DE4219583A1 - Vorrichtung zur Wärmeübertragung bei hoher Temperatur auf das Arbeitsmedium von Regenerativ-Arbeits- oder Wärmemaschinen - Google Patents

Description

Zu den Arbeits- oder Wärmemaschinen, deren Wirkungsweise auf einem re­ generativen Kreisprozeß beruhen, zählen der bekannte Stirling-Motor, die Vuilleumier-Wärmepumpe sowie die thermohydraulische Arbeitsmaschi­ ne von Eder (EP 01 78 348 u. a.). Sie unterscheiden sich von den konven­ tionellen Verbrennungsmaschinen dadurch, daß deren Arbeitsprozeß von einem gasförmigen Medium (Helium, Wasserstoff, Stickstoff) in einem geschlossenem Zylinder ausgeführt und durch Brennstoffzufuhr von außen aufrechterhalten wird.

Zu diesem Zweck und für die Wiedernutzung der Heizwärme sind in Bild 1 alle Komponenten eines thermischen Verdichters angegeben, der in die­ ser oder abgewandelter Form den oben aufgeführten Maschinen zugrunde­ liegt. Er besteht aus dem Hochdruck-Zylinder (1) mit dem periodisch über die Kolbenstange (3) zwischen oberem (OT) und unterem Totpunkt (UT) bewegten Verdrängerkolben (2), der an seinem unteren Ende gegen die Zylinderlauffläche abgedichtet ist. Die von (2) im Zylinder (1) abgeteilten Arbeitsvolumina (4) und (5) sind außerhalb über den Heiz­ wärmeübertrager (6), den thermischen Regenerator (7) sowie den Kühler (8) miteinander verbunden, so daß während eines Arbeitszyklus das Ar­ beitsmedium, das meist unter einem Druck von 2 bis 12 MPa steht, peri­ odisch durch die Komponenten (6), (7) und (8) geschoben wird. Da der Gasdruck in diesem geschlossenen System überall der gleiche ist und am UT des Verdrängerkolbens das Arbeitsgas sich zum überwiegenden Teil im oberen Teilvolumen (5), am OT im unteren Volumen (4) befindet, wird dieser in jedem Zyklus zwischen Maximal- und Minimaldruck schwanken. Bei geschlossener Zuleitung (9) am unteren Zylinderboden erreicht das Druckverhältnis ihren Höchstwert.

Bei den oben angeführten Maschinen stellen diese Druckschwankungen die Ausgangsgröße zur Nutzung der zugeführten Wärmeleistung dar. Bei der Stirling-Maschine wird der periodisch veränderliche Gasdruck durch ei­ nen Kolben in einem zweiten Zylinder in mechanische Wellenleistung um­ gewandelt. Bei der Ederschen thermohydraulischen Arbeitsmaschine werden die Druckänderungen auf den Freikolben eines zweiten Zylinders über­ tragen und dessen aperiodischen Oszillationen in hydraulischen Hoch­ druck umgesetzt. Bei der Vuilleumier-Wärmepumpe dienen die erzeugten Druckänderungen dazu, in einer zweiten Zylinder-Verdrängerkolben-Ein­ heit, deren Kolben mit 90° Phasennacheilung arbeitet, die bei tiefer Temperatur zugeführte Wärmeleistung auf ein höheres Temperaturniveau zu heben.

Bei den bekannten Maschinen dieser Art ist der in Bild 1 mit (6) be­ zeichnete Hochtemperatur-Wärmeübertrager in größerer Anzahl und iden­ tischer Ausführung konzentrisch um den Zylinderkopf angeordnet. Bei­ spiele hierfür sind z. B. in WEST,C.D. "Principles and Applications of Stirling Engines (1986), WALKER, G. Stirling Engines (1980), US-OS 3.808,815, OS 2.328,792, OS 2.342,741 u. a. angegeben worden. Um die Heizleistung effektiv zuführen zu können, werden eine größere Anzahl parallel geschalteter berippter oder glatter Einzelrohre zur Wärme­ übertragung zwischen dem Rauchgasstrom des Brenners und dem im Rohr­ innern stromenden Arbeitsmedium angewandt. Es ist ferner Stand der Technik, diese Wärmeübertrager in Form von U-Rohren oder als konzen­ trische, außenberippte Doppelrohre auszubilden, die parallel zur Zy­ linderachse zwischen Zylinderkopf und Regenerator ringförmig angeord­ net sind.

