DE3804046A1 - Heizsystem fuer eine heissgas- bzw. stirlingmaschine - Google Patents
Heizsystem fuer eine heissgas- bzw. stirlingmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Heißgasmaschine, in der ein
Arbeitsgas längs einer geschlossenen Strecke zwischen
einem kälteren Kompressionszylinder und einem heißeren
Expansionszylinder hin- und herströmt, wobei längs der
Strecke eine Wärmequelle und eine Kühlvorrichtung ange
ordnet sind, die in Verbindung mit dem Expansionszylinder
und dem Kompressionszylinder auf das Gas einwirken, um
für dieses einen thermodynamischen Zyklus herbeizuführen,
in dessen Verlauf durch die Maschine verwertbare
mechanische Antriebsenergie erzeugt wird.
Die US-PS 40 55 952 befaßt sich mit einer Heizvorrichtung
für eine Maschine mit externer Verbrennung. Ein Arbeitsgas
wie z.B. Helium wird längs einer geschlossenen Strecke
zwischen Niedertemperatur-Kompressions- und Hochtemperatur-
Expansionszylindern hin- und hergepumpt. Diese Strecke um
faßt eine Heizvorrichtung und einen Kühler, um Wärme zuzu
führen bzw. abzuführen, wodurch insgesamt ein thermo
dynamischer Zyklus herbeigeführt wird, der zur Entwicklung
mechanischer Ausgangsleistung an einer Kurbelwelle führt,
die mit den Kolben verbunden ist, welche in den genannten
Zylindern laufen.
Bei dieser bekannten Maschine umfaßt die Heizvorrichtung
eine Anzahl von bogenförmig gekrümmten Rohren, durch die
das Arbeitsgas hindurchgeleitet wird, wobei unmittelbar
an die Rohre eine Verbrennungsvorrichtung angrenzt, um die
Rohre zu beheizen. In einer Verbrennungskammer der Ver
brennungsvorrichtung wird flüssiger oder gasförmiger Brenn
stoff verbrannt und die heißen gasförmigen Verbrennungs
produkte läßt man über die Außenseite der bogenförmig
gekrümmten Rohre strömen, um dadurch das Arbeitsgas zu
beheizen, welches durch das Innere der Rohre strömt.
Die Maschine bzw. der Motor gemäß der zitierten Patent
schrift besitzt eine Reihe charakteristischer Vorteile,
die sie bzw. ihn von anderen Antriebsaggregaten unter
scheiden. Zu den Vorteilen gehört die Möglichkeit der Ver
wendung unterschiedlicher Brennstoffe, eine geringe
Vibration und Geräuschentwicklung, eine relativ gleich
mäßige Arbeitsweise usw.
Der Wirkungsgrad einer Heißgasmaschine bzw. eines Stirling
motors ist mit der Temperatur des Arbeitsgases in der Weise
verknüpft, daß der Wirkungsgrad umso höher ist, je höher
die Temperatur ist. Bei einer Heizvorrichtung der in der
genannten Patentschrift beschriebenen Art begrenzt die
Widerstandsfähigkeit der verwendeten Materialien gegenüber
erhöhten Temperaturen die Temperatur, auf die das Arbeits
gas aufgeheizt werden kann.
In der tatsächlichen konstruktiven Ausgestaltung besitzt
eine Maschine, wie sie in der zitierten Patentschrift ge
zeigt ist, eine hartgelötete Rohr- und Rippenanordnung,
um eine maximale Oberfläche für die Wärmeübertragung zu
erhalten. Die Wärme der Verbrennungsgase wird dabei durch
die Rippen auf die Rohre übertragen, um das Arbeitsgas
aufzuheizen. Wie bei jeder Heizvorrichtung ist dabei die
Lebensdauer eine Funktion der thermischen Belastung,
welcher die Materialien ihrer Bauteile ausgesetzt sind.
Bei höheren Temperaturen, wie sie zur Verbesserung des
Motorwirkungsgrades erwünscht sind, ergeben sich höhere
thermische Belastungen und folglich eine geringere Lebens
dauererwartung. Um nun eine unzureichend niedrige Lebens
dauererwartung zu vermeiden, wird die Heizvorrichtung mit
niedrigeren Höchsttemperaturen betrieben, was natürlich
auf Kosten eines verringerten Motorwirkungsgrades geschieht.
Die höchsten Temperaturen treten an den Rippenspitzen auf,
so daß die Temperaturfestigkeit des Rippenmaterials der
jenige Faktor ist, der die Verbesserung des Maschinen
wirkungsgrades begrenzt.
Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Heißgas
maschine mit einer verbesserten Heizvorrichtung bzw. eine
verbesserte Heizvorrichtung für eine Heißgasmaschine anzu
geben, mit der es möglich ist, den Wirkungsgrad der Maschine
zu verbessern und dennoch eine hohe Lebensdauererwartung
für die Heizvorrichtung aufrechtzuerhalten.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Heißgas
maschine der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung
durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patent
anspruchs 1 gelöst.
