DE3806114C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißgasmotor mit einem Erhit­ zersystem, dessen durch eine Außenwand räumlich begrenztes Gehäuse eine thermisch isolierende Auskleidung aufweist.

Die Erfindung geht aus von einem druckschriftlichen Stand der Technik gemäß DE-OS-22 17 072 und US-PS 38 98 841. In beiden Fällen ist bei einem Heißgasmotor ein Erhitzersystem vorhanden, dessen durch eine Außenwand räumlich begrenztes Gehäuse eine thermisch isolierende Auskleidung aufweist. Während bei der DE-OS-22 17 072 über die Art, Ausbildung und Material der isolierenden Auskleidung nichts ausgesagt ist, gibt die US-PS 38 98 841 für die thermische Isolierung die Lösung an, den gesamten freien Innenraum zwischen allen Er­ hitzersystemteilen und einer Metallblechaußenwand mit Iso­ liermaterial wie Keramikkurzfasern oder keramischem, matten­ förmigem Dämmaterial auszufüllen. Dies setzt jedoch auch in­ nenseitig eine aufwendige und komplizierte Abschottung aller Räume, die an sich nicht notwendig ist, voraus.

Als thermische Auskleidung des Gehäuses eines Erhitzersy­ stems ist aber auch schon folgende Lösung bekannt geworden, bei der ein Erhitzer-Raum durch eine sich innen direkt an der durch ein Metallblech gebildeten Außenwand des Gehäuses anschließende Ausmauerung mit Schamott-Steinen thermisch isoliert wurde. Solche Ausmauerungen erweisen sich aber nicht in allen Fällen als geeignet, weil deren Wärmedämmung nach außen ungenügend sein kann. Die im Erhitzer-Raum übli­ cherweise herrschenden Rauchgastemperaturen von ca. 2000°C können mit einer solchen Ausmauerung nur begrenzt eingedämmt werden, d.h., die Außenwand des Gehäuses des Erhitzersystems strahlt Wärme mit so hohen Temperaturen ab, daß ein Einsatz des so ausgestatteten Stirling- bzw. Heißgasmotors in eng begrenzten Räumen, in denen sich auch Personen aufhalten müssen, weitestgehend ausgeschlossen ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einem Heißgasmotor eine solche thermisch isolierende Auskleidung für das Gehäu­ se des Erhitzersystems zu schaffen, die die im Erhitzer-Raum auftretenden hohen Rauchgastemperaturen so weit dämmt, daß an der Außenseite des Gehäuses nur eine geringfügig über normalen Raumtemperaturen liegende Wärmeabstrahlung auftre­ ten kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen Heißgasmotor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Heißgasmotors sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die mehrschichtige keramische Auskleidung des Gehäuses des Erhitzersystems erfolgt der Temperaturabbau von innen nach außen praktisch in zwei Stufen. Die innere Dämmwand mit ihren keramischen Isolationselementen wirkt als Hitzeschild. An der Rückseite dieser Isolationselemente herrscht bereits ein niedrigeres Temperatur-Niveau als im Erhitzer-Raum. Die­ se Temperatur wird durch die Zwischenraum-Ausfüllung mit ke­ ramischem Faser- oder Schüttgut-Dämmaterial noch soweit ab­ gebaut, daß an der Außenseite des Gehäuses des Erhitzersy­ stems an den für Personen, z.B. Bedienungs- oder Wartungs­ personal, zugänglichen Stellen nur noch Temperaturen unter 100°C herrschen. Außerdem ist es aufgrund der erfindungsge­ mäßen Konstruktion möglich, etwaige defekte Teile der inne­ ren Dämmwand mit wenigen Handgriffen auszutauschen. Letzte­ res erweist sich insbesondere bei Stirling- bzw. Heißgasmo­ toren in instationären Anlagen, an denen starke Vibrationen oder sonstige möglicherweise zum Bruch des Keramikmaterials führende Erschütterungen auftreten, als sehr zweckmäßig.

Nachstehend ist die erfindungsgemäße Lösung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher­ erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Erhitzersystem eines Stir­ ling- bzw. Heißgasmotors quer zur Rauchgasströ­ mungsrichtung mit einer Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Auskleidung,

Fig. 2 das Erhitzersystem gemäß Fig. 1 mit einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Auskleidung,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Erhitzersystem gemäß Fig. 1 entlang Linie III-III,

Fig. 4 einen Schnitt durch das Erhitzersystem gemäß Fig. 2 entlang Linie IV-IV,

Fig. 5 einen Schnitt durch die Auskleidung des Erhitzersy­ stems gemäß Fig. 1 entlang Linie V-V von Fig. 3,

