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Heißgasmaschine mit einem den warmen Raum der Maschine umgebenden
mantelförmigen Heizkörper Unter einer Heißgastnaschine wird eine thermodynamische
Kraftmaschine verstanden, bei der ein thermodynamischer Kreislauf von einer Gasmenge
durchlaufen wird, die in einem Kaum tnit veränderlichem Volumen eingeschlossen ist,
in dem ()der in offener Verbindung mit dem ein Heizteil, gegebenenfalls ein Regenerator,
und ferner ein Kühlteil enthalten ist, der sich außerdem in oder in offener Verbindung
mit einem zweiten IZatttn mit veränderlichem N,'oltttnett befindet. Der au den Reizteil
anstoßende Raum wird als warmer Raum, der an den Kühlteil anstoßende Raum als kalter
Rattm bezeichnet.
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Ein Teil dieser in den genannten Räumen eingeschlossenen Gasmenge
kann erforderlichenfalls in eine oder mehrere gesonderte geschlossene Röhren oder
Cjef.iße eingelassen und nachher aus einer oder mehreren dieser Röhren oder Gefäße
wieder in die genannten Rättme gelassen werden. In allen diesen Fällen wird der
thermodynamische Kreislauf als ein geschlossener Kreislauf bezeichnet.
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Der Kühlteil des Motors kann gegebenenfalls entfallen ttnd durch eine
periodische Verbindung tnit der Außenhtft ersetzt werden; in diesem Falle wird für
jeden Kreislauf eine nette Luftmenge angesaugt. Solche Motoren «-erden als Motoren
mit offenem Kreislauf bezeichnet. Sowohl bei Motoren mit offenem als auch bei solchen
mit geschlossenem Kreislauf besteht zwischen .den Volttmettänderungen des «-armen
und des kalten Raums ein solcher Yhasenttttterschied, daß das Gas hintereinander
der Erhitzung, Expansion, Kühlung und Kompression unterworfen wird.
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Unter einer Heißgastnaschine wird auch eine
Maschine
verstanden, bei der Wärme von einem Gas aufgenommen wird, das der Reihe nach verdichtet
wird, diese Wärme wieder an ein für diesen Zweck geeignetes Kühlmittel, wie Wasser
oder Luft, abgibt, expandiert wird und danach abermals Wärme aufnimmt. Mittels dieses
thermodynamischen Kreislaufes kann eine Wärmemenge auf eine höhere Temperatur gebracht
werden. Eine solche Maschine kann als Wärmepumpe oder Kühlmaschine dienen. Dieser
thermodynamische Kreislauf spielt sich gleichfalls in einem Gas ab, das in einen
Raum mit veränderlichem Volumen eingeschlossen ist, in dem oder in offener Verbindung
mit dem sich ein zur Wärmeübertragung auf das Gas bestimmter Teil, gegebenenfalls
ein Regenerator, und ferner ein zur Übertragung der Wärme des Gases auf das genannte
Kühlmittel bestimmter "feil befindet, der sich außerdem in offener Verbindung mit
einem zweiten Raum mit veränderlichem Volumen befindet. Die Volumenänderungen der
beiden vorher erwähnten Räume erfolgen mit einem solchen Phasenunterschied, daß
der thermo-(Ivnamische Kreislauf im vorher erwähnten Sinne durchlaufen wird. Analog
der ähnlichen thermo-(Ivnamischen Kraftmaschine wird der an den @@'ärmeaufnahmeteil
anstoßende Raum als warmer kaum und der andere Raum als kalter Raum bezeichnet,
obgleich bei einer Wärmepumpe oder bei einer Kühlmaschine der warme Raum von niedri-Ierer
Temperatur ist als der kalte Raum.