Es ist ein wichtiger Vorteil der Erfindung, daß durch die
Verwendung eines bei den herrschenden Betriebstemperaturen
verdampfbaren und kondensierbaren Heizmediums auf die
besonders gefährdeten Rippen für die Heizrohre verzichtet
werden kann, so daß der Wirkungsgrad ohne Kompromisse hin
sichtlich der Lebensdauer erhöht werden kann, und zwar in
einem Ausmaß, das bei der bekannten Maschine einer
erheblichen Temperaturerhöhung entsprechen würde. Dadurch,
daß gemäß der Erfindung die Außenseite der Rohre den
Bereich bildet, an dem die höchsten Temperaturen wirksam
werden, und nicht die Rippenspitzen, wird das Rohrmaterial
zum begrenzenden Faktor bei der Abwägung des Kompromisses
zwischen verbessertem Wirkungsgrad und Lebensdauer der
Heizvorrichtung. Insgesamt wird dabei eine erhebliche
Verbesserung erreicht.
Andererseits bleibt bei der erfindungsgemäßen Heißgas
maschine ein wichtiger Vorteil dieses Maschinentyps er
halten, nämlich die Möglichkeit der Verwendung unterschied
licher Brennstoff- bzw. Wärmequellen. Andere Vorteile, die
sich aufgrund der Maschinenkonstruktion ergeben, bleiben
ebenfalls erhalten, da die Antriebseinheit mit den Zylindern,
dem Gehäuse und der Kurbelwelle nicht geändert werden muß.
Dabei versteht es sich, daß das Grundprinzip der Erfindung
nicht auf den weiter unten als Ausführungsbeispiel er
läuterten speziellen Maschinentyp beschränkt ist.
Kurz gesagt, wird gemäß der Erfindung ein "Heizrohrver
dampfer" in Verbindung mit einem Kondensator eingesetzt,
wobei ein kondensierbares Heizmedium in einem geschlossenen
System verwendet wird. Natrium hat sich dabei als ein
brauchbares Heizmedium erwiesen. Das Natrium wird in dem
Verdampfer erhitzt und verdampft. Es fließt über eine
Leitung zu dem Kondensator, wo es an den Rohren konden
siert, durch die das heiße Arbeitsgas für die Maschine
strömt. Das kondensierte flüssige Natrium fließt durch
die Leitung zurück in den Verdampfer und wird dort erneut
verdampft. Es ergibt sich also ein kontinuierlicher Zyklus,
so daß ein kontinuierlicher Wärmetransport von dem Ver
dampfer zu dem Kondensator stattfindet, wobei die Wärme
zum Erhitzen des Natriums dem Verdampfer zugeführt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die
konstruktiven Einzelheiten des Verdampfers und des
Kondensators. Vorzugsweise besitzt der Kondensator eine
äußere, zylindrische, rohrförmige Wand, welche die Rohre
umgibt, durch die das heiße Arbeitsgas strömt. Diese
Rohre sind zu einem Bündel geordnet, in dem die einzelnen
Rohre parallel zueinander verlaufen und dieselbe Länge
haben, wobei die Rohre jedoch im Abstand voneinander ange
ordnet sind. An den Enden der Rohre bzw. des Bündels sind
entsprechende Kopfstücke vorgesehen. In Längsrichtung sind
die Rohre ferner S-förmig ausgebildet, um Wärmedehnungen
und -kontraktionen aufzunehmen. Aus demselben Grund besitzt
auch die äußere zylindrische Wand eine elastisch verform
bare Zone.
Der Verdampfer besitzt vorzugsweise eine innere und eine
äußere Schale bzw. einen inneren und einen äußeren Mantel,
die so angeordnet sind, daß sie eine Verdampfungskammer
definieren, die bezüglich ihrer äußeren Konturen becher
förmig ausgebildet ist, die aufrecht - mit dem geschlossenen
Boden des Bechers nach unten - angeordnet ist, und die im
Querschnitt eine ringförmige Gestalt hat; man könnte also
von einem doppelwandigen Becher mit einem geschlossenen
Boden am unteren Ende sprechen. Das zurückfließende Konden
sat tritt in diese in ihrem oberen Teil ringförmige Ver
dampfungskammer längs des oberen Randes derselben ein.
