DE4401246A1

DE4401246A1 - Regenerator

Info

Publication number: DE4401246A1
Application number: DE19944401246
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Dr Heikrodt
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 1994-01-18
Filing date: 1994-01-18
Publication date: 1995-07-20
Also published as: WO1995019530A1

Description

Die Erfindung betrifft einen insbesondere für nach einem regenerativen Gas kreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen bestimmten Regenerator mit einer abwechselnd und in entgegengesetzten Richtungen vom wärmeab gebenden und wärmeaufnehmenden Medium, vorzugsweise Prozeßgas, durchströmten Speichermasse.

In der Praxis werden derartige Regeneratoren beispielsweise als Winderhitzer für Hochöfen oder in der Tieftemperaturtechnik als Kältespeicher verwendet. Außerdem werden sie in nach dem Stirling- oder Vuilleumier-Kreisprozeß ar beitenden Wärme- und Kältemaschinen eingesetzt. Derartige, beispielsweise aus der GB-PS 136 195 bekannte Wärme- und Kältemaschinen umfassen zwei in einem druckdichten Gehäuse linear bewegliche Kolben, die gemein sam ein warmes Arbeitsvolumen begrenzen und von denen der eine Kolben im Gehäuse ein heißes, mit Wärme beaufschlagtes Arbeitsvolumen und der andere Kolben ein kaltes Arbeitsvolumen begrenzt, wobei die drei Arbeitsvo lumen unter Zwischenschaltung von Regeneratoren und Wärmeübertragern miteinander verbunden sind. Insbesondere bei derartigen, nach einem regene rativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärm- und Kältemaschinen kommt dem Wirkungsgrad der zwischen den drei Arbeitsvolumen angeordneten Regenera toren eine besondere Bedeutung zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere zur Verwendung in nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschinen geeigneten Regenerator zu schaffen, der trotz kurzer Pe rioden zwischen Aufheizung und Abkühlung sowohl eine verlustarme Wärme speicherung als auch eine verlustarme Wärmeabgabe erzielt.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermasse in mehrere, in Strömungsrichtung aufeinanderfolgende Abschnitte unterteilt ist, die untereinander gegen Wärmeleitung getrennt sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird der für alle Arten von Regenera toren geltende Vorteil erzielt, daß sich die in Strömungsrichtung des Prozeß gases über die Länge des Regenerators ergebenden Temperaturunterschiede nicht durch Wärmeleitung ausgleichen, wodurch insbesondere bei kurzen Pe rioden zwischen Aufheizung und Abkühlung eine Verringerung der für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Temperaturdifferenz und damit eine Verschlechterung des Wirkungsgrades des Regenerators verhindert wird. Durch die erfindungsgemäße Aufteilung der Speichermasse in mehrere, untereinander gegen Wärmeleitung getrennte Abschnitte bleiben die sich bei der Aufheizung zwangsläufig ergebenden Temperaturunterschiede über die Länge des Regenerators erhalten, so daß nach Umkehr der Strömungsrichtung für das aufzuheizende Medium beim Durchströmen des Regenerators optimale Temperaturdifferenzen zur Wärmeaufnahme bereitge stellt werden, die zu einem hohen Wirkungsgrad des Regenerators führen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Abschnitte der Speichermasse durch einen Luftspalt voneinander getrennt sein. Hierdurch ergibt sich zwar eine einfache Bauart, die aber eine Wärmeübertragung zwischen den einzelnen Abschnitten aufgrund Wärmestrahlung nicht unter bindet, obwohl diese Wärmestrahlung infolge der geringen Temperaturunter schiede zwischen den einzelnen Abschnitten keine allzu große Bedeutung hat.