Es ist ebenfalls bekannt, daß der Wirkungsgrad der Regenerativ Maschi­ nen mit der maximalen Gastemperatur im Arbeitszylinder zunimmt, aber auch von vielen Parametern, wie Röhrchenweite- und länge, Maßnahmen zur Erhöhung von äußerer und innerer Wärmeübergangszahl, Eigenvolumen und Druckdifferenz des gesamten Wärmeübertragers abhängt. Es gehört aber auch zum Stand der Technik, daß die Kosten aufgrund der aufwendi­ gen Konstruktion, der Rohrwerkstoffkosten und der vielen Schweißver­ bindungen bei Stirling-Motoren bis zu 40% der Gesamtkosten betragen.

Die vorliegende Erfindung verfolgt das Ziel, den Hochtemperatur-Wärme­ tauscher in den heilen Zylinderkopf selbst zu integrieren, wobei die wärmeübertragenden Flächen als Stützelemente des doppelwandigen Zylin­ ders fungieren und die äußere Wärmezufuhr über dicht gesetzte Schika­ nen auf dem Zylinderaußenmantel erfolgt, wodurch sich sowohl die Fer­ tigungskosten als auch die Übertragungs- und Strömungsverluste dra­ stisch reduzieren. Ein weiterer Aspekt der Erfindungsidee beeinhaltet fertigungstechnische Verfahren für die Herstellung der Wärmeübergangs­ elemente für die Wärmeübertragung auf das Arbeitsgas, bzw. vom Rauch­ gas an den Zylindermantel.

Die Grundidee der Erfindung läßt sich aus den Bildern 2a und 2b ver­ folgen, in denen Längs- und Querschnitt durch den Hochtemperatur-Zy­ linder gezeigt sind. Der Zylinder ist aus den konzentrischen Rohren (11) und (12) aus Cr-Ni-Stahl aufgebaut und an ihrem oberen Ende mit dem Zylinderdeckel (18) verschweißt. Der Verdrängerkolben (15) bewegt sich zentrisch in geringem Abstand vom Innenrohr (11) und schiebt da­ bei das Arbeitsgas durch dessen Öffnungen (19) in den Ringraum (13) zwischen den Rohren (11) und (12) und durch den thermischen Regenera­ tor (16), dessen Matrix (17) aus einem Stapel aus dünndrähtigen V2A-Netzen besteht. Nach dem Erfindungskonzept sind im Ringraum (13) dün­ ne Blechstreifen (2) aus Eisen oder Nickel in geringem seitlichen Ab­ stand durch Vakuumlöten angebracht, welche eine grobe Anzahl wärmelei­ tender und temperaturbeständiger Rechteckkanäle für das axial durch­ strömende Arbeitsgas bilden und den radialen Heizwärmestrom vom Außen­ zylinder (12) auf das Arbeitsgas leiten. Der mechanische Aspekt dieser Konstruktion bezieht sich auf die erzielte kraftschlüssige Verbindung zwischen den Zylinderrohren (11) und (12) durch die auf beiden Seiten mit Hochtemperaturlot eingelöteten Stege (20), die aus Gründen der besseren Wärmeübertragung aus kürzere Einzelstreifen ausgebildet sind.

Für die bessere Übertragung der Heizwärme des außen vorbeigeführten Rauchgases werden erfindungsgemäß auf der Mantelfläche des Außenzylin­ ders (12) zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Flächen Schikanen (14) in Form von Bolzen oder Rippen aus gut wärmeleitendem Metall, das der relativ hohen Rauchgastemperatur standhält, mittels Schweißen oder Vakuumlöten befestigt. Da durch das Anbringen der Stege (13) die auf den Zylinder ausgeübten Tangentialkräfte auf zwei Mantelrohre vertei­ len, reduziert sich deren Wandstärke und daher der Temperaturabfall im Außenrohr auch um etwa die Hälfte. Wegen des relativ geringen hydrau­ lischen Durchmessers der in Bild 2b im Schnitt dargestellten Kanäle für das Arbeitsgas, welches durch den Verdrängerkolben (15) pro Zyklus zweimal durch diese geschickt wird, werden hohe Wärmeübergangszahlen erreicht.