Das Kondensat fließt in eine ringförmige Rinne an der
Innenwand der Verdampfungskammer und wird von dieser Rinne,
wenn dieselbe überfließt, gleichmäßig auf den Umfang der
Innenwand verteilt. Ein Dochtmaterial ist an der Innenwand
angebracht, um die Verteilung des Kondensats auf die ge
samte Innenwandoberfläche zu verbessern und dadurch eine
wirksame Verdampfung zu fördern. Eine weitere Schale bzw.
ein weiterer Mantel sitzt in vorteilhafter Ausgestaltung
der Erfindung innerhalb des inneren Mantels der Ver
dampfungskammer, so daß ein innerer Ringraum mit becher
förmiger Gestalt realisiert wird, der als Heizkanal zum
Beheizen des inneren Mantels der Verdampfungskammer dient.
Das Heizmedium fließt durch den Ringraum zwischen den
beiden inneren Schalen und führt dabei die zum Verdampfen
des Kondensats erforderliche Wärme zu. Der Heizkanal ist
dabei Teil einer Verbrennungseinrichtung, welche die
Wärme liefert, und zwar insbesondere in Form heißer gas
förmiger Verbrennungsprodukte, die durch den ring- und
becherförmigen Heizkanal strömen.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die
Kondensierkammer und die Verdampfungskammer über eine
einzige Leitung verbunden sind, durch die das Kondensat
zur Verdampfungskammer fließt, und durch die das ver
dampfte Heizmedium in entgegengesetzter Richtung zur
Kondensierkammer fließt. Dort, wo die Leitung in die
Verdampfungskammer eintritt, ist sie oberhalb des Pegels
für das zurückfließende Kondensat mit ein oder mehreren
Öffnungen versehen, so daß das verdampfte Heizmedium aus
der Verdampfungskammer in die Leitung strömen kann, ohne
durch das zurückfließende Kondensat behindert zu werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
von Unteransprüchen. Weitere Einzelheiten und Vorteile
der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen
noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine halbschematische Querschnittsdarstellung
eines Stirlingmotors mit dem verbesserten
Heizsystem gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte Detaildarstellung der
Anordnung gemäß Fig. 1;
Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt längs der
Linie 3-3 in Fig. 2;
Fig. 4 einen vergrößerten Längsschnitt längs der
Linie 4-4 in Fig. 1;
Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4
und
Fig. 6 einen im wesentlichen horizontalen Querschnitt
längs der Linie 6-6 in Fig. 5.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Heißgasmaschine 10 mit
einem Heizsystem 12 gemäß der Erfindung. Mit Ausnahme des
neuen Heizsystems 12 ist die Maschine 10 wie die in der
US-PS 40 55 952 beschriebene Heißgasmaschine aufgebaut.
Die Maschine 10 besitzt also eine Antriebseinheit mit
einem Block bzw. einem Gehäuse 14, in dem eine Kurbel
welle 16 gelagert ist. Die Antriebseinheit besitzt einen
Niedertemperatur-Kompressionszylinder 18 und einen Hoch
temperatur-Expansionszylinder 20, der mit einer gegenüber
der niedrigen Temperatur relativ höheren Temperatur
arbeitet, wobei die beiden Zylinder 18, 20 V-förmig
angeordnet sind. In jedem Zylinder 18, 20 befindet sich
ein zugeordneter Kolben 22, 24, der über eine zugeordnete
Kolbenstange 26, 28 mit einem zugeordneten Kreuzkopf
30, 32 verbunden ist, wobei die Kreuzköpfe 30, 32 ihrer
seits mit Kurbelarmen 34, 36 verbunden sind, die mit der
Kurbelwelle 16 verbunden sind. Die beiden Kolben 22, 24
arbeiten dabei,wie in der zitierten Patentschrift be
schrieben, mit einer Phasenverschiebung von 90°.
Ein heißes Arbeitsgas, wie z.B. Helium, ist in einer
geschlossenen Strecke zwischen den kopfseitigen Enden der
Zylinder 18, 20 eingeschlossen. Diese geschlossene Strecke
umfaßt ausgehend vom Kopfende des Kompressionszylinders 18
folgende Elemente: einen Kühler 40, einen Regenerator 42
und einen Kondensator 44, wobei letzterer Teil des Heiz
systems 12 ist. Im Betrieb führt das Heizsystem 12 dem
Arbeitsgas externe Wärme zu, wenn dieses den Kondensator 44
passiert.
Das Arbeitsgas bewegt sich zwischen den beiden Zylindern
18, 20 hin und her, wenn sich die Kolben 22, 24 in ihren
Zylindern 18, 20 hin- und herbewegen. Das komprimierte
Arbeitsgas wird veranlaßt, durch den Kühler 40 zu strömen,
wo die Wärme aus dem Arbeitsgas abgezogen wird und als
Verlustwärme aus dem Prozess abgeleitet wird. Der Rege
nerator 42 arbeitet als Kombination von Wärmequelle und
Kühlvorrichtung, indem er abwechselnd Wärme aus dem
Arbeitsgas absorbiert, wenn das ihn durchströmende Gas
relativ heiß ist, und die absorbierte Wärme dann wieder
an das Arbeitsgas abgibt, wenn er von relativ kaltem
Arbeitsgas durchströmt wird. Der Kondensator 44 ist die
Baugruppe, in der dem Arbeitsgas von außen zusätzliche
Wärme zugeführt wird.
