DE2724323B2 - Heißgasmotor mit einem Wärmespeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißgasmotor mit mindestens einem geschlossenem Arbeitsraum, in dem ein Arbeitsmedium im Betrieb einen thermodynamischen Kreislauf durchführt, wobei dem Arbeitsmedium von einer Wärmequelle herrührende Wärme über einen Erhitzer zuführbar ist, der einen oder mehrere im Betrieb vom Arbeitsmedium durchflossene Kanäle aufweist, und weiter mit einem oder mehreren Behältern versehen ist, in denen sich ein schmelzbares Material befindet, das aus der Wärmequelle herrührende Wärme speichert

Ein Heißgasmotor der obengenannten Art ist aus der CH-PS 5 12670 bekannt Bei dem bekannten Heißgasmotor 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 Problerne mit sich. Dadurch, daß das wärmespeichernde Material, meistens ein Salz wie LiF, CaFj, SrF2 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 Verunreinigungen mit Korrosionswirkung aufweist

ίο Die Gefahr von Durchbrennen und/oder Rißbildung der genannten Behälterwände ist insbesondere groß, wenn das wärmespeichernde Salz erstarrt ist Die verwendbaren Salzarten weisen bei Erstarrung nämlich eine große Schrumpfwirkung auf (Volumenverringe-

is rung 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 aus Gewichts- und Bemessungsgründen des Motors nicht interessant 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 50° C beschränkt bleiben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, 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 von Durchbrennen bzw. Rißbildung.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der erfindungsgemäße HeiSgasmotor das Kennzeichen auf, daß der (die) Behälter derart angeordnet ist (sind), daß Wärmeübertragung von der Wärmequelle zum schmelzbaren wärmespeichernden Material ausschließlich mittelbar über das Arbeitsmedium erfolgt
Auf diese Weise ist erreicht worden, daß das wärmespeichernde Material in dem Behälter bzw. den Behältern ausschließlich durch unmittelbaren Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium Wärme zugeführt bekommt, wobei das Arbeitsmedium eine wesentlich niedrigere Temperatur hat als die Wärmequelle und als

so Zwischenwärmetransportmittel zwischen der Wärmequelle und dem wärmespeichernden Material wirksam ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Heißgasmotors, wobei der Erhitzer teilweise innerhalb des Behälters (der Behälter) liegt und teilweise mit der Wärmequelle thermisch verbunden ist, wie dies aus der CH-PS 5 12 670 bekannt ist, ist (sind) nach der Erfindung der (die) Behälter gegenüber der Wärmequelle thermisch isoliert

Eine andere Ausführungsform des Heißgasmotors weist nach der Erfindung das Kennzeichen auf, daß der (die) Behälter in einem Erhitzerkanal bzw. in einem 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 indem Erhitzerkanal bzw. den Erhitzerkanälen in einem Abstand von der betreffenden Kanalwand angeordneten Wärmerohren zum Wärmetransport zwischen Arbeitsmedium und wärmespeicherndem Material verseher:,

Wärmerohre sind an sich bekannt Ein Wärmerohr ist ein Verdampfungs-Kondensationssystem, wobei die Rückfuhr von Kondensat vom Kondensator zum Verdampfer über eine Kapillarstruktur auf Basis von Kapillarkräficn (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 is teilweise Heißgasmotoren, bei denen die Erhitzerrohre teilweise von schmelzbarem wärmespeicherndem Material umgeben sind und teilweise durch Rauchgase umspült werden, während in Fig.3 zugleich Wärmerohre in den Erhitzerrohren vorgesehen sind.

Fig.4, 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, wobei die Behälter in den F i g. 5 und 6 zugleich mit Wärmerohren versehen sind.

In F i g. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zylinder bezeichnet, in dem ein Kolben 2 und ein Verdränger 3 beweglich sind. Der Kolben und der Verdränger sind durch eine Kolbenstange 4 bzw. eine Verdrängerstan&e 5 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden. Zwischen dem Kolben 2 und der Unterseite des Verdrängen 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 U 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. Deutlichkeitshaiber sind von jedem Rohrkranz jeweils nur zwei Rohre dargestellt

Die unteren Teile 11a und Ub der Rohre 11 bzw. 12 liegen in einem Behälter 13, der mit dem schmelzbaren Salz LiF als wärmespeicherndem Material 14 gefüllt ist. «

Der Behälter 13 ist auf der Außenseite über seine ganze Wandoberfläche mit einer Schicht wärmeisolierenden Materials Ϊ5 verkleidet.

Über dem inneren Rohrkranz gibt es einen Brenner 16, dem über die Zufuhr 17 Kraftstoff und über die so Zufuhr 18 und die öffnungen 19 Luft, die in einem nicht dargestellten Vorerhitzer vorerhitzt wird, zugeführt werden kann.

Die Wirkungsweise des Heißgasmotors wird als bekannt vorausgesetzt Dem Erhitzer wird durch den Brenner 16 Wärme zugeführt Die Rauchgase dieses Brenners werden nacheinander an den obsren Teilen 12b und 116 der Rohre 12 bzw. 11 entlanggeführt, wobei dem durch die Erhitzerrohre hin- und herströmenden Arbeitsmedium des Motors (beispielsweise Wasserstoff oder Helium) Wärme abgegeben wird. Die Rauchgase verlassen danach den Motor durch die öffnungen 20 im Gehäuse 21. Die vom Arbeitsmedium in den Erhitzerrohrteilen 11i) und 126 aufgenommene Wärme wird in den Rohrteilen Ha 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. Dadurch, daß der Behälter 13 gegenüber den Rauchgasen thermisch isoliert ist tauscht das LiF ausschließlich mit dem Arbeitsmedium Wärme unmittelbar aus.

