Thomas F Dunlap; Robert K Fenzan; Lowell A Reams
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1976-04-05
Filing date: 1977-03-25
Publication date: 1977-10-13
Also published as: NL7703720A; ES456971A1; CA1065144A; GB1579693A; BR7702026A; US4077215A; JPS52125961A; SE7701501L

Description

Ford / US-842 / 22. März 1977

Z/DR-2 Sp uk Patentanmeldung Wärmetauscher für einen Stirlingmotor, insbesondere für Kraftfahrzeuge

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

Die im Hinblick auf die immer schärfer Mierdaidm 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 Über schußwärme der Abgase zur Vorwärmung der Brennerluft vermieden. Die hierfür benutzten schweren Wärmetauscher

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aus Stahl waren jedoch für eine Anwendung in Kraftfahrzeugen ungeeignet und wurden daher zunächst durch rotierende Wärmetauscher aus keramischen Wabenkörptrn ersetzt, die sich bereits bei der Anpassung von Gasturbiner für die Anwendung in Kraftfahrzeugen bewährt hatten.

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

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 robust im Aufbau und billig in der Herstellung sein, einen geringen Druckabfall im externen Brennerkreis ermöglichen und mechanische Belastungen des Wärmetauscher-Wabenkörper s sowie Verschleiß- und Geräuschprobleme, wie sie durch reibende Dichtungen hervorgerufen werden, vermeiden.

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 im wesentlichen auf bevorzugte , die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers verbessernde Einzelheiten.

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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Wärmetauschers als feststehenden Wabenkörper aus hitzebeständigem, keramischen Material und seine Anordnung am Umfang der Erhitzerröhrenanordnung sowie durch seinen Aufbau aus abwechselnd geschichteten, Wände erster Kanäle bildender Scheiben und Wände zweiter Kanäle bildender Scheiben, wobei der Lufteinlaß mit den Eintrittsenden der ersten Kanäle und deren Ausstrittsenden mit dem Brennereingang und der Brennkammerausgang mit den Eintrittsenden der zweiten Kanäle und deren Austrittsenden mit dem Abgasauslaß verbunden sind, wird ein Kreuzstrom-Wärmetauscher geschaffen, mit dessen Hilfe die Wirtschaftlichkeit eines Stirlingmotors beachtlich erhöht werden kann, ohne daß hierdurch eine Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit und Robustheit in Kauf genommen werden muß.

In bevorzugter Weise wird hierbei der keramische Wabenkörper aus vier getrennten, quaderförmigen Elementen gebildet, die in ihrem Aufbau besonders robust und billig in ihrer Herstellung sind und durch ihre am Umfang der Erhitzerröhrenanordnung liegende Anordnung mit aneinander stoßenden vertikalen Seitenkanten dennoch eine ungleichmäßige Wärmeübertragung auf die Erhitzerröhrenanordnung durch eine einseitige Zufuhr von vorgewärmter Brennerluft zum Brennerkreis vermei den.

Die Erfindung wird anhand eines in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch den externen Brennerkreis eines Stirlingmotors mit einem Wärmetauscher gemäß der Erfindung.

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Fig. 1 a einen vergrößerten Schnitt durch den Wabenkörper in dem in Fig. 1 mit einem Kreis lagezeigten Bereich.

Fig. Ib einen vergrößerten Schnitt durch eine Dichtungsanordnung in dem in Fig. 1 mit einem Kreis 1 b gekennzeichnten Bereich.

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Stirlingmotor mit der Wärmetauscheranordnung und

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2.

Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte bevorzugte Ausführungsform des äußeren Brennerkreises eines Stirlingmotors weist im wesentlichen folgende Bereiche auf: Einen Lufteinlaß A, einen Abgasauslaß B, einen Brenner C, eine Brennkammer D und einen etwa ringförmig angeordneten Wärmetauscher E. Der externe Brennerkreis befindet sich während eines Betriebes des Stirlingmotors ständig in Betrieb. Die vom externen Brennerkreis erzeugte Wärme wird über eine Erhitzerröhrenanordnung F einem geschlossenen Arbeitsmittelkreis zugeführt, der entsprechend dem bekannten Prinzip des Stirlingmotors eine Arbeitsleistung abgibt.

Dem Lufteinlaß A wird normalerweise Luft von einem Gebläse (nicht gezeigt) über einen Kanal 56 (siehe Fig. 2) zugeführt. Das Gebläse saugt hierbei Luft mit Umgebungstemperatur von etwa 37 C oder niedriger an und erhöht die Temperatur der Luft durch die Kompressionswirkung auf etwa 65 C. Wird zusätzlich hierzu eine Abgasrückführung vorgenommen, so wird die angesaugte Luft bei einer Abgastemperatur von etwa 340°C auf 130°C aufgeheizt.