Aufgrund der beschriebenen Arbeitsweise verläuft ein
Arbeitszyklus so, daß das heiße Gas expandiert, wodurch
die Kurbelwelle 16 angetrieben wird und dabei eine
nutzbare mechanische Leistung erzeugt. Der Arbeitszyklus
ist ein kontinuierlicher Vorgang, wobei der Gesamtablauf
sich so gestaltet, daß der Kondensator 44 eine Wärmequelle
darstellt, an der externe Wärme zugeführt wird, während
der Kühler 44 eine Kühlvorrichtung darstellt, an der Ab
fallwärme abgeführt wird. Das heiße Arbeitsgas durch
läuft einen thermodynamischen Zyklus auf der geschlossenen
Strecke zwischen den Kolben und Zylindern, welche Elemente
dieser Strecke bilden, wobei an der Kurbelwelle eine
mechanische Leistung entwickelt wird.
Einzelheiten des Aufbaus des Kondensators 44 können Fig. 1
bis 3 entnommen werden. Eine Anzahl von im wesentlichen
identischen Einzelrohren 46 ist als Bündel zwischen einem
Kopfstück 48 am einen Ende des Bündels und einem zweiten
Kopfstück 50 am gegenüberliegenden Ende des Bündels ange
ordnet. Die im Einzelfall verwendete Anzahl von Rohren 46
ist eine Funktion verschiedener Gestaltungskriterien;
ein Wert von 30 bis 40 Rohren pro Bündel wird jedoch
als repräsentativ angesehen. Die einzelnen Rohre 46 haben
vorzugsweise einen zylindrischen Querschnitt und zwischen
den beiden Kopfstücken 48 und 50 eine S-förmige Gestalt.
Die Rohre 46 verlaufen also im wesentlichen parallel zu
einander, obwohl sie nicht gerade sind. Der Zweck der S-
förmigen Ausbildung der Rohre 46 besteht darin, eine
Wärmedehnung und -kontraktion zu ermöglichen.
Der Kondensator 44 besitzt ferner einen Mantel 52, der mit
den Kopfstücken 48, 50 verbunden ist und das Bündel von
Einzelrohren 46 umgibt. Der Mantel 52 besitzt eine im
wesentlichen kreiszylindrische Wand 54, welche sich in
Längsrichtung zwischen den beiden Kopfstücken 48, 50 er
streckt. Die Enden des Kondensators 44 sind so geformt,
daß sich ein Abschluß zwischen der zylindrischen Wand 54
und den beiden Kopfstücken 48 und 50 ergibt. Die einzelnen
Rohre 46 befinden sich somit in einer Kondensatorkanmer 55,
welche durch die Wand 54 und die Verschlußbereiche des
Mantels 52 gebildet wird, welche die beiden Kopfstücke 48
und 50 umgeben.
Während die Wand 54 in der Zeichnung als gerade Zylinderwand
dargestellt ist, kann sie ausgewählte Bereiche 56 (Fig. 2)
aufweisen, welche dem Ausgleich von Wärmedehnungen und
-kontraktionen dienen.
Ein Ende des Bündels von Rohren 46 ist dichtend in das
Kopfstück 48 eingepaßt, während das andere Ende des Bündels
dichtend in das Kopfstück 50 eingepaßt ist. Die Kopfstücke
48, 50 bilden also Sammelräume, welche die einzelnen Rohre
46 miteinander und mit Bereichen 58 bzw. 60 der Gasstrecke
verbinden, welche an den beiden Enden des Kondensators 44
liegen, wobei der zu dem Regenerator 42 führende Bereich 58
angrenzend an den Regenerator 42 angeordnet ist, während
der Bereich 60 zwischen dem anderen Kopfstück 50 und dem
Expansionszylinder 20 liegt.
Jedes der beiden Kopfstücke 48, 50 besitzt seine eigene
Mittelachse 62 bzw. 64 und die Enden der Rohre 46 treten
in die betreffenden Kopfstücke 48, 50 jeweils parallel
zu deren Mittelachse 62 bzw. 64 ein. Bei der gezeigten
S-förmigen Ausbildung der Rohre 46 fallen die Achsen der
Kopfstücke 48, 50 also nicht zusammen und verlaufen unter
einem Winkel zur Längsachse 66 der zylindrischen Wand 54.
Wie am besten aus Fig. 3 deutlich wird, sind die einzelnen
Rohre 46 des Rohrbündels im Abstand voneinander und von
der Außenwand 54 angeordnet.