Fig. 6 einen Schnitt durch die Auskleidung des Erhitzersy­ stems gemäß Fig. 1 entlang Linie VI-VI von Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt durch die Auskleidung des Erhitzer­ systems gemäß Fig. 2 entlang Linie VII-VII von Fig. 4,

Fig. 8 einen Schnitt durch die Auskleidung des Erhitzer­ systems gemäß Fig. 2 entlang Linie VIII-VIII von Fig. 7,

Fig. 9 eine Querschnittsvariante zu den bei der Ausklei­ dung gemäß Fig. 2 verwendeten Rohren,

Fig. 10 einen Querschnitt durch einen Stirling- bzw. Heiß­ gasmotor mit in Reihe angeordneten Zylindern,

Fig. 11 einen Querschnitt durch einen Stirling- bzw. Heiß­ gasmotor mit V-förmig angeordneten Zylindern.

In den Figuren sind gleiche bzw. einander entsprechende Bau­ teile oder Teile derselben mit gleichem Bezugszeichen ange­ zogen.

Aus den Fig. 10 und 11 sind als Bezugsgrundlage beispiel­ haft zwei verschiedene Bauarten von Heißgasmotoren, bei de­ nen es sich auch um Stirlingmotoren handeln kann, ersicht­ lich. Diese dabei weitgehend schematisiert dargestellten Stirling- bzw. Heißgasmotoren 1 haben hinsichtlich Ausbil­ dung und Anordnung des Triebwerks 1/1, des Maschinengehäu­ ses 1/2, der Zylinder 1/3 mit darin arbeitenden Kolben, der Kolbenstangendichtungen 1/4, der Regenerator-Kühler-Ein­ heiten 1/5 und der arbeitsgasführenden Leitungswege eine übliche Konstruktion. Für das Verständnis der erfindungsge­ mäßen Lösung ist nur der ßereich des Erhitzersystems 1/6 notwendig, das praktisch den Kopf eines Motors 1 bildet.

Das Erhitzersystem 1/6 hat ein Gehäuse mit einer Außenwand 1/7, die innenseitig durch eine Auskleidung thermisch isoliert ist. Außerdem umfaßt das Erhitzersystem 1/6 wenigstens einen Brenner 1/8 zur Rauchgaserzeugung sowie wenigstens einen, beispielsweise durch einen ein- oder mehrstufigen Kreuz­ stromplattenwärmetauscher gebildeten Luftvorwärmer 1/9 und eine Einrichtung 6 zur kanalisierten Verbrennungsluftfüh­ rung. Der Luftvorwärmer 1/9 wird sowohl von vom Brenner 1/8 erzeugten Rauchgasen (in Richtung des Pfeiles 1/19) als auch von mittels eines nicht dargestellten Gebläses geförderter Luft (in Richtung des Pfeiles 1/11) durchströmt, die dabei erwärmt wird.

Der Brenner 1/8 ist als für Stirling- bzw. Heißgasmotoren 1 übliches Gesamtaggregat mit Luftverwirbelungseinrichtung, Einspritzvorrichtung, Zündeinrichtung, Brennkammer, Rezirku­ lationseinrichtung und dergleichen zu verstehen.

Der mit vorgewärmter Luft und Brennstoff, z.B. Öl oder Gas, versorgte Brenner 1/8 erzeugt Rauchgas mit einer Temperatur in der Größenordnung von 2000°C, das zunächst im räumlich begrenzten Erhitzerraum 2 Wärme an Erhitzerrohre 3 zur Er­ wärmung des diese durchströmenden Arbeitsgases (z.B. Helium) auf Arbeitsprozeßtemperatur abgibt, dann im Luftvorwärmer 1/9 noch Wärme abgibt und schließlich außerhalb des Erhitzersy­ stems 1/6 mittels eines Abgasrohres abgeführt wird.

Die Erhitzerrohre 3 sind in an sich bekannter Weise an nicht dargestellten Sammelkanälen angeschlossen und führen im Bei­ spiel gemäß Fig. 1 und 2 in einer unteren Ebene - strich­ punktierte Linie 4 - mit Teilabschnitten 3/1 parallel ver­ laufend in den Erhitzer-Raum 2 hinein und sind dort mit U-förmig gebogenen, beabstandet parallel nebeneinander ver­ laufenden Abschnitten 3/2 angeordnet, die eine quer zur Rauchgasströmungsrichtung ausgerichtete Erhitzerrohrwand bilden. Im Fall von Fig. 11 und 12 sind wegen der V-förmigen Anordnung der Zylinder 1/3 und zugeordneten Regenerator-Küh­ ler-Einheiten 1/5 zwei solcher Erhitzerrohrwände im Erhitzer- Raum 2 vorhanden.