Die in einem in Fig. 1 gezeigten externen Brennerkreis an verschiedenen Punkten, die mit einem Bezugszeichen in einem Kreis versehen sind,

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auftretenden typischen Strömungsmengen und Temperaturen sind in der nachfolgenden Tabelle bei 4000 U/min angegeben:

Punkt ■	* kg A	°C	kg/cm
1	1043	132°	1.19
2	1043	132°	1, 19
3	1043	882°	1.12
4	1088	1926°	1,05
5	1088	1026°	1, 05
6	1088	1026°	1.05
7	1088	337°	0.98

Der Lufteinlafl A wird im wesentlichen aus einem Blechmantel 10 gebildet, der mit einer Gebläseleitung 11 in Verbindung steht. Der Blechmantel 10 ist hierbei ringförmig ausgebildet und lenkt die zunächst vertikal einströmende Brennerluft horizontal derart um, daß sie die nach außen gerichteten Eintrittsenden-Flächen 13, 14, 15 und 16 erster Kanäle 29 der getrennten, quaderförmigen Wärmetauscherelemente 17, 18, 19 und 20 beaufschlagt. Die Brennerluft kann hierbei den Wärmetauscher E nur in etwa radialer Richtung über die ersten Kanäle 29 durchströmen, da die nach der Seite liegenden Flächen 21 und 22 eines jeden Wärmetauscherelementes geschlossen sind. Diese Seitenflächen können durch Auffüllen der Poren oder durch Aufbringen einer festen Wand geschlossen werden.

Die vorgewärmte Brennerluft gelangt hierauf radial von allen Seiten in einen Brennerraum, dessen Wandung 59 überall, wie bei 61 gezeigt, perforiert ist. Im Brennerraum ist der mit einer Kraftstoffeinspritz- und Zündanlage 57 versehene Brenner C angeordnet, dessen Fuß 58 über einen Flansch 51 in einer zentralen Ausnehmung 50 des den Abgasauslaß B bildenden Blechmantels 54 angeordnet ist.

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Die dem Brenner C zuströmende Brennerluft wird im Brenner mit Kraftstoff vermischt und hierauf dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet. Die Verbrennungsgase dieser kontinuierlich aufrecht erhaltenen Verbrennung gelangen aus dem Brenner C axial nach unten in die Brennkammer D. Die Brennkammer D ist gegenüber dem Brennerraum über eine Isolierung 63 abgeschirmt. Am Umfang der Brennkammer D ist eine Erhitzerröhrenanordnung F angeordnet, die aus einer Vielzahl von Er hitzerrohren 66 besteht, von denen jedes einen im wesentlichen vertikalen Strang 66 a, eine Krümmung 66 b und einen im wesentlichen horizontalen Strang 66 c aufweist. An den horizontalen Strängen 66 c sind hierbei entsprechende Metallamellen 67 zur Verbesserung des Wärmeüberganges angeordnet. Die äußere Begrenzung der Brennkammer D wird hierbei von einer außerhalb der Erhitzerröhrenanordnung F liegenden zylindrischen Wand 64 aus hitzebeständigem Blech gebildet, die über einen oberen Flansch 65 die Wärmetauscheranordnung E abstützt.

Die die Brennkammer D radial verlassenden Abgase werden durch die Wand 64 vertikal nach oben umgelenkt, wo sie die Eintrittsenden-Flächen 60 der zweiten Kanäle 31 der einzelnen Wärmetauscherelemente beaufschlagen. Nachdem das Abgas einen Teil seiner Wärme abgegeben hat, gelangt es in den von einem Blechmantel 54 gebildeten Abgasauslaß B, in dem es horizontal umgelenkt, gesammelt und an einer Stelle über eine Abgasleitung 55 nach unten abgeführt wird (siehe Fig. 2 und 3).