Eine Verbindungsstrecke 68 verläuft zwischen dem Konden
sator 44 und einem Verdampfer 70, wobei auch diese Elemente
68, 70 Teile des Heizsystems 12 sind. Die Verbindungs
strecke 68 besteht aus einem rohrförmigen Kanal, dessen
eines Ende mit dem Inneren der Kondensationskammer 55 des
Kondensators 44 in Verbindung steht. Dieser Anschluß ist
mit Bezugszeichen 71 bezeichnet und als radialer Anschluß
stutzen dargestellt, welcher angrenzend an das Kopfstück 48
an der Wand 54 vorgesehen ist. Dieser Anschlußpunkt liegt
an einer relativ tiefen Stelle des Kondensators 44.
Das andere Ende der Verbindungsstrecke 68 steht mit einem
relativ hochgelegenen Punkt einer Verdampfungskammer 72
des Verdampfers 70 in Verbindung. Die konstruktiven Einzel
heiten können den Darstellungen gemäß Fig. 4 bis 6 ent
nommen werden. Der Kanal 68 ist räumlich an einem höheren
Punkt des Kondensators 44 angeschlossen als dessen Verbin
dung mit der Verdampfungskammer 72.
Betrachtet man speziell Fig. 4 der Zeichnung, so wird
deutlich, daß der Verdampfer 70 drei becherförmige
Mäntel 74, 76, 78 aufweist, die ineinander geschachtelt
sind, wobei der Mantel 74 in dem Mantel 76 sitzt, der
seinerseits in dem Mantel 78 sitzt. Die Achse 80 des
Verdampfers 70 verläuft im wesentlichen senkrecht.
Jede Schale bzw. jeder Mantel 74, 76, 78 umfaßt eine
zvlindrische Seitenwand 74 A, 76 A, 78 A sowie einen
Boden 74, B, 76 B, 78 B. Die beiden Schalen 74, 76 defi
nieren gemeinsam einen Strömungskanal 81, durch den
heiße gasförmige Produkte einer Verbrennungsströmung
in Richtung der in Fig. 4 eingezeichneten Pfeile 82
hindurchströmen. Die Quelle dieser Gase ist eine Ver
brennungseinrichtung 83, welche zum Zusammenwirken mit
der innersten Schale 74 angeordnet ist. Die Verbrennungs
einrichtung 83 umfaßt eine Verbrennungszone, in der
ein flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff verbrannt
wird. Der Boden 74 B der Schale 74 besitzt eine Öffnung
84, durch die die Verbrennungsgase in einen Ringraum
eintreten, der durch die beiden Schalen bzw. Mäntel 74,
76 definiert wird. Nach dem Passieren der Öffnung 84
strömen die heißen Verbrennungsgase nach außen und
dann längs der Wand des Mantels 76 nach oben. Fig. 4
zeigt, daß zwischen den beiden Schalen bzw. Mänteln 74,
76 eine Rippenanordnung 86 angeordnet ist. Letztere
fördert den Wärmeübergang von den heißen gasförmigen
Verbrennungsprodukten auf die Wand des Mantels 76,
indem sie eine größere Oberfläche für die Wärmeüber
tragung schafft.
Der Mantel 76 und der Mantel 78 definieren gemeinsam
die Verdampfungskammer 72 und sind an einer ringförmigen
Verbindungsstelle 88 dichtend miteinander verbunden.
Die Verdampfungskammer 72 hat somit eine im wesent
lichen becherförmige Gestalt.
Das Erhitzen des Mantels 76 in der oben beschriebenen
Weise bewirkt eine Beheizung der Verdampfungskammer 72.
Die Leitung bzw. die Verbindungsstrecke 68 ist an dem
Verdampfer im Bereich des oberen Randes der becher
förmigen Verdampfungskammer 72 angeschlossen, so daß
die Verdampfungskammer 72 die Kondensationskammer 55
und die Verbindungsleitung 68 ein vollständig geschlos
senes Volumen definieren.
Ein geeignetes thermisches Medium, welches in dem
hier interessierenden Temperaturbereich in der flüssigen
Phase und in der Dampfphase vorliegen kann, ist inner
halb des geschlossenen Volumens 55, 68, 72 angeordnet.
Ein geeignetes Medium ist Natrium. Kurz gesagt, wird
das Natrium in der Verdampfungskammer 72 durch die von
der Verbrennungseinrichtung 83 in der oben beschriebenen
Weise zugeführten Wärme verdampft. Der Dampf strömt
durch die Leitung 68 zu der Kondensationskammer 55, wo
er an den einzelnen Rohren 46 des Rohrbündels entlang
streicht. Der Dampf kondensiert an den Rohren 46, wo
bei er Wärmeenergie an das heiße Arbeitsgas der
Maschine abgibt, wenn dieses durch die Rohre 46 strömt.
Das flüssige Kondensat fließt durch die Leitung 68 in
den Verdampfer 70 zurück, wo es erneut verdampft wird.