Der von den Rauchgasen durchströmte Erhitzer-Raum 2 ist zur Bildung eines Rauchgaskanals allseitig begrenzt, und zwar unten durch eine im einzelnen nicht näher erläuterte ther­ misch isolierende Wärmedämmschicht 5, oben durch die Rohre 6/1 der Verbrennungsluftführungs-Einrichtung und eine außen davor angrenzende oder geringfügig beabstandete Wärmedämm­ schicht 7, sowie links und rechts durch eine isolierende Auskleidung 8 der erfindungsgemäßen Art. Diese Auskleidung 8 ist nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 9 näher erläutert.

Jede Auskleidung 8 besteht erfindungsgemäß aus einer im Ge­ häuse des Erhitzersystems 1/6 von der Außenwand 1/7 beab­ standet angeordneten inneren Dämmwand 9 aus einzeln nebenein­ ander angeordnet austauschbar fixierten lsolationselementen aus Keramikmaterial, und der, gegebenenfalls durch eine Zwi­ schenlage aus Keramikpapier 10 begrenzte Zwischenraum zwi­ schen Außenwand 1/7 und Dämmwand 9 ist durch keramisches Faser- oder Schüttgut-Dämmaterial 11 ausgefüllt.

Die innere Dämmwand 9 erstreckt sich zwischen zwei Randlei­ sten 12, 13 aus hitzebeständigem Metall, die außerhalb des rauchgasdurchströmten Erhitzer-Raumes 2 innen an der Außen­ wand 1/7 befestigt, z.B. angeschweißt oder angeschraubt sind und sowohl als Tragleisten für die Dämmwand 9 als auch als obere und untere Begrenzungswand für den mit Dämmaterial 11 ausgefüllten Zwischenraum dienen.

Im Fall von Fig. 1 ist die innere Dämmwand 9 der Auskleidung 8 durch eine Vielzahl von rechteckigen Keramikplatten 14 ge­ bildet, die - wie im Detail aus Fig. 3, 5 und 6 ersichtlich - an ihren Längsseiten Nuten 15, 16, insbesondere mit etwa halbrundem Querschnitt, aufweisen und über diese Nuten 15, 16, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Keramikpa­ pierlage 17, 18 von Keramikrohren 19 getragen werden. Diese Keramikrohre 19 erstrecken sich zwischen den beiden Randlei­ sten 12, 13 und sind endseitig jeweils an einer derselben lösbar fixiert. Mit besonderem Vorteil ist jedes der Keramik­ rohre 19 mit einer durchgehenden Keramikschnur bzw. einem durchgehenden Keramikzopf 20 ausgefüllt, der verhindert, daß bei einem etwaigen Bruch eines Rohres 19 dessen Bruchstücke und in deren Bereich angeordnete Keramikplatten 14 in den Erhitzer-Raum 2 fallen können. Die Befestigung der Keramik­ rohre 19 erfolgt durch Stahl- oder Keramik-Nägel 21, die durch abstandsmäßig exakt auf die Rohrlagen abgestimmt in den Randleisten 12, 13 vorhandene Löcher 22 hindurch stirn­ seitig in den Rohrinnenraum, dort insbesondere in die Fül­ lung 20, eingetrieben werden. Die Keramikplatten 14 haben eine Dicke von beispielsweise 30 mm; die zugehörigen Keramik­ rohre 19 haben einen Außendurchmesser von etwa 18 mm.

Im Fall von Fig. 2 ist die innere Dämmwand 9 der Auskleidung 8 durch eine Lage von unmittelbar aneinander oder über einen zwischengelegten Keramikpapierstreifen 23 aneinander angren­ zend angeordneten Keramikrohren 24 gebildet. Diese weisen als Füllung 25 ebenfalls eine Keramikschnur bzw. einen Kera­ mikzopf auf, erstrecken sich ebenfalls zwischen den beiden Randleisten 12, 13 und sind endseitig jeweils an einer der­ selben ebenfalls mittels Stahl- bzw. Keramik-Nägeln 26 lös­ bar fixiert, welche letztere durch in den Randleisten 12, 13 entsprechend dem Rohrabstand vorbereitete Löcher 27 hin­ durchgeführt und in den Bereich der Füllung 25 eingetrieben sind. Die Keramikrohre 24 können einen Kreisring-Querschnitt, wie in Fig. 7, 8 gezeigt, oder einen etwa rechteckigen Ring­ querschnitt mit einer Nut 28 längs der einen Längsseite und einen für Einpassung in jene Nut des benachbarten Rohres ge­ eigneten Randwulst 29 auf der gegenüberliegenden Längsseite - wie aus Fig. 9 ersichtlich - haben. Der Durchmesser bzw. die Dicke dieser Keramikrohre 24 beträgt beispielsweise 35 mm.