Eine auch eine Wärmeübertragung aufgrund von Wärmestrahlung unterbin dende Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Regenerators ergibt sich er findungsgemäß dadurch, daß die Abschnitte der Speichermasse durch eine Zwischenschicht aus gasdurchlässigem und schlecht oder nicht wärmeleiten den Material, beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoff, voneinander ge trennt sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regenerators kann jeder Abschnitt der Speichermasse durch einen gasdurchlässigen Körper aus verformten und/oder perforierten Blechen oder aus einem Drahtgeflecht, Drahtgewebe oder Drahtgewirr gebildet sein. Alternativ hierzu kann jeder Ab schnitt der Speichermasse aus einer Schüttung aus regelmäßigen, beispiels weise kugelförmigen, oder unregelmäßigen Einzelkörpern aus wärmeaufneh mendem Material bestehen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird vorgeschlagen, die in Strömungsrichtung liegenden Abmessungen der Abschnitte der Speicher masse möglichst klein auszuführen. Bei einer praktischen Ausgestaltung dieser erfindungsgemäßen Ausbildung ist jeder Abschnitt durch eine mit einer nicht oder schlecht wärmeleitenden Beschichtung versehene Metallfolie gebil det, deren Fläche dem Strömungsquerschnitt der Speichermasse entspricht und die gasdurchlässig perforiert ist.

Die Metallfolie ist vorzugsweise mit Kunststoff oder Lack beschichtet und mit Hilfe eines Lasers perforiert. Diese Ausbildung eines erfindungsgemäßen Re generators kann auf einfache und preiswerte Weise hergestellt werden und eignet sich besonders gut zur Verwendung in nach einem regenerativen Gas kreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschinen, zumal bei dieser Aus gestaltung die Wärmeleitung quer zur Strömungsrichtung des Prozeßgases sehr gut ist, so daß das vollständige Volumen der Speichermasse für den re generativen Wärmeaustausch zur Verfügung steht.

Mit der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, die Porosität und/oder den Partikeldurchmesser und/oder die freie Querschnittsfläche der Abschnitte der Speichermasse vom kalten zum heißen Ende der Speichermasse zunehmend auszuführen, um die temperaturbedingte Volumenzunahme des Prozeßmedi ums zwecks Reduzierung des Strömungsdruckverlustes zu berücksichtigen.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungs gemäßen Regenerators dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines in einer nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschine eingesetzten Regenerators anhand eines Längsschnittes durch eine derartige Maschine,

Fig. 2 eine schematische Darstellung von sechs weiteren Ausführungsbeispielen eines Regenerators mit in mehrere Abschnitte unterteilter Speichermasse, wobei jeder Abschnitt eine andere Ausführungsmöglichkeit zeigt.

In Fig. 1 ist anhand eines Längsschnittes durch eine nach einem regenerati ven Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine ein erstes Ausfüh rungsbeispiel eines Regenerators dargestellt. Diese Maschine umfaßt ein als Kreiszylinder ausgebildetes druckdichtes Gehäuse 1, das an seinem einen Ende mit einem Flansch 1a versehen ist, an den ein Motorgehäuse 2 mit einem entsprechenden Flansch 2a angeschraubt wird. Das Motorgehäuse 2 ist nur zum Teil dargestellt. Zwischen den Flanschen 1a und 2a ist ein druck fester Boden 3 angeordnet, der das eine Ende des Gehäuses 1 abschließt.

Am anderen Ende ist das druckdichte Gehäuse 1 mit einem Gehäusedeckel 4 versehen, der beim Ausführungsbeispiel über Gewinde mit dem zylindrischen Gehäuse 1 verschraubt ist und in dem ein Wärmeerzeuger in Form eines Gas brenners 5 angeordnet ist. Dieser Gasbrenner 5 umfaßt ein zylindrisches Zu fuhrrohr 5a für das Brenngas, das austrittsseitig mit einer Dosierhalbkugel 5b versehen ist. Konzentrisch zu dieser Dosierhalbkugel 5b ist eine als Reakti onsoberfläche wirkende Brennerfläche 5c aus einem Edelstahlgewebe ange ordnet, die die Gaszuströmkammer begrenzt und beim Betrieb des Gasbren ners glüht, so daß der Gasbrenner 5 einen Großteil der erzeugten Wärme durch Strahlung abgibt. Die entstehenden Rauchgase werden aus einem die halbkugelförmige Brennerfläche 5c umgebenden Brennraum 5d durch ein Ab gasrohr 5e abgezogen, das das Zufuhrrohr 5a des Gasbrenners 5 konzen trisch umgibt.