Der Schutzrechtanspruch erstreckt sich in Fortentwicklung dieses Kon­ zeptes auf eine besonders einfach zu realisierende Ausbildung des Wär­ meübertragers, wie er in den Bildern 3a-c im Schnitt dargestellt ist. Anstelle der Metallstreifen in Bild 2 werden gewellte Blechstreifen (20) zwischen Innen- (11) und Außenrohr (12) eingebracht und z. B. mit­ tels Vakuumlötung mit hochschmelzendem Lot zwischen dem Innenmantel des Außenrohres (12) und dem Außenmantel des Innenrohres (11) mecha­ nisch und gut wärmeleitend verbunden. (In Bild 3a sind die Lötflächen zeichnerisch hervorgehoben). Das Arbeitsgas strömt bei dieser Ausfüh­ rung durch Einzelkanäle mit dem Querschnitt eines gleichseitigen Drei­ ecks; ihre Anzahl verdoppelt sich fast bei gleicher Blechstärke im Vergleich zur Anordnung nach Bild 2 b. Beide Parameter: höhere Kanal­ zahl bei kleinerem hydraulischem Durchmesser, ergeben für die Heizwär­ meübertragung geringere Temperaturdifferenzen und Druckverluste für das Arbeitsmedium.

Die Wellung der einzelnen Blechstreifen (von 15 bis 30 mm Breite), aus denen der Heizwärmeübertrager besteht, wird durch Rollen zwischen zwei Zahnrädern mit Evolventenverzahnung passenden Moduls und einem Achsab­ stand erzeugt, der ebene Auflageflächen der Wellen hervorbringt. Bei vielen Anwendungen dieser Technologie ist Nickelblech geeignet, das auch bei Betriebstemperaturen zwischen 500 und 600°C noch ausreichende Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweist und mittels Nickel-Basislot im Hochvakuum mit den Rohren aus CrNi-Stahl verlötet werden kann.

Für höhere Wärmeleistungen und daher größere Übertragungsflächen wird erfindungsgemäß die in Bild 3 b im Schnitt dargestellte Anordnung an­ gegeben, bei der zwischen Außen- und Innenrohr (12, 11) zwei (oder mehr) gewellte Blechstreifen (21) unter Zwischenlage eines dünnwandi­ gen, durchgehenden Rohres (22) durch Vakuumlötung verbunden werden. Schließlich läßt sich das Zwischenrohr dadurch vermeiden, daß die zwei aufeinanderliegenden Blechstreifen (23, 24) mit einer schrägen Wellung unterschiedlicher Wellrichtung aufeinander und zwischen Außen- und In­ nenrohr verlötet sind, wie in Bild 3 c im Schnitt gezeigt ist.

Die zwischen Innen- und Außenrohr (11, 12) des Arbeitszylinders einge­ löteten Blechstreifen haben erfindungsgemäß die Aufgabe zu erfüllen, mit beiden Rohren ein hohlzylindrisches Gitterwerk zu bilden und mög­ lichst viele Kanäle gleichen Strömungsquerschnittes für das Arbeitsgas herzustellen. Das bereits angegebene Verfahren, gewellte Blechstreifen hierfür anzuwenden, läßt sich durch andere Methoden zur Herstellung der Kanäle für die Gasströmung ersetzen, die evt. kostengünstiger oder für sehr kleine Strömungsquerschnitte geeigneter sind: durch Fräsen, Prägen oder Ätzen von Rillen auf einer oder beiden Seiten quer zur Längsrichtung lassen sich beliebige Kanalquerschnitte herstellen und beidseitig mit geeignetem Lot plattierte Bleche vakuumverlöten.