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Beißgasmotoren mit einem den warmen Raum des Motors umgebenden mantelförmigen
Heizkörper, der mit einer Anzahl von Bohrungen versehen ist, in denen parallel geschaltete
Kanäle für (las Wärmezuführungsmittel untergebracht sind, sind bekannt. Die dem
sich am thermo-(@vnamischen Kreisprozeß beteiligenden Gas zuzufiihrendeWärme wird
vom Wärmezuführungsmittel durch die Wand der Bohrungen und das Material des I=rhitzers
auf das Gas übertragen. Bei den bekannten Heißgasmotoren muß die Übertragung dieser
Wärme auf das Gas im Motorzylinder mittels Rippen erfolgen, zwischen denen dieses
Gas zum Umlauf gezwungen wird. Die ganze zuzuführende Wärmemenge muß also durch
die Innenwand des mantelförmigen Heizkörpers hindurchgehen, was die l rescliw in(ligkeit
der Wärmeübertragung nicht erhöht.
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Die Wärmeübertragung des Wärmezuführungsmittels auf das in der Maschine
umlaufende Gas wird erfindungsgemäß dadurch bedeutend verbessert, daß der Heizkörper
gleichfalls eine Anzahl von Bohrungen enthält, in denen parallel geschaltete Kanäle
für das in der Maschine am thermodynamischen Kreisprozeß sich beteiligende zu heizende
Gas untergebracht sind. Der zu übertragende Wärmestrom wird infolgedessen zwischen
den Kanälen für (las Wärmezuführungsmittel und den Kanälen für das Wärmeaufnahmegas
in eine große Anzahl paralleler Ströme geteilt. Jeder Teilstrom braucht nur einen
beschränkten Abstand z\\-ischen einem Kanal des Wärmezuführungsmittels und einem
Kanal des Gases durch das Material des Erhitzers hindurch zti durchlaufen. Die Geschwindigkeit,
mit der der Wärmeaustausch erfolgt, wird hierdurch beträchtlich vergrößert. Auch
übt auf diese Weise der Wä rinewiderstand des Heizmaterials einen geringeren Einfluß
auf den Wärmeaustausch aus.
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Da der Gasstrom in einer Heißgasinaschine gewöhnlich aus dem warmen
Raum durch (las die Wärme auf das Gas übertragende Organ zu den weiteren Teilen
der -Maschine läuft, ist es baulich empfehlenswert, die Bohrungen, in denen die
Kaufile für das zu heizende Gas eingelassen sind, in diesem mantelförmigen Heizkörper
derart anzubringen, daß sie eine Öffnung auf der Innenseite des -Mantels und eine
Öffnung auf der gegenüberliegenden Außenseite haben. Der Gasstrom kann dann aus
dein warmen Raum durch diese liohrun-en im Heizkörper hindurch zu einem lZaum auf
(leg Außenseite des Erhitzers und von (fort zti weiteren Teilen in der Maschine
geführt werden.
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Die Erfindung wird an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Diese Ausführungsbeispiele sind einem Heißgasmotor entnommen; analoge Bauarten können
aber für eine Wärmepumpe oder Kühlniascliine angewendet werden.
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In den Fig. i und z ist ein mantelförmiger Erhitzer im Längs- und
Querschnitt dargestellt; in den Fig. 3, .4, 5, 6@und j sind einige andere Ausführungsformen
der Kanäle zur Führung des Wärmezufiihrungsmittels im Erhitzer dargestellt.
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In Fig. i bezeichnet io eilien zylindrischen Heizkörper, der den warmen
Raum i i des Heißgasmotors mantelförmig umgibt. Der Wärmeaustausch zwischen dem
Wärmezuführungsmittel und dein gasförmigen, im Motor Hinlaufenden -Mittel erfolgt
im mantelförmigen Heizkörper io. In diesem mantelförmigen Körper io sind mehrere
verschieden gestaltete und verschieden angeordnete Bohrungen 14 bzw. 15 angeordnet.
Die Bohrungen 14 verlaufen parallel zu der Achse des zylindrischen Körpers von einer
der Endflächen bis nicht ganz zur gegenüberliegenden Endfläche. Diese Bohrungen
bilden also jede für sich einen blinden Kanal, der aller durch (las Einlassen eines
Röhrchens 16 aus Metall oder keramischem Material zu einem Kanal für (las Ein- und
Ausströmen des Gases gebildet wird. Der Kanal für das hineinströmende Gas wird von
der Innenwand der Bohrung 14 gemeinsam mit der .-ußeriw,and des Röhrchens 16 gebildet.
