DE2724323A1

DE2724323A1 - Heissgasmotor

Info

Publication number: DE2724323A1
Application number: DE19772724323
Authority: DE
Inventors: George Albert Apoloni Asselman; Herman Fokker; Roelf Jan Meijer
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-06-11
Filing date: 1977-05-28
Publication date: 1977-12-22
Also published as: DE2724323B2; JPS52153049A; SE7706666L; GB1576635A; CA1059325A; US4126995A; FR2354452A1; NL7606301A; JPS5713745B2

Description

20.1.1977.

JW/EVH.

"Heissgasmotor"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heissgasmotor mit mindestens einem geschlossenen Arbeitsraum, in dem ein Arbeitsmedium im Betrieb einen thermodynamischen Kreislauf durchläuft, welchem Arbeitsmedium von einer Wärmequelle herrührende Wärme zuführbar ist und zwar über einen Erhitzer, der einen oder mehrere im Betrieb vom Arbeitsmedium durchflossene Kanäle aufweist, welcher Erhitzer weiter mit einem oder mehreren Behältern versehen ist, in denen sich ein schmelzbares Material befindet, das aus der Wärmequelle herrührende Wärme speichert.

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Ein Heissgasraotor der obengenannten Art ist aus der schweizerischen Patentschrift 512 67O bekannt.

Bei dem bekannten Heissgasraotor geben die von einer Brennervorrichtung herrührenden Rauchgase teilweise unmittelbar dem Arbeitsmedium durch Wärmeaustausch mit diesem Medium über die Erhitzerrohre Wärme ab und teilweise geben sie unmittelbar dem schmelzbaren wärmespeichernden Material im Behälter dadurch Wärme ab, dass die Rauchgase an Wandteilen dieses Behälters entlang geführt werden. Die unmittelbare Erhitzung des schmelzbaren wärmespeichernden Materials im Behälter durch die Rauchgase bringt einige Probleme mit sich.

Dadurch, dass das wärmespeichernde Material, meistens ein Salz wie LiF; CaF„; SrF„ oder ein Gemisch von Salzen, sowohl im geschmolzenen als auch im festen Zustand ein schlechter Wärmeleiter ist, nehmen die Behälterwände, an denen die heissen Rauchgase entlang geführt werden, eine sehr hohe Temperatur an. Dies verursacht eine schnelle Korrosion der Behälterwände sowohl an der Rauchgasseite als auch an der Seite des wärmespeichernden Materials, welches Material Verunreinigungen mit Korrosionswirkung aufweist.

Die Gefahr vor Durchbrennen und/oder Rissbildung der genannten Behälterwände ist insbesondere gross, wenn der wärmespeichernde Salz erstarrt ist. Die verwendbaren

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Salzarten weisen bei Erstarrung nämlich eine grosse Schrumpfwirkung auf (Volumenverringerung in der Grössenordnung von 30$), wodurch der Kontakt des Salzes mit den Behälterwänden zum grössten Teil unterbrochen wird und die von den Rauchgasen erhitzten Wandteile fast überhaupt keine Kühlung erfahren.

Die Wahl dicker Behälterwände ist nicht interessant, und zwar aus Gewichts- und Bemessungsgründen des Motors und bildet ausserdem keine befriedigende Lösung des Problems der schnellen Korrosion. Die Beibehaltung einer maximalen Rauchgastemperatur, die weit über der Schmelztemperatur des Salzes aber unter der gestellten Temperaturgrenze für das Material der Behälterwände liegt, bildet ein schwieriges Regelproblem für den Heissgasmotor mit seiner veränderlichen Belastung. Die Temperaturschwankungen in den Rauchgasen müssten dabei auf plus oder minus 50⁰C beschränkt bleiben.

Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, einen Heissgasmotor der obengenannten Art zu schaffen, bei dem die Wände des Behälters, in dem sich das wärmespeichernde Material befindet, relativ dünn und nur in geringem Masse Korrosionswirkung ausgesetzt sind ohne Gefahr vor Durchbrennen bzw. Rissbildung.

Nach der Erfindung weist der Heissgasmotor dazu das Kennzeichen auf, dass der (die) Behälter derart

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angeordnet ist (sind), dass Wärmeübertragung vom der Wärmequelle zum schmelzbaren wärinespeichernden Material ausschliesslich mittelbar über das Arbeitsmedium erfolgt.