Bei dem Dämmaterial 11 im Zwischenraum zwischen Außenwand 1/7 und innerer Dämmwand 9 kann es sich um Wirrfliesmatten aus keramischen Fasern oder Schüttgut aus Keramikfaserbruchstücken, Keramikplatten-Bruchstücken oder keramisches Mahlgut handeln. Durch die Dichte des Wirrflieses bzw. die Korn- oder Bruch­ stückgröße des Schüttgutes kann der Luftanteil und damit die Isolationswirkung dieser Wärmedämmschicht eingestellt werden. Die Dicke dieser äußeren Schicht von Dämmaterial 11 beträgt etwa das 2- bis 4-fache der Dicke der inneren Dämm­ wand 9.

Im Fall der Verwendung von Wirrfliesmatten als Dämmaterial 11 kann auf die Zwischenlage der Keramikpapierschicht 10 zur inneren Dämmwand 9 hin verzichtet werden, während diese Ke­ ramikpapierschicht 10 bei Verwendung von Schüttgut als Däm­ material 11 deshalb zweckmäßig ist, weil letzteres im Falle eines Austausches eines gebrochenen Teiles der inneren Dämm­ wand 9 somit im Zwischenraum zwischen letzterer und der Au­ ßenwand 1/7 gehalten bleibt.

Claims (8)

1. Heißgasmotor mit einem Erhitzersystem (1/6), dessen durch eine Außenwand (1/7) räumlich begrenztes Gehäuse eine thermisch isolierende Auskleidung aufweist, wobei im Ge­ häuse, beabstandet von der Außenwand (1/7), eine innere Dämmwand (9) aus einzeln nebeneinander angeordnet aus­ tauschbar fixierten Isolationselementen (14 und 19 bzw. 24) aus Keramikmaterial angeordnet und der Zwischenraum zwischen Außenwand (1/7) und innerer Dämmwand (9) durch keramisches Faser- oder Schüttgut-Dämmaterial (11) ausge­ füllt ist.

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede Dämmwand (9) zwischen zwei Randleisten (12, 13) aus hitzebeständigem Metall erstreckt, die außerhalb des rauchgasdurchströmten Erhitzer-Raumes (2) innen an der Außenwand (1/7) befestigt, beispielsweise angeschweißt oder angeschraubt und sowohl als Tragleisten für die Dämmwand (9) als auch als Begrenzungswände für den mit Dämmaterial (11) ausgefüllten Zwischenraum dienend ausge­ bildet sind.

3. Heißgasmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Dämmwand (9) durch sich zwischen den beiden Randleisten (12, 13) erstreckende, dort endseitig lösbar fixierte, unmittelbar aneinander oder über je einen zwi­ schengelegten Keramikpapierstreifen (23) aneinander an­ grenzend angeordnete Keramikrohre (24) gebildet ist.

4. Heißgasmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Dämmwand (9) durch eine Vielzahl von aneinan­ der angrenzenden Keramikplatten (14) gebildet ist, die an ihren Längsseiten Nuten (15, 16) aufweisen und über diese Nuten, gegebenenfalls über je eine Zwischenlage (17, 18) aus Keramikpapier, von Keramikrohren (19) getragen sind, die sich zwischen den beiden Randleisten (12, 13) er­ strecken und endseitig an letzteren lösbar fixiert sind.

5. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikrohre (19 bzw. 24) mit ei­ ner durchgehenden Keramikschnur oder einem durchgehenden Keramikzopf (20) ausgefüllt sind.

6. Heißgasmotor nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Keramikrohre (19 bzw. 24) mittels Stahl- oder Keramiknägeln (21 bzw. 26) an den Randlei­ sten (12, 13) lösbar fixiert sind, wobei die Nägel in den Randleisten (12, 13) abstandsmäßig exakt auf die Rohrla­ gen abgestimmt vorhandene Löcher (22 bzw. 27) durchdrin­ gen und in den Innenraum der Rohre (19 bzw. 24) von deren Stirnseite her eingesteckt sind.

7. Heißgasmotor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die innere Dämmwand (9) eine Dicke von etwa 30 bis 40 mm und der mit Dämmaterial (11) ausgefüllte Zwischenraum demgegenüber etwa die 2- bis 4-fache Dicke aufweist.

8. Heißgasmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß innerhalb des zwischen Außen­ wand (1/7) und innerer Dämmwand (9) gegebenen Zwischen­ raumes das darin eingefüllte keramische Faser- oder Schüttgut-Dämmaterial (11) durch eine äußere Zwischenla­ ge (10) aus Keramikpapier zu den Wänden hin abgeschottet ist.