Der Kanal für das den Erhitzer wieder verlassende Gas ist iin Röhrchen 16 enthalten
und wird ausschließlich von dessen Innenwand gebildet. Eine Verbindung zwischen
den Kanälen zum Ein- und Ausströmen wird dadurch hergestellt. daß die Bohrung 14
etwas länger als das Röhrchen i6 ist. Einige Ansätze 17
und 18 sichern die
richtige Lage in der Bohrung 14.
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Für das gasförmige -Mittel im -Motor sind in radialer Richtung eine
Anzahl von Bohrungen 15 im mantelförmigen Körper r o vorgesehen. Diese Bohrungen
münden auf der Innenseite und auf der Außenseite des Mantels io, so daß diese gleichsam
die Verbindung zwischen dein w armen Raum i i und den weiteren vom Gas zu durchlaufenden
Kanälen
im Motor bilden. !)er Regenerator 21 umgibt den Mantel io und schließt sich
auf diese Weise praktisch ohne schädlichen Raum dem Erhitzer an. An Stelle eines
Regenerators kann aber auch außen um den -Mantel io herum ein Sammelkanal zur Weiterleitung
des Gases angebracht sein.
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Um das die Bohrungen 15 durchfließende Gas möglichst innig mit den
\A'änden dieser Bohrungen in Berührung zu bringen, sind im Inneren der Bohrungen
zylindrische Kerne i9 aus Metall oder keramischem. Material angebracht. Einige Tiber
den Umfang dieser Kerne verteilte Nasen 20 sichern die richtige Lage der Kerne i9
in den Bohrungen 15, so daß zwischen der Außenseite eines Kerns und der Innenseite
der Bohrung, in der ein Kern angeordnet ist, ein schmaler, ringförmiger Schlitz
verbleibt. Jeder Kanal für das zu heizende Mittel wird also von der Innenwand einer
Bohrung 15 und der Außenfläche eines Kerns i9 gebildet.
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Die axial verlaufenden Bohrungen i4 und die radial verlaufenden Bobrungen
15 sind, wie aus Fig.2 ersichtlich, abwechselnd nebeneinander irn Mantel io angebracht,
so daß die zu übertragende Wärme nur den kleinen Abstand zwischen den Wänden dieser
Bohrungen durch das Material des Mantels io hindurch zurückzulegen braucht. Denn
der Abstand zwischen diesen beiden Bohrungen kann im vorliegenden Fall kleiner sein
als für den Fall, daß die Bohrungen parallel angebracht sind, weil man hierbei weniger
Rücksicht auf den Verlauf der Löcher beim Bohren zu nehmen braucht. Auch ist es
leichter, die Verbrennungsgase an der oberen Endfläche des Erhitzers einzubringen
und an der gleichen Fläche wiederum abzuführen, während der Gasstrom im Motor aus
dem warmen Raum i i radial durch den Erhitzer io hindurch die weiteren Teile des
Motors, in diesem Falle den Regenerator 21, erreichen kann.
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Der mantelförmige Erhitzer io ist weiter an einer Endfläche mit einem
durchgebogenen Deckel 12 versehen, der zum Abschluß des warmen Raumes ii dient.
An der gleichen Endfläche ist ein Flansch 13 vorgesehen, der zur Verbindung der
Heizvorrichtung mit den weiteren Teilen des -Motors dient. Der Deckel 12 und auch
der Flansch 13 können mit dem zylindrischen Erhitzer aus einem einzigen Stück hergestellt
oder aber später durch Schweinen an ihm befestigt sein.