Wie aus dem Schnittbild 2a ersichtlich ist, besteht der Hochtempera­ tur-Wärmeübertrager aus den beiden Zylinderrohren (11, 12) mit den in­ nen eingelöteten Stegen (20) oder anderen in den Bildern 3 näher be­ schriebenen Einsätzen, in denen das Arbeitsgas in wechselnder Richtung nach unten durch den thermischen Regenerator (16) strömt, bzw. diesen verläßt, und dem äußeren Übertragerteil, der z. B. aus Metallbolzen (14) besteht, die gut wärmeleitend senkrecht auf dem Außenmantel (12) befestigt sind. Dieser Anordnung liegt das erfinderische Merkmal zu Grunde, durch Vergrößerung der aktiven Fläche für die Wärmeübertragung und/oder der Wärmeübergangszahl mit Hilfe von Schikanen die Temperatur des Außenmantels (12) möglichst der Rauchgastemperatur anzugleichen. Zu diesem Zweck werden Metallbolzen (14) in dichtem regelmäßigem Ab­ stand vorgeschlagen, die z. B. kostengünstig durch bekannte Verfahren der Bolzenschweiß-Technik auf dem Außenmantel befestigt werden. In den Bildern 4a, b sind zwei weitere Ausführungsbeispiele für eine effektive Vergrößerung der Flächen für die äußere Wärmeübertragung auf den Zy­ lindermantel (12) dargestellt. In Bild 4 a sind regelmäßig gefaltete Blechstreifen (25) durch Punktschweißen oder Vakuumlöten gut wärmelei­ tend auf dem Mantelrohr (12) aufgebracht. In Bild 4 b werden U-förmig gebogene Blechrippen (26) ausreichender Stärke durch eine spezielle Schweißtechnik auf dem Mantel (12) derart befestigt, daß das axial vorbeiströmende Rauchgas optimal seine Enthalpie an den Außenmantel (12) bei geringer Druckdifferenz übertragen kann.

Die weiteren Erfindungsmerkmale, die in den Ansprüchen 8 bis 10 defi­ niert sind, beziehen sich auf praktische Anwendungsbeispiele, in de­ nen die detailliert dargestellten Wärmeübertrager für verschieden be­ heizte regenerative Arbeits- oder Wärmemaschinen erläutert werden. In allen Beispielen wird die ökonomische Randbedingung erfüllt, daß ein möglichst hoher Anteil an der Gesamtenthalpie des Heizmediums auf das Arbeitsgas übertragen werden soll.

Im einfachsten Fall von Bild 5 sind lediglich die Bolzen oder Rippen (28) des gesamten Wärmeübertragers dargestellt. Der Außenmantel des Zylinders (27) ist konzentrisch vom Heizmantel (29) umgeben, durch den der flüssige oder gasförmige Wärmeträger geleitet wird. Die Wärmelei­ stung des Wärmeträgers, die dem Produkt aus Massendurchsatz, spezifi­ scher Wärmekapazität und nutzbarer Temperaturdifferenz entspricht, kann bei diesem Anwendungsbeispiel energetisch sinnvoll nur dann ge­ nutzt werden, wenn der Wärmeträger in einem geschlossenen Kreislauf kontinuierlich, z. B. durch Sonnenenergie oder Abwärme aufgeheizt wird.

Der Erfindungsgegenstand findet eine besonders effektive Anwendung in der in Bild 6 vereinfacht dargestellten Beheizung einer Regenerativ-Maschine durch Infrarot-Strahlerplatten (30), die z. B. durch Flüssig­ gas (Propan) oder Erdgas betrieben werden. Das Kernstück dieser Strah­ lerplatten besteht aus einer Keramikplatte mit sehr vielen Brennöff­ nungen von etwa 1 mm Durchmesser, deren Oberflächentemperatur bei et­ wa 920°C liegt. Bei einer spezifischen Abstrahlungsleistung von ca. 16 W/cm² können auf den Außenmantel einer Regenerativ-Maschine klei­ nerer Leistung maximal etwa 15 kW übertragen werden. Hierzu werden er­ findungsgemäß sechs oder acht Strahlerplatten (30) symmetrisch um den Zylindermantel angeordnet, der auf der Außenseite und dem Zylinderkopf mit Bolzen oder Rippen (31) versehen und von einem geschlossenen Ge­ häuse (32) umgeben ist. Der größere Leistungsanteil der von den Strah­ lerplatten erzeugten Energie wird durch Strahlung im nahen Infrarot über die Manteloberfläche und deren Berippung auf diese übertragen. Durch den Rauchgasstrom der Platten wird konvektiv vor allem über die Schikanen (31) und den nachgeschalteten Rippenkühler (34) ein weiterer Anteil energetisch genutzt.