Dies ist ein kontinuierlicher Prozess, bei dem das
Heizen des Verdampfers durch die Verbrennungsein
richtung zu einer Zirkulation des Heizmediums in der
vorstehend beschriebenen Weise führt.
Der äußerste Mantel 78 besitzt eine Öffnung 90, durch
die ein Ende der Leitung 68 hindurch in die
Verdampfungskammer 72 geführt ist. Die Leitung 68 tritt
in die Verdampfungskammer 72 vorzugsweise mit einem
kleinen Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen ein,
so daß das zurückkehrende Kondensat unter dem Einfluß
der Schwerkraft in den Verdampfungsraum 72 fließt. Die
Längsachse der Leitung 68 verläuft also im wesentlichen
radial, jedoch unter einem Winkel, und die Leitung 68
reicht bis zu der zylindrischen Wand 76 A des Mantels 76.
Auf der Höhe des inneren Endes der Leitung 68 verläuft
ein Ring 92 im Inneren der Verdampfungskammer 72 rings
um die Außenseite des Mantels 76 und bildet eine flache
ringförmige Rinne 94 am Boden eines Kanals 95, der durch
den Ring 92 einerseits und den Mantel 76 andererseits
definiert ist. Das zurückkehrende Kondensat fließt beim
Verlassen der Leitung 68 zunächst in die Rinne 94, wobei
in dem Ring 92 Öffnungen 96 für das Kondensat vorge
sehen sind. Der Kanal 95 mit der Rinne 94 dient dazu, das
Kondensat auf den gesamten oberen Umfang der Ver
dampfungskammer 72 zu verteilen, so daß das Kondensat den
heißen Mantel 76 im wesentlichen vollständig benetzt,
wodurch eine wirksame Verdampfung des umlaufenden
Natriums erreicht wird. Im einzelnen erfolgt die Be
netzung dadurch, daß in Abständen längs des Ringes 92
Öffnungen 96 vorgesehen sind, die über der Unterkante
des Ringes 92 enden, der dichtend mit der Wand 76 A des
Mantels 76 verbunden ist, um die Rinne 94 zu schaffen.
Wenn der Pegel des flüssigen Natriums in der Rinne 94
ansteigt, ergibt sich ein Überlaufen durch die Öffnungen
96, von wo das flüssige Natrium an der Wand 76 A nach
unten rinnt.
Zur weiteren Förderung der Benetzung der Wand 76 A ist
unterhalb des Ringes 92 auf dem gesamten Umfang des
Mantels 76 ein Dochtmaterial 98 angeordnet, welches
auf der Außenseite des Mantels 76 eine Schicht bildet,
die dick genug ist, das flüssige Natrium aufzusaugen
und gleichmäßig zu verteilen. Die Schicht ist jedoch
nicht dick genug, um die Verdampfungskammer zu ver
stopfen, so daß der restliche Raum für den Natrium
dampf frei bleibt. Die verdampfte Flüssigkeit strömt
nach oben durch den Verdampfungsraum 72 hindurch und
tritt in die Leitung 68 über ein oder mehrere Öffnungen
100 ein, die über dem Pegel des zurückfließenden Kon
densatstroms liegen. Die Öffnungen 100 befinden sich
also in der Seitenwand der Leitung 68 über dem Konden
satpegel, wobei es wünschenswert sein kann, an der
Verbindungsstelle zwischen dem Leitungsende und dem
Verdampfer eine Verstärkung bzw. einen Ausguß 102 anzu
bringen. Der Durchmesser der Leitung 68 wird jedenfalls
ausreichend groß gewählt, so daß die Flüssigkeits
strömung und die Dampfströmung beide durch die Leitung
68 hindurchfließen können, ohne sich zu beeinträchtigen.
In Fig. 5 und 6 ist die Strömungsrichtung des zurück
fließenden Kondensats durch Pfeile 104 angedeutet,
während die Richtung der Dampfströmung durch Pfeile 106
angedeutet ist.
Aufgrund der beschriebenen neuartigen Konstruktion des
Heizsystems kann das Arbeitsgas auf eine höhere Tempe
ratur erhitzt werden, was zu einem verbesserten Wir
kungsgrad führt, ohne bei gegebenen Grenztemperaturen
für die verwendeten Bauteile eine Verringerung der
Lebensdauer zu bewirken.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird ferner deutlich,
daß lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde, und daß dem Fachmann ausgehend von
diesem Ausführungsbeispiel zahlreiche Möglichkeiten für
Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote stehen, ohne
daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen
müßte.