Die vom Gasbrenner 5 erzeugte Wärme wird durch Strahlung und Konvektion an eine Trennwand 6 abgegeben, die beim Ausführungsbeispiel als Halbkugel ausgeführt ist und sich in das Innere des Gehäuses 1 wölbt. Die halbkugel förmige Wölbung verläuft mit gleichbleibendem Abstand zur halbkugelförmi gen Brennerfläche 5c des Gasbrenners 5.

Die als Teil des druckdichten Gehäuses 1 ausgeführte Trennwand 6 ist an einem Tragring 6a befestigt, der über eine membranartige Verlängerung 6b mit dem Ende des zylindrischen Gehäuses 1 verbunden ist. Beim Ausfüh rungsbeispiel erfolgen beide Verbindungen durch Verschweißen. Durch Ver wendung von Isolierringen 7a und 7b, die jeweils auf einer Seite der membranartigen Verlängerung 6b einerseits zum Gehäusedeckel 4 und andererseits zum Gehäuse 1 angeordnet sind, wird die Wärmeableitung von der durch den Gasbrenner 5 beheizten Trennwand 6 an das Gehäuse 1 und dessen Gehäusedeckel 4 und damit an die Umgebung erheblich reduziert.

Die vom Gasbrenner 5 erzeugte und von der Trennwand 6 aufgenommene Wärme wird von der Innenseite der Trennwand 6 an ein Arbeitsmedium, vor zugsweise Helium abgegeben, das sich in einem heißen Arbeitsvolumen V_h befindet. Dieses heiße Arbeitsvolumen V_h wird einerseits durch die Trenn wand 6 und andererseits durch den Kolbenboden 8a eines Kolbens 8 be grenzt, der linear beweglich im Gehäuse 1 angeordnet ist. Dieser Kolben 8 ist über eine Kolbenstange 8b mit einem im Motorgehäuse 2 angeordneten Motor bzw. einer Steuerung verbunden, die auf der Zeichnung nicht dargestellt sind.

Der Kolben 8 begrenzt gemeinsam mit einem weiteren Kolben 9 ein warmes Arbeitsmedium V_w. Der ebenfalls linear beweglich im Gehäuse 1 geführte Kolben 9 begrenzt in seinem Inneren schließlich ein kaltes Arbeitsvolumen V_k. Diese drei Volumen sind miteinander unter Zwischenschaltung von Regenera toren R_h, R_k und Wärmeübertragern W_w, W_k verbunden. Der im heißen Teil des Gehäuses 1 angeordnete Regenerator R_h speichert beim Ablauf des rege nerativen Gaskreisprozesses einen Teil der an das heiße Arbeitsvolumen V_h abgegebenen Wärme; der im kalten Teil des Gehäuses 1 angeordnete Rege nerator R_k übt die entsprechende Funktion bezüglich des kalten Arbeitsvolu mens V_k aus.

Wie der Längsschnitt gemäß Fig. 1 erkennen läßt, ist die Speichermasse 12 sowohl des heißen Regenerators R_h als auch des kalten Regenerators R_k in mehrere, in Strömungsrichtung des Prozeßgases aufeinanderfolgende Ab schnitte 12a unterteilt, die untereinander gegen Wärmeleitung getrennt sind. Hierdurch wird verhindert, daß sich die in Strömungsrichtung des Prozeßgases über die axiale Ausdehnung des Regenerators R_h bzw. R_k erge benden Temperaturunterschiede durch Wärmeleitung ausgleichen, womit eine Verringerung der für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Tempe raturdifferenz und damit eine Verschlechterung des Wirkungsgrades des Re generators verbunden wäre.