Jedes der quaderförmigen Wärmetauscherelemente 17, 18, 19 und 20 besteht vollständig aus einem wabenförmigen, keramischen Material und liegt mit seiner jeweils inneren Seitenfläche 23, 24, 25 bzw 26 etwas oberhalb und etwa am Umfang der Erhitzerröhrenanordnung F, wobei sich zwei benachbarte Wärmetauscherelemente mit ihren inneren, vertikalen Seitenkanten 27 bzw 28 berühren und hierdurch den Brennerraum 59 vollständig umfassen. Jedes Wärmetauscherelement besteht aus einem

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keramischen Material, das geeignet sein muß, Betriebstemperaturen von etwa 1100 C und Betriebsdrücke von etwa 14 kp/cm auszuhalten. Ein keramisches Material, das diesen Anbrüchen genügt, besteht . normalerweise aus Magnesium-Aluminium-Silikat oder Lithium-Aluminium-Silikat.

Die einzelnen Wärmetauscherelemente bestehen aus einzelnen, abwechselnd geschichteten,Wände erster Kanäle 29 bildenden Scheiben und Wände zweiter Kanäle 31 bildenden Scheiben. Die ersten Kanäle 29 ermöglichen hierbei eine Strömung der Brennerluft vom Lufteinlaß A in radialer Richtung zum Brennerraum 59 und die zweiten Kanäle 31 ermöglichen eine im wesentlichen vertikale und parallel zur Achse 35 des Brenners C verlaufende Strömung der Abgase vom Brennkammeraus-Ia 13 zum Abgasauslaß B. Jedes der Wärmetauscherelemente besteht vollständig aus keramischem Material ohne irgendwelche metallische Teile und bildet jedes für sich einen wabenförmigen Kreuzstrom-Wärme tauscher.

Ein typisches Verfahren zur Herstellung eines solchen keramischen Wärmetauscherelementes umfaßt: Auswählen eines geeigneten keramischen Materials, wie z. B. Lithium-Aluminium-Silikat, Vermischen dieses Materials mit einem geeigneten Kunstharz bis ein plastischer Brei entsteht. Formen eines plastischen Stranges vom Querschnitt der Wärmetauscherelemente aus diesem Material und Zerschneiden des Stranges in eine Vielzahl von einzelnen Scheiben. Pressen dieser plastischen Scheiben in einer entsprechenden Form in der Weise, daß jeweils eine Basiswand 37 mit sich von dieser nach oben erstreckenden dünnen Rippen 36 gebildet wird. Dieser Verfahrensschritt kann jedoch auch in einer Rolloperation erfolgen. Abwechselndes Aufeinanderschichten der Scheiben in der Weise, daß die die Wände erster Kanäle 29 bildenden Rippen 36 in horizontaler Richtung und die zweite Kanäle

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bildenden Rippen 36 in vertikaler Richtung verlaufen. Die auf diese Weise geschichteten Scheiben werden durch eine Vorrichtung zusammen gehalten und einem Sintervorgang unterworfen, dessen Temperatur ausreichend hoch ist, um das Kunstharzmaterial zu verdampfen und eine keramische feste Verbindung zwischen den Stirnkanten der Rippen 36 einer Scheibe mit der Basiswand 37 der nächsten Scheibe herzustellen.

Ein typisches Wärmetauscherelement, wie es in der beiliegenden Zeichnung gezeigt ist, kann etwa 100 mm breit, 127 mm hoch und 203 mm lang sein. Die Höhe 38, der Abstand 39 voneinander und die Dicke 40 der Rippen 36 ist für den Druckabfall im Wärmetauscher von besonderer Bedeutung. Es hat sich gezeigt, daß ein akzeptabler Druckabfall im Wärmetauscher erzielt wird, wenn zwischen Rippenabstand und Rippenhöhe ein Verhältnis zwischen 1 : 1 bis 2 : 1 eingehalten wird. Wird für einen Stirlingmotor z. B. ein Druckabfall von o, oo47 kg/cm gefordert, so ist eine Porosität von etwa siebzig öffnungen pro cm erforderlich, was etwa eine Rippenhöhe von 0, 6 mm, eine Rippendicke von 0, 12 mm und bei einem Verhältnis von 1 : 1 einen Rippenabstand von etwa 0,73 mm bewirkt. Soll der Druckabfall verringert werden, muß z. B. für das Verhältnis von Rippenabstand zu Rippenhöhe das Verhältnis 2 : 1 gewählt werden.