Auf diese Weise ist erreicht worden, dass das wärmespeichernde Material in dem Behälter bzw. dien Behältern ausschliesslich durch unmittelbaren Värmeaustauscht mit dem Arbeitsmedium Wärme zugeführt bekommt, welches Arbeitsmedium eine wesentlich niedrigere Temperatur hat als die Wärmequelle und als Zwischenwärmetransportmittel zwischen der Wärmequelle und dem wärmespeichernden Material wirksam ist. Zur Regelung der Arbeitsmediumtemperatur sind keine zusätzlichen Vorkehrungen erforderlich und zwar dadurch, dass darin bereits vorgesehen wird (siehe beispielsweise die US-Patentschriften 3 780 528 und 3 782 12Q>).

Bei einer bevorzugten AusfOhrungsform des Heissgasmotors, wobei der Erhitzer teilweise innerhalb des Behälters (der Behälter) liegt und teilweise mit der Wärmequelle thermisch verbunden ist, wie dies aus der schweizerischen Patentschrift 512 67Ο bekannt ist, ist (sind) nach der Erfindung der (die) Behälter gegenüber der Wärmequelle thermisch isoliert.

Eine andere Ausführungsform des Heissgasaotors weist nach der Erfindung das Kennzeichen auf, dass der .(die) Behälter innerhalb des Erhitzerkanales oder eines

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der Erhitzerkanäle angeordnet ist (sind) bzw. die Behälter innerhalb mehrerer Erhitzerkanäle angeordnet sind, jeweils in einem Abstand von der betreffenden Kanalwand. Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform des erfindungsgemässen Heissgasmotors ist (sind) der (die) Behälter mit einem oder mehreren innerhalb des Erhitzerkanales bzw. der Erhitzerkanäle in einem Abstand von der betreffenden Kanalwand angeordneten Wärmerohren zur Förderung des Wärmetransports des Arbeitsmediums zum wärmespeichernden Material versehen.

Wärmerohre sind an sich bekannt (siehe beispielsweise die US-Patentschriften 3 229 759 ^und 3 ^02 767). Ein Wärmerohr ist ein Verdampfungs-Kondensationssystem, wobei die Rückfuhr von Kondensat vom Kondensator zum Verdampfer über eine Kapillaretruktür auf Basis von Kapillarkräften (schWerkraftunabhängig) erfolgt. Durch den Verdampfungsprozess sind sehr grosse Wärmetransportkapazitäten verfügbar.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung, die schematisch und nicht massgerecht ist, näher erläutert.

Fig. 1, 2 und 3 zeigen im Längsschnitt wenigstens teilweise Heissgasmotoren, bei denen die Erhitzerrohre teilweise von schmelzbarem wärmespeicherndem Material - umgeben werden und teilweise durch Rauchgase umspült werden, während in Fig. 3 zugleich Wärmerohre in den

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Erhitzerrohren vorgesehen sind.

Fig. k, 5 und 6 zeigen im Längsschnitt Teile

von Heissgasmotoren, bei denen schmelzbares wärmespeicherndes Material enthaltende Behälter in den Erhitzerrohren in einem Abstand von den Erhitzerrohrwänden angeordnet sind, welche Behälter in den Fig. 5 und 6 zugleich mit Wärmerohren versehen sind.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zylinder bezeichnet, in dem ein Kolben 2 und ein Verdränger beweglich sind. Der Kolben und der Verdränger sind durch eine Kolbenstange k bzw. eine Verdrängerstange 5 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden. Zwischen dem Kolben 2 und der Unterseite des Verdrängers 3 befindet sich ein Kompressionsraum 6, der über einen Kühler 7» einen Regenerator 8 und einen Erhitzer 9 mit einem Expansionsraum 10 verbunden ist. Der Erhitzer 9 ist dabei durch einen äusseren Kranz von Rohren 11 gebildet, die sich mit ihrer einen Seite an den Regenerator 8 und mit der anderen Seite an einen inneren Kranz von Rohren 12 anschliessen, die sich an den Expansionsraum 10 anschliessen. Deutlichkeitshalber sind von jedem Rohrkranz jeweils zwei Rohre dargestellt.

Die unteren Teile 11a und 11b der Rohre 11 bzw. liegen in einem Behälter 131 der mit dem schmelzbaren Salz LiF als wärmespeicherndes Material 14 gefüllt ist.

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Der Behälter 13 ist auf der Aussenseite über seine ganze Wandoberfläche mit einer Schicht wärmeisolierenden Materials 15 verkleidet.