Die in Fig. 1 nur schematisch angedeutete Unterteilung der Speichermasse 12ein einzelne Abschnitte 12a ist anhand eines Längsschnittes durch eine Speichermasse 12 in Fig. 2 dargestellt, wobei die einzelnen Abschnitte unter schiedliche Ausführungsmöglichkeiten zeigen.

Der in Fig. 2 äußerst links gezeichnete Abschnitt 12a₁ wird durch einen gas durchlässigen Körper aus verformten und perforierten Blechen gebildet, so daß sich ein scheibenartiger Aufbau des Abschnittes 12a₁ ergibt, der quer zur Strömungsrichtung des Prozeßmediums eine gute Wärmeleitfähigkeit hat. Gegenüber dem benachbarten Abschnitt 12a₂ ist der Abschnitt 12a₁ durch einen Luftspalt 12b₁ getrennt, so daß eine Wärmeübertragung durch Wärme leitung zwischen den den Abschnitt 12a₁ bildenden verformten und perforier ten Blechen in Strömungsrichtung des Prozeßmediums nur innerhalb des Ab schnittes 12a₁ erfolgen kann.

Bei der zweiten Ausführungsmöglichkeit gemäß dem in Fig. 2 gezeichneten Abschnitt 12a₂ wird der gasdurchlässige Körper aus einem Drahtgeflecht gebildet, wobei die Drahtdicke und die Maschenweite entsprechend dem je weiligen Verwendungszweck und Prozeßmedium variiert werden können. Anstelle eines Drahtgeflechtes kann der Körper des Abschnittes 12a₂ auch aus einem Drahtgewebe oder einem Drahtgewirr bestehen, wie dies hinsicht lich des benachbarten Abschnittes 12a₃ in Fig. 2 dargestellt ist.

Die Trennung zwischen den Abschnitten 12a₂ und 12a₃ erfolgt gemäß Fig. 2 durch eine Zwischenschicht 12b₂ aus gasdurchlässigem und schlecht oder nicht wärmeleitendem Material, beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoff.

Der weiterhin in Fig. 2 gezeichnete Abschnitt 12a₄ der Speichermasse 12 wird durch eine Schüttung aus regelmäßigen Einzelkörpern aus wärmeauf nehmendem Material gebildet, die bei der dargestellten Ausführung als Kugel ausgeführt sind. Der wiederum benachbarte Abschnitt 12a₅ zeigt die Bildung des Abschnittkörpers aus einer Schüttung aus unregelmäßigen Einzelkörpern. Durch die Größe und Form der Einzelkörper läßt sich die Dichte bzw. Gas durchlässigkeit des jeweiligen Abschnittes 12a₄ bzw. 12a₅ vorgeben. Auch bei diesen Ausführungsmöglichkeiten sind die einzelnen Abschnitte 12a₃, 12a₄ und 12a₅ voneinander durch eine Zwischenschicht 12b₂ aus gas durchlässigem Material voneinander getrennt.

Eine weitere Ausführungsmöglichkeit zeigt schließlich der rechte Teil der Fig. 2. Bei dieser Ausführungsform wird die Speichermasse 12 des Regenerators durch Metallfolien 12c, vorzugsweise Aluminiumfolien gebildet, die vorzugs weise einseitig mit einer Beschichtung 12b₃ aus nicht oder schlecht wärme leitendem Material versehen sind. Hierdurch ergeben sich infinitesimal kleine Abschnitte 12a₆. Derartige Metallfolien 12c lassen sich nicht nur einfach und preiswert herstellen, sie haben auch eine gute Wärmeleitfähigkeit quer zur Strömungsrichtung des Prozeßmediums. Die mit Kunststoff oder Lack be schichteten Metallfolien 12c sind zur Erzielung der notwendigen Gasdurch lässigkeit perforiert, beispielsweise mit Hilfe eines Lasers.