Es ist wichtig, daß die inneren Seitenflächen 23, 24, 25 und 26 der quaderförmigen Wärmetauscherelemente so angeordnet werden, daß zwischen den benachbarten vertikalen Seitenkanten Dichtstreifen 27 u nd 28 angeordnet werden können, die den umschlossenen Raum nach außen abdichten. Feststehende Dichtstreifen 41, 42, 43 und 44 sind ebenso an jeweils den vier oberen und unteren Seitenkanten jedes quaderförmigen Wärmetauscherelementes angeordnet. Solche Dichtstreifen können auf kostengünstige Weise aus keramischem Material, wie z. B. Aluminium- oder Siliciumoxid hergestellt werden. Ein bevorzugter Dichtungsstreifen dieser Art besteht aus einem

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keramischen Kern 46, der durch Flechten oder Weben hergestellt wurde und der innerhalb einer V-förmig gefalteten Metallfolie 47 z. B. aus rostfreiem Stahl angeordnet ist. Die an den Seitenkanten der Wärmetauscherelemente anliegenden Dichtungsstreifen werden hierbei durch leichten Druck benachbarter Flansche, wie z. B. 48, in ihrer Lage gehalten. Da die Abdichtung der Wärmetauscherelemente nur entlang
linienförmiger Seitenkanten erfolgt, stehen alle übrigen Seitenflächen für die Luft- bzw Abgasströmung und den Wärmeaustausch zwischen
diesen beiden Medien zur Verfügung.

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Leerseite

Claims

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

\) 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 Verbrennungsgase zugeführt und weist eine Erhitzerröhrenanordnung (F) auf, die den Verbrennungsgasen eine bestimmte Wärmemenge entzieht und dem Arbeitsmittel im geschlossenen Arbeitsmittelkreis zuführt;

e) ein Wärmetauscher (E) besteht aus einem feststehenden Wabenkörper (17, 18, 19 und 20) aus hitzebeständigem keramischen Material und ist etwas oberhalb und etwa am Umfang der Erhitzerröhrenanordnung (F) angeordnet, weist Wände erster Kanäle (29) bildende Scheiben und Wände zweiter Kanäle (31) bildende Scheiben abwechselnd geschichtet auf, wobei der Lufteinlaß (A) mit den Eintrittsenden (13, 14, 15 und 16) der ersten Kanäle (29) und deren Austrittsenden (23, 24, 25 und 26) mit dem Brennereingang und der Brennkammerausgang mit den Eintrittsenden (60) der zweiten Kanäle (31) und deren Austrittsenden mit dem Abgasauslaß (B) verbunden sind.

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2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Wabenkörper (E) aus getrennten, quaderförmigen Wärmetauscherelementen (17, 18, 19 und 20) besteht, die den Brennerraum (59) mit ihren nach innen liegenden Seiten (23, 24, 25 und 26) vollständig umfassen.

3." Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftströmung in den ersten Kanälen (29) im wesentlichen radial zur Achse (35) und die Abgasströmung in den zweiten Kanälen (31) im wesentlichen parallel zur Achse (35) verläuft.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerraum (59) gegenüber der Brennkammer (D) über eine keramische Isolierung (63) abgeschirmt ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kanäle (29 und 31) über ihre Länge gleichbleibenden Querschnitt und Wände (36 bzw 37) von einer Dicke von 0, 7 bis 0, 14 mm aufweisen.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus vier getrennten, quaderförmigen Wärmetauscherelementen (17, 18, 19 und 20) gebildete, den Brennerraum (59) umfassende Wabenkörper (E) über entlang aller zwölf Kanten jedes quaderförmigen Wärmetauscherelementes angeordnete keramische Dichtungen (27 und 28 bzw 41, 42, 43 und 44) zwischen dem Lufteinlaß (A) und dem Abgasauslaß (B) und zwischen dem Brennereingang und dem Brennkammerausgang abgedichtet sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Dichtungen aus einem Kern aus geflochtenem Keramikmaterial (46) und einer diesen V-förmig umfassenden

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verformbaren Metallfolienstreifen (47) bestehen.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Dichtungen statische Dichtungen mit geringer Verschleißfestigkeit aber hoher Temperaturbeständigkeit bis etwa 1100°C sind.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kanäle (29 bzw 31) aus keramischen Scheiben mit sich von einer Basiswand (37) nach einer Richtung erstreckenden gleich hohen Rippen (36) gebildet sind, deren Stirnkanten der Rippen (36) gegen die Basiswand (37) der nächsten Scheibe anliegen, wobei die Rippen (36) eine Höhe (38) von etwa 0, 6 mm, einen gegenseitigen Abstand (39) von etwa 0, 7 bis 0, 14 mm und eine Dicke (40) von etwa 0, 12 bis 0, 25 mm aufweisen.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die Porosität der wabenförmigen Wärmetauscherelemente etwa

siebzig < beträgt.

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siebzig öffnungen pro cm mit einem Querschnitt von etwa 0, 038mm

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