Beim Heißgasmotor nach F i g. 2 sind für Teile die denen des Heißgasmotors aus F i g. 1 entsprechen, dieselben Bezugszeichen verwendet worden.

Das schmelzbare Wärmespeicherende Material 14 befindet sich nun in einem vom Zylinder 1 und einer Wand 22 begrenzten Behälter 23, wodurch die verlängerten Teile 12eder Erhitzerrohre 12 hindurchgeführt sind. Thermische Isolierung des Behälters 23 gegenüber den Rauchgasen ist mittels der Verkleidung 24 erhalten worden. Die Wirkungsweise ist wie bei F i g. 1 beschrieben.

Beim Heißgasmotor nach F i g. 3, wobei der Kolben nicht länger dargestellt ist, ist der Brenner 16 vom ringförmig ausgebildeten Behälter 13 umgeben. Nun sind die oberen Erhitzerrohrteile Wb und 12/> im wärmespeichernden Material 14 angeordnet und die unteren Erhitzerrohrteile 11a und 12a werden von Rauchgasen umspült Wärmeisolierung 15 vermeidet wieder Wärmeaustausch der Rauchgase mit dem LiF. Die Erhitzerrohre 11 sind örtlich 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 Ua bis in die vom wärmespeichernden Material 14 umgebenen Erhitzerrohrteile 116 erstrecken. Die Wärmerohrinnenwände sind mit einer Kapillarstruktur 31, beispielsweise einer 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 Arbeitsmedium-Wechselstromfrquenz) sowie einem geringen Hubvolumen, wenn Leistungsregelung durch Änderung 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 Ua zur Zone innerhalb der Erhitzerrohrteile Wb mit der Folge, daß pro Zeiteinheit über das Arbeitsmedium dem wärmespeichernden Material zusätzliche Wärme übertragen wird, was die Aufladezeit des Wärmespeichers kürzt

Fig.4 zeigt einen Heißgasmotor, wobei deutlichkeitshalber nur zwei Erhitzerrohre 40 und 41 dargestellt sind. In der Erweiterung 40a des Erhitzerrohres 40 ist der Behälter 13 mit wärmespeicherndtm Material 14 in einem Abstand von der Erhitzerrohrwand angeordnet Die an den Erhitzerrohren 40 und 41 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 dem wärmespeichernden Material 14 ab.

Bei dem teilweise dargestellten Heißgasmotor nach F i g. 5 ist nur ein Erhitzerrohr 50 mit einer Erweiterung 50a dargestellt, in der in einem Abstand von dem Erhitzerrohr ein Wärmerohr 51 mit einer Kapillarstruktiir 52 vorgesehen ist. Im Wärmerohr 51 befindet sich

wieder eine Menge Natrium. Das Wärmerohr 51 umschließt den Behälter 13 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 F i g. 6 ist dargestellt, wie die wärmeaustauschende Oberfläche der innerhalb des Erhitzerrohres 60 angeordneten Behälter 13, gefüllt mit LiF 14, künstlich mittels der durch die Behälter hindurchgeführten Wärmerohre 61, in denen sich eine Kapillarstruktur 62 und eine Menge Natrium befinden, vergrößert worden ist. Auf diese Weise wird pro Zeiteinheit dem Arbeitsmedium mehr Wärme entnommen und im LiF gespeichert, gleichmäßig über das LiF verteilt

S^.bstverständlich 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

ίο es selbstverständlich auch möglich, Erhitzung mittels beispielsweise eines fokussierenden Sonnenkollektors bzw. mittels Isotopen anzuwenden.

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprache:

1. Heißgasmotor mit mindestens einem geschlossenen Arbeitsraum, in dem ein Arbeitsmedium im Betrieb einen thermodynamischen Kreislauf durchläuft, wobei dem Arbeitsmedium von einer Wärmequelle herrührende Wärme über einen Erhitzer zuführbar ist, der einen oder mehrere im Betrieb vom Arbeitsmedium durchflossene Kanäle aufweist, und 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 (16) zum schmelzbaren wärmespeicherndpn 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 (13; 23) gegenüber der Wärmequelle (16) thermisch isoliert (15; 24) ist (sind) (F i g. 1,2,3).

3. Heißgasmotor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Behälter in dem Erhitzerkanal bzw. in einem der Erhitzerkanäle (40; 50; 60) angeordnet ist (sind) bzw. die Behälter in mehreren Erhitzerkanälen angeordnet sind, jeweils in einem Abstand von der betreffenden Kanalwand (40a; 50a; 60) (F ig. 4,5,6).

4. Heißgasmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Behälter (13) mit einem oder mehreren in dem Erhitzerkanal bzw. den Erhitzerkanälen (50; 60) in einem Abstand von der betreffenden Kanalwand (50a; 60) angeordneten Wärmerohren (51; 61) zum Wärmetransport zwischen Arbeitsmedium und wärmespeicherndem Material (14) versehen ist (sind) (F i g. 5; 6).