Ueber dem inneren Rohrekranz gibt es einen Brenner 16, dem über die Zufuhr 17 Kraftstoff und über die Zufuhr 18 und die Oeffnungen 19 Luft, die in einem nicht dargestellten Vorerhitzer voerhitzt wird, zugeführt werden kann.

Die Wirkungsweise des Heissgasraotors wird als bekannt vorausgesetzt.

Dem Erhitzer wird durch den Brenner 16 Wärme zugeführt. Die Rauchgase dieses Brenners werden nacheinander an'den oberen Teilen 12b und 11b"der Rohre 12 bzw. entlanggeführt, wobei dem durch die Erhitzerrohre hin— und herstömenden Arbeitsmedium des Motors (beispielsweise Wasserstoff oder Helium) Wärme abgegeben wird. Die Rauchgase verlassen danach den Motor durch die Oeffnungen 20 im Gehäuse 21.

Die vom Arbeitsmedium in den Erhitzerrohrteilen 11b und 12b aufgenommene Wärme wird in den Rohrteile 11a und 12a teilweise dem LiF im Behälter 13 abgegeben. Nach einiger Zeit ist das LiF geschmolzen. Die restliche Wärme wird in mechanische Energie umgewandelt.

Wenn vorübergehend eine Spitzenleistung vom Motor geliefert werden muss, kann das Arbeitsmedium dem LiF als Hilfswärmequelle Wärme entnehmen.

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Dadurch, dass der Behälter 13 gegenüber den Rauchgasen thermisch isoliert ist, tauscht das LiF ausschliesslich mit dem Arbeitsmedium Wärme unmittelbar aus.

Beim Heissgasmotor nach Fig. 2 sind für Teile die denen des Heissgasmotors aus Fig. 1 entsprechen, dieselben Bezugszeichen verwendet worden.

Das schmelzbare wärmespeichernde Material 14

befindet sich nun in einem vom Zylinder 1 und einer Wand begrenzten Behälter 23, wodurch die verlängerten Teile 12c der Erhitzerrohre 12 hindurchgeführt sind. Thermische Isolierung des Behälters 23 gegenüber den Rauchgasen ist mittels der Verkleidung Zh erhalten worden.

Die Wirkungsweise ist, wie bei Fig. 1 beschrieben.

Beim Heissgasmotor nach Fig. 3» wobei der Kolben nicht langer dargestellt ist, ist der Brenner 16 vom ringförmig ausgebildeten Behälter 13 umgeben. Nun sind die oberen Erhitzerrohrteile 11b und 12b im wärmespoichernden Material lh angeordnet und die unteren Erhitzerrohuteile 11a und 12a werden von Rauchgasen umspült. Wärmeisolierung vermeidet wieder Wärmeaustausch der Rauchgase mit dem LiF.

Die Erhitzerrohre 11 sind örltich erweitert

ausgebildet und in den Erweiterungen 11a sind im Strömungsweg des Arbeitsmediums in einem Abstand von den Erhitzerrohrwänden Wärmerohre 30 angeordnet, die sich von den durch Rauchgase umspülten Erhitzerrohrteilen 11a bis in

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die vom wärmespeichernden Material Ik umgebenen Erhitzerrohrteile 11b erstrecken. Die Wärmerohrinnenwände sind mit einer Kapillarstruktur 31» beispielsweise eine Gazeschicht verkleidet. In den Wärmerohren 30 befindet sich eine Menge Natrium.

In der Praxis passiert es unter verschiedenen Betriebsverhältnissen, dass die wirksame Wärmetransportkapazität des Arbeitsmediums relativ niedrig ist. So beispielsweise bei einem niedrigen Arbeitsmediumdruck (geringe Motorleistung), einer niedrigen Drehzahl (niedrige Arbeitsmediumwechselstromfrequenz) sowie einem geringen Hubvolumen wenn Leistungsregelung durch Aenderung der Kolbenhublänge erfolgt.

Die Wärmerohre 30 mit ihrer durch Verdampfung und Kondensation des Natriums grossen wärmetransportierenden Leistung sorgen nun für einen erhöhten Wärmetransport von der Zone innerhalb der Erhitzerrohrteile 11a zur Zone innerhalb der Erhitzerrohrteile 11b mit der Folge, dass pro Zeiteinheit über das Arbeitsmedium dem wärmespeichernden Material zusätzliche Wärme Obertragen wird, was die Aufladezeit des Wärmespeichers kürzt.