Claims (20)
1. Heißgasmaschine, in der ein Arbeitsgas längs einer
geschlossenen Strecke zwischen einem kälteren Kompres
sionszylinder und einem heißeren Expansionszylinder
hin- und herströmt, wobei längs der Strecke eine Wärme
quelle und eine Kühlvorrichtung angeordnet sind, die
in Verbindung mit dem Expansionszylinder und dem Kom
pressionszylinder auf das Gas einwirken, um für dieses
einen thermodynamischen Zyklus herbeizuführen, in dessen
Verlauf durch die Maschine verwertbare mechanische
Antriebsenergie erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Wärmequelle (12) folgende Elemente umfaßt:
- a) Mehrere einzelne Rohre (46), von denen jedes einen Teil der geschlossenen Strecke (18, 20, 40, 42, 44) für das Arbeitsgas bildet, und die im Abstand von einander nebeneinander angeordnet und derart von einem Mantel (52) umgeben sind, daß eine geschlossene Kondensierkammer (55) gebildet wird, durch die die Rohre (46) hindurchgehen;
- b) einen Verdampfer (70), welcher eine geschlossene Verdampfungskammer (72) besitzt;
- c) Verbindungseinrichtungen (68), welche die Verdampfungs kammer (72) und die Kondensierkammer (55) miteinander verbinden und zusammen mit diesen Kammern (55, 72) ein abgeschlossenes Volumen definieren, in dem sich ein Heizmedium befindet, welches einen gasförmigen und einen flüssigen Zustand annehmen kann; und
- d) Heizeinrichtungen (83) für den Verdampfer (70) zum Beheizen der Verdampfungskammer (72) und zum Ver dampfen des Heizmediums, wobei die Kammern (55, 72) und die Verbindungsein richtungen (68) so ausgebildet und angeordnet sind, daß das Beheizen des Heizmediums dazu führt, daß dieses in einem geschlossenen Kreislauf umläuft, derart, daß es in der Verdampfungskammer (72) verdampft wird, die Verbindungseinrichtungen (68) durchströmt, in die Kondensierkammer (55) eintritt und die Rohre (46) um strömt und dabei kondensiert und Wärmeenergie auf das durch die Rohre (46) strömende Arbeitsgas überträgt und dann als kondensierte Flüssigkeit aus der Konden sierkammer (55) über die Verbindungseinrichtungen (68) in die Verdampfungskammer (72) zurückfließt, wo es erneut verdampft wird.
2. Heißgasmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohre (46) parallel zueinander angeordnet sind.
3. Heißgasmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohre (46) alle im wesentlichen dieselbe Länge
haben und daß die Rohre an ihrem einen Ende mit einem
ersten gemeinsamen Kopfstück (48) und an ihrem anderen
Ende mit einem zweiten gemeinsamen Kopfstück (50) ver
bunden sind.
4. Heißgasmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohre (46) zwischen den Kopfstücken (48, 50) eine
gekrümmte Form aufweisen, welche Wärmedehnungen und
-kontraktionen ermöglicht.
5. Heißgasmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohre (46) S-förmig gekrümmt sind.
6. Heißgasmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Kopfstück (48, 50) seine eigene Mittelachse
(62, 64) aufweist, daß die Enden der Rohre (46) in die
beiden Kopfstücke (48, 50) parallel zu deren Mittel
achsen (62, 64) eintreten und daß die Mittelachsen
(62, 64) der Kopfstücke (48, 50) unter einem Winkel
zueinander verlaufen.
7. Heißgasmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Mantel (52), welcher die Kondensierkammer (55)
umgibt, einen Bereich (56) aufweist, welcher Wärme
dehnungen und -kontraktionen in axialer Richtung er
möglicht.
8. Heißgasmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Mantel (52) eine zylindrische Wand (54) umfaßt,
welche sich in Längsrichtung der Rohre (46) erstreckt,
sowie Verschlußeinrichtungen, welche die Enden der
zylindrischen Wand (54) bezüglich der Kopfstücke (48, 50)
schließen.
9. Heißgasmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes der Rohre (46) S-förmig gekrümmt ist, daß jedes
der Kopfstücke (48, 50) seine eigene Achse (62, 64) auf
weist, daß die Rohrenden in den beiden Kopfstücken (48,
50) jeweils parallel zu deren Achse (62, 64) aufgenommen
werden und daß die Achsen (62, 64) der Kopfstücke (48,
50) nicht auf einer Linie liegen.
10. Heißgasmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindungseinrichtungen eine rohrförmige
Leitung (68) umfassen, welche die Kondensierkammer (55)
an einem niedrigen Punkt ihres Mantels (52) mit einem
hohen Punkt der Verdampfungskammer (72) des Verdampfers
(70) verbindet und daß der niedrige Punkt des Mantels
(52) in senkrechter Richtung über dem hohen Punkt der
Verdampfungskammer (72) angeordnet ist.
11. Heißgasmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdampfer (70) einen inneren Mantel (76) und
einen äußeren Mantel (78) aufweist und daß die beiden
Mäntel (76, 78) einen ringförmig becherförmigen
Zwischenraum als Verdampfungskammer (72) definieren
und daß der hohe Punkt der Verdampfungskammer (72) am
oberen Rand des ring- und becherförmig ausgebildeten
Zwischenraums angeordnet ist.
12. Heißgasmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß die Heizeinrichtung (83) für die Verdampfungs
kammer (72) Wärmeübertragungseinrichtungen (81, 86)
umfaßt, mit deren Hilfe der Außenseite des inneren
Mantels (76) der Verdampfungskammer (72) Wärme zuführ
bar ist, daß an der Innenseite des inneren Mantels (76)
in der Verdampfungskammer (72) ein Dochtmaterial (98)
vorgesehen ist, um die Verteilung des flüssigen Heiz
mediums über die Innenseite des inneren Mantels (76)
zu fördern, und daß die Verbindungseinrichtungen (68)
derart angeordnet sind, daß das kondensierte flüssige
Heizmedium, welches zu der Verdampfungskammer (72)
zurückfließt, zur Innenseite des inneren Mantels (76)
gelenkt wird.
13. Heißgasmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine flache Rinne (94) vorgesehen ist,
welche den inneren Mantel (76) auf seiner Innenseite
umgibt, um zu der Verdampfungskammer (72) zurück
kehrendes flüssiges Heizmedium aufzunehmen und dieses
ringförmig bezüglich der Innenseite des inneren Mantels
(76) zu verteilen, derart, daß die Rinne (94) über
läuft und das Heizmedium an der Innenseite des inneren
Mantels (76) abwärts fließt und das Dochtmaterial
tränkt.
14. Heißgasmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdampfer (70) einen inneren Mantel (76) und
einen äußeren Mantel (78) aufweist, die die Ver
dampfungskammer (72) in Form einer ringförmigen, auf
recht angeordneten und becherförmigen Kammer defi
nieren und daß die Verbindungseinrichtungen eine rohr
förmige Leitung (68) umfassen, welche mit der Ver
dampfungskammer (72) im Bereich des Randes des ring
förmigen, aufrecht angeordneten becherförmigen Raums
verbunden ist.
15. Heißgasmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich
net, daß die Heizeinrichtung (83) für die Verdampfungs
kammer (72) Wärmeübertragungseinrichtungen (81, 86)
umfaßt, mit deren Hilfe einem der Mäntel (76, 78) auf
seiner Außenseite Wärme zuführbar ist und daß die
rohrförmige Leitung (68) derart angeordnet ist, daß das
zu der Verdampfungskammer (72) zurückfließende flüssige
Heizmedium zu diesem Mantel gelenkt wird.
16. Heißgasmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich
net, daß im Inneren der Verdampfungskammer (72) an dem
beheizten Mantel (76) ein Dochtmaterial (98) angeordnet
ist, um die Verteilung des flüssigen Heizmediums auf
der Innenseite dieses Mantels (76) zu fördern, daß
rings um die Innenseite des beheizten Mantels (76)
eine flache Rinne (94) verläuft, die so angeordnet ist,
daß ihr das zurückfließende flüssige Heizmedium aus
der rohrförmigen Leitung (68) zuführbar ist, und die
das flüssige Heizmedium in Umfangsrichtung längs der
Innenseite des beheizten Mantels (76) verteilt und
das flüssige Heizmedium überlaufen läßt, so daß dieses
an der Innenseite abwärts fließt und das Dochtmaterial
(98) tränkt.
17. Heißgasmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich
net, daß die rohrförmige Leitung (68) Verbindungs
einrichtungen (100) aufweist, über die der an das Docht
material (98) angrenzende freie Raum der Verdampfungs
kammer (72) mit der rohrförmigen Leitung (68) verbind
bar ist, um verdampftes Heizmedium aus diesem freien
Raum über die rohrförmige Leitung (68) in die Konden
sierkammer (55) zu leiten.
18. Heißgasmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich
net, daß der beheizte Mantel (76) der innere Mantel ist.
19. Heißgasmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindungseinrichtungen eine einzige Leitung
(68) umfassen, welche gleichzeitig dem Transport des
flüssigen und des dampfförmigen Heizmediums dient.
20. Heißgasmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdampfer einen inneren Mantel (76) und einen
äußeren Mantel (78) umfaßt, welche gemeinsam die Ver
dampfungskammer (72) bilden und daß die Heizeinrichtung
(83) einen weiteren Mantel (74) umfaßt, der so angeordnet
ist, daß er mit dem inneren oder dem äußeren Mantel
(76, 78) zusammenwirkt, um eine Heizzone (81) für
das Heizmedium zu bilden, durch die ein Heizfluid
geleitet wird, um durch den einen Mantel (76) hindurch
Wärme zu übertragen, um das Heizmedium in der Ver
dampfungskammer (72) zu verdampfen.
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