Bei allen voranstehend beschriebenen Ausführungsformen ergibt sich ein Re generator mit einer in aufeinanderfolgende Abschnitte 12a unterteilten Speichermasse 12, bei dem kein Wärmeausgleich durch Wärmeleitung in Strömungsrichtung des Prozeßmediums stattfinden kann. Um die temperatur bedingte Volumenzunahme des Prozeßmediums zu berücksichtigen, kann die Porosität und/oder der Partikeldurchmesser und/oder die freie Querschnittsfläche der Abschnitte 12a der Speichermasse 12 vom kalten zum heißen Ende der Speichermasse 12 zunehmen, so daß neben der Erhöhung des Wirkungsgrades auch eine Reduzierung des Strömungsdruckverlustes er zielt wird.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
1a Flansch
2 Motorgehäuse
2a Flansch
3 Boden
3a Leitung
3b Leitung
4 Gehäusedeckel
5 Gasbrenner
5a Zufuhrrohr
5b Dosierhalbkugel
5c Brennerfläche
5d Brennraum
5e Abgasrohr
6 Trennwand
6a Tragring
6b Verlängerung
7a Isolierring
7b Isolierring
8 heißer Kolben
8a Kolbenboden
8b Kolbenstange
9 kalter Kolben
10a Anschlußleitung
10b Anschlußleitung
11 Leitblech
12 Speichermasse
12a Abschnitt
12a₁ Abschnitt
12a₂ Abschnitt
12a₃ Abschnitt
12a₄ Abschnitt
12a₅ Abschnitt
12a₆ Abschnitt
12b₁ Luftspalt
12b₂ Zwischenschicht
12b₃ Beschichtung
12c Metallfolie
V_h heißes Arbeitsvolumen
V_w warmes Arbeitsvolumen
V_k kaltes Arbeitsvolumen
R_h heißer Regenerator
R_k kalter Regenerator
W_w Wärmeübertrager
W_k Wärmeübertrager

Claims

1. Regenerator, insbesondere für nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen, mit einer abwechselnd und in entgegengesetzten Richtungen vom wärmeabgebenden und wärmeaufnehmenden Medium, vorzugsweise Prozeßgas, durchströmten Speichermasse, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermasse (12) in mehrere, in Strömungsrichtung aufeinanderfolgende Abschnitte (12a) unterteilt ist, die untereinander gegen Wärmeleitung getrennt sind.

2. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (12a) der Speichermasse (12) durch einen Luftspalt (12b₁) voneinander getrennt sind.

3. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (12a) der Speichermasse (12) durch eine Zwischenschicht (12b₂) aus gasdurchlässigem und schlecht oder nicht wärmeleitenden Material voneinander getrennt sind.

4. Regenerator nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder Abschnitt (12a₁, 12a₂ bzw. 12a₃) der Speichermasse (12) durch einen gasdurchlässigen Körper aus verformten und/oder perforierten Blechen oder aus einem Drahtgeflecht, Drahtgewebe oder Drahtgewirr gebildet ist.

5. Regenerator nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder Abschnitt (12a₄ bzw. 12a₅) der Speichermasse (12) aus einer Schüttung aus regelmäßigen, beispielsweise kugelförmigen, oder unregelmäßigen Einzelkörpern aus wärmeaufnehmendem Material besteht.

6. Regenerator nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die in Strömungsrichtung liegenden Abmessungen der Abschnitte (12a) klein sind.

7. Regenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ab schnitt (12a₆) durch eine mit einer nicht oder schlecht wärmeleitenden Beschichtung (12b₃) versehene Metallfolie (12c) gebildet ist, deren Fläche dem Strömungsquerschnitt der Speichermasse (12) entspricht und die gasdurchlässig perforiert ist.

8. Regenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (12c) mit Kunststoff oder Lack beschichtet ist.

9. Regenerator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (12c) mit Hilfe einem Lasers perforiert ist.

10. Regenerator nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Porosität und/oder der Partikeldurchmesser und/oder die freie Querschnittsfläche der Abschnitte (12a) der Speichermasse (12) vom kalten zum heißen Ende der Speichermasse (12) zunehmen.