Die in Bild 6 dargestellte Beheizungsmethode liefert nur im kleineren Leistungsbereich einen befriedigenden Gesamtwirkungsgrad für die zu übertragende Heizleistung. Ihr großer Vorteil liegt wegen der relativ niedrigen Reaktionstemperatur in der äußerst geringen Schadstoffemis­ sion, die für NOx etwa 8 ppm beträgt; nachteilig wirkt sie sich auf die Maximaltemperatur des Arbeitsgases von höchstens 600°C und damit auf den thermodynamischen Wirkungsgrad der beheizten Regenerativ-Ma­ schine aus. Dieser Nachteil wird durch Anwendung der in Bild 7 verein­ facht dargestellten Beheizung durch einen Gasbrenner (35) mit Vorwär­ mung der Verbrennungsluft beseitigt. Diese Anordnung stellt ein Aus­ führungsbeispiel der im Unteranspruch 10 der vorliegenden Patentanmel­ dung vorgeschlagenen Beheizungsmethode dar. Der Außenmantel (36) des Arbeitszylinders ist erfindungsgemäß mit Schikanen (37) versehen und von einem Blechgehäuse (38) umgeben, auf den zentrisch der Brennerkopf (35) aufgesetzt ist und das vom Rauchgas durchströmt wird. Der abzie­ hende Rauchgasstrom gibt einen Teil seiner Enthalpie (und Temperatur) an das Arbeitsgas in der Maschine ab; der verbleibende Wärmeinhalt wird in einem Wärmeübertrager, der aus dem berippten Zentralrohr (39) und dem Mantelrohr (40) besteht, auf den durch das Gebläse (41) geför­ derten Luftstrom zu einem großen Teil übertragen. Diese gebräuchliche Methode der Verbrennungsluft-Vorwärmung eignet sich besonders gut für das Konzept des Mantel-Wärmeübertragers, der die Grundidee der vorlie­ genden Erfindung darstellt.

Zusammenfassend läßt sich der Erfindungsgegenstand dadurch kennzeich­ nen, daß der Druckmantel des Arbeitszylinders einer Regenerativ-Kraft- oder -Wärmemaschine doppelwandig ausgeführt wird, wobei der Zwischen­ raum durch gewellte und im Vakuum eingelötete Blechstreifen in eine Vielzahl von Strömungskanälen unterteilt wird. Diese übertragen die durch dicht gesetzte Bolzen oder Rippen, die am Mantel verschweißt sind, aufgenommene Wärmeleistung über das Mantelblech auf das in den Innenkanälen strömende Arbeitsgas bei kleinen Wärmeleitungs-und Übertragungsverlusten. Kennzeichnend sind für dieses Konzept außerdem die geringen Strömungsverluste für das Rauchgas und das Arbeitsmedium.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Wärmeübertragung bei hoher Temperatur auf das gas­ förmige Arbeitsmedium im Hochtemperaturzylinder einer im geschlossenen Kreisprozeß arbeitenden Kraft- oder Wärmemaschine mit einem periodisch bewegten Verdrängerkolben, der das Arbeitsgas in den zwei von ihm ab­ geteilten Zylinderräumen, die durch eine aus Heizer, thermischen Rege­ nerator und Kühler bestehende Kombination verbunden sind, in wechseln­ der Strömungsrichtung hin- und herpumpt, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder aus dem Innenrohr (11) und dem Außenrohr (12) mit den Längsrippen (13) besteht, welche zwischen der Außenfläche von (11) und der Innenfläche von (12) wärmeleitende, kraftschlüssige und hoch­ temperaturfeste Verbindungen darstellen und auf der Außenfläche von (12) radial ausgerichtete Schikanen (14) z. B. in Form von Bolzen oder Rippen angebracht sind.

2. Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Längsrippen aus regelmäßig gewellten Blechstreifen (20) (Riffelbleche) aus Kupfer, Nickel oder sonstigen metallischen Werkstoffen mit großer Wärmeleitfähigkeit und mechanischer Festigkeit bei hoher Temperatur bestehen, die in geringem axialen Abstand mit den Zylinderrohren (11) und (12) bei Hochvakuum oder in Schutzgasatmosphä­ re verlötet sind.

3. Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach den Ansprüchen 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zylinderrohr (11) und dem Außen­ rohr (12) zwei oder mehrere Lagen aus den gewellten Blechstreifen (21) mit einem oder mehreren Blechmänteln (22) aus dem gleichen Material wie die Blechstreifen (21) mit einem gemeinsamen Lötvorgang befestigt werden.

4. Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß bei der Anwendung von zwei oder mehreren La­ gen von Wellblechstreifen (23), (24) diese abwechselnd mit einer gegen die Zylinderachse schrägen Wellung oder Kerbung versehen sind und ohne Zwischenmäntel (22) mit den Zylinderrohren (11), (12) verlötet sind.

5. Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach den Ansprüchen 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wellung oder Kerbung der Blechstreifen (20), (21), (22), (23) oder (24) durch Rollen zwischen einem Zahnrad­ paar geeigneten Moduls, Rillenfräsen der Blechstreifen, Ätz- und Preß­ verfahren kostengünstig hergestellt werden.

6. Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schikanen (14) aus zylinderischen oder konischen Bolzen aus Eisen, Nickel, Messing oder anderen temperaturfesten Metal­ len besteht, die durch Bolzenschweißverfahren am Außenmantel des Hoch­ temperaturzylinders (12) befestigt sind.

7. Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Schikanen (14) Blechstreifen (25) aus hochtempera­ turfesten und gut wärmeleitenden Metallen, wie z. B. Nickel, Kupfer an­ gewandt und durch Punktschweißen oder Vakuumlöten am Außenmantel (12) befestigt werden, wobei pro Lage regelmäßig geknickte Streifen (25) oder U-förmige Einzelbleche (26) angewandt werden können.

8. Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach den Ansprüchen 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß zur äußeren Wärmezufuhr bei hoher Temperatur auf den Arbeitszylinder (27) am Außenmantel Schikanen (28) entspre­ chend den Ansprüchen 6 und 7 zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche sowie der Wärmeübergangszahl angebracht sind und dieser von ei­ nem geschlossenen Heizmantel (29) umgeben ist, der von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmeträger durchflossen wird.

9. Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach den Ansprüchen 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß als Heizwärmequelle mit Heizgas betriebene Infrarot-Strahlerplatten (30) angewandt werden, die ringförmig um den Hochtemperaturzylinder (30) angeordnet sind, dessen Außenmantel mit Schikanen nach den Ansprüchen 6 und 7 zur Verbesserung der Wärmezu­ fuhr ausgerüstet ist, und der Rauchgasstrom über das Gehäuse (32) mit Abzugsrohr (33) durch den Rippenkühler (34) geleitet wird.

10. Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach den Ansprüchen 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Anwendung eines mit Heizgas oder -öl be­ triebenen Gebläsebrenners (35) zur Beheizung des Hochtemperaturzylin­ ders (36), dessen Außenmantel nach den Ansprüchen 6 und 7 mit bolzen- oder blechförmigen Schikanen (37) ausgerüstet ist, das Rauchgas über den Blechmantel (38) und die Rohrleitung (39) in den Gebläseluftvor­ wärmer (40) geführt wird, dessen Gebläse (41) die Verbrennungsluft für den Brenner (35) liefert.