Fig. h zeigt einen Heissgasmotor, wobei deutlichkeitshalber nur zwei Erhitzerrohre 40 und 41 dargestellt sind. In der Erweiterung 40a des Erhitzerrohres ko ist der Behälter 13 mit wärmespeicherndem Material 14 in einem

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Abstand von der Erhitzerrohrwand angeordnet. Die an den Erhitzerrohren *tO und ^^ entlang strömenden Rauchgase geben dem durch die genannten Rohre strömenden Arbeitsmedium ihre Wärme ab. Das durch das Erhitzerrohr 40 strömende Arbeitsmedium gibt seinerseits einen Teil der Wärme dein wärmespeichernden Material 14 ab.

Bei dem teilweise dargestellten Heissgasmotor

nach Fig. 5 ist nur ein Erhitzerrohr 50 mit einer Erweiterung 50a dargestellt, in der in einem Abstand von dem Erhitzerrohr ein Wärmerohr 51 mit einer Kapillarstruktur 52 vorgesehen ist. Im Wärmerohr 51 befindet sich wieder eine Menge Natrium. Das Wärmerohr 51 umschliesst den Behälter mit dem LiF 14. Das Natrium nimmt über eine relativ grosse Wärmerohroberfläche durch Verdampfung aus dem entlangfliessenden Arbeitsmedium Wärme auf und gibt diese Wärme über eine verhältnismässig kleine Behälterwandoberfläche durch Kondensation dem wärmespeichernden Material 14 ab. Das Wärmerohr ist dabei als Wärmestromdichteumwandler wirksam.

In Fig. 6 ist dargestellt, wie die wärmeaustauschende Oberfläche der innerhalb des Erhitzerrohres angeordneten Behälter 13> gefüllt mit LiF Ik, künstlich mittels der durch die Behälter hindurchgeführten Wärmerohre 61, in denen sich eine Kapillarstruktur 62 und eine Menge Natrium befinden, vergrössert worden ist. !5 Auf diese Weise wird pro Zeiteinheit dem Arbeitsmedium

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mehr Wärme entnommen und im LiF gespeichert, gleichmässig über das LiF verteilt.

Selbstverständlich sind ausser dem aus Rohren aufgebauten Erhitzer viele andere Erhitzerkonstruktionen möglich»

Obschon in den Figuren von heissen Rauchgasen als Wärmequelle die Rede gewesen ist, ist es selbstverständlich auch möglich, Erhitzung mittels beispielsweise eines fokussierenden Sonnenkollektors bzw. mittels Isotopen anzuwenden.

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Leerseit

Claims

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PATENTANSPRUECHE

, 1. Heissgasmotor mit mindestens einem geschlossenen Arbeitsraum, in dem ein Arbeitsmedium im Betrieb einen thermodynamisehen Kreislauf durchläuft, welchem Arbeitsmedium von einer Wärmequelle herrührende Wärme zuführbar ist über einen Erhitzer, der einen oder mehrere im Betrieb vom Arbeitsmedium durchflossene Kanäle aufweist, welcher Erhitzer weiter mit einem oder mehreren Behältern versehen ist, in denen sich ein schmelzbares Material befindet, das aus der Wärmequelle herrührende Wärme speichert, dadurch gekennzeichnet, dass der (die) Behälter.(13$ 23) derart angeordnet ist (sind), dass Wärmeübertragung von der Wärmequelle 0^) zum schmelzbaren wärmespeichernden Material (14 ausschliesslich mittelbar über das Arbeitsmedium erfolgt.

2. Heissgasmotor nach Anspruch 1, wobei der Erhitzer teilweise in dem Behälter (den Behältern) liegt und teilweise mit der Wärmequelle thermisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der (die) Behälter (ΐ3ί 23) gegenüber der Wärmequelle (i6) thermisch isoliert (15» 24) ist (sind) (Fig. 1, 2, 3).

3. Heissgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der (die) Behälter in dem Erhitzerkanal bzw. in einem der Erhitzerkanäle ('*0; 50; 6θ) angeordnet ist (sind) bzw.

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die Behälter in mehreren Erhitzerkanälen angeordnet sind, jeweils in einem Abstand von der betreffenden Kanalwand ('lOa; 50a; 6o) (Fig. h, 5, 6).

k. Heissgasmotor nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass der (die) Behälter (13) mit einem oder mehreren in dem Erhitzerkanal bzw, den Erhitzerkanälen (5O; 60) in einem Abstand von der betreffenden Kanalwand (50a; 60) angeordneten Wärmerohren (51» ⁰O zum Fördern des Wärmetransports des Arbeitsmediums zum wärmespeichernden Material (i4) versehen ist (sind) (Fig. 5» 6).

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