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In Fig.3 ist eine andere Ausführungsform des Kanals für (las Wärmezuführungsmittel
dargestellt. Hierbei wird vorausgesetzt, daß die in den Bohrungen 15 angebrachten
Kanäle für das Gas im Motor die gleiche Bauart haben wie die in den Fig. i und 2
dargestellten. Der Kanal für das Wärmezuführungsmittel besteht in diesem Falle aus
drei parallelen, von derselben Endfläche des Mantels io aus angebrachten Bohrungen
22, 23 und 24. Diese Bohrungen erreichen die andere Endfläche des Mantels nicht,
sind aber nahe an ihrem Ende durch eine von der Außenseite des Mantels aus angebrachte
Querbohrung 25 miteinander verbunden. Die in der Außenwand gebildete Öffnung wird
mit einem Pfropfen 26 verschlossen. Von den drei genannten Bohrungen bilden die
Bohrungen 22 und 23 gemeinsam in Parallelschaltung den Zuführungskanal für das Mittel
und die Bohrung 24 nur den Abführungskanal. Der größere Querschnitt des Zuführungskanals
ist begreiflicherweise notwendig, wenn das Wärmezuführungsmittel gasförmig ist und
bei der dann herrschenden höheren Temperatur ein größeres Volumen hat als das nach
Wärmeabgabe abgekühlte Mittel. Am oberen Teil des Heizkörpers io sind die Kanäle
22 und 23 einerseits und der Kanal 24 andererseits durch eine Wand 40 voneinander
getrennt, die bei einer zylindrischen Ausgestaltung des Heizkörpers io in Form eines
Ringes aus Metallblech hergestellt sein kann.
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In den Fig. 4 und 5 ist eine andere Ausführungsform der Kanäle für
das Wärmezuführungsmittel dargestellt. bei der wiederum angenommen wird, (laß die
Kanäle für das Gas im lIotor die gleiche Form wie in Fig. i haben. Bei dieser Ausführungsform
sind von einer einzigen Endfläche des zylindrischen Heizkörpers io aus drei Bohrungen
27, 28 und 29 vorgesehen, die indessen in der Längsrichtung miteinander in Verbindung
stehen. In der mittleren Bohrung 28 ist auf einer Strecke, die kleiner ist als die
Tiefe dieser Bohrung, ein stiftförmiges Element angeordnet. Dieses stiftförmige
Flernent ist über seine Länge mit zwei in entgegengesetzter Richtung konisch verlaufenden
-Nuten 3i und 32 versehen, die in die Bohrungen 27 bzW. 29 münden. :Auf diese Weise
werden zwei Kanäle gebildet, und zwar ein Einströmkanal durch die Bohrung 27 mit
der Nut 31 und ein Ausströmkanal durch die Bohrung 29 gemeinsam mit der Nut 32.
Der Querschnitt dieser beiden Kanäle nimmt über einen Teil der Länge in Richtung
des hindurchströmenden Gases ab, was die Wärmeübertragung des Gases auf die umgebenden
Wände verbessert.
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In Fig. 6 ist ein mantelförmiger Heizkörper mit den in ihm vorhandenen
Kanälen im Längsschnitt dargestellt. Die Kanäle zur Leitung des Gases im Motor sind
den in Fig. i dargestellten ähnlich. Die Kanäle für das Wärmezuführungsmittel werden
von je zwei in entgegengesetzter Richtung konisch verlaufenden, im Zylindermantel
io in axialer Richtung angebrachten Bohrungen 33 und 34 gebildet. Diese beiden Bohrungen
münden auf einer Seite in eine der Endflächen des Zylindermantels und auf der anderen
Seite in einer in der anderen Endflächen des Heizkörpers io örtlich angebrachten
Nut 37 aus. Diese Nut 37 bildet also eine Verbindung zwischen den beiden Bohrungen
33 und 34. Die ganze Nut wird aber nicht als Verbindungskanal benutzt; jedoch in
jede, zu je zwei konischen Bohrungen gehörige Nut ist ein in Fig. 7 dargestelltes
F'aßstück 35 gelegt, in dem eine halbzylindrische Öffnung 36 ausgespart ist. Diese
Öffnung 36 schließt sich den beiden Bohrungen 33 und 34 an und bildet den Verbindungskanal
zwischen diesen 13olirungen. Die verschiedenen in der Endfläche des Heizkörpers
io angebrachten Paßstücke 35 werden in ihr mittels eines einzigen Ringes 38 gesichert,
der in diese Endfläche eingelassen und durch Schweißen der beiden -:reisförmigen
Trennfugen 39
I Ici-rk@@rlmr befestigt ist. Der Ring 38 hält die
1'al.lstücke verschlossen, so daß nicht jedes Paßstück für sich auf dem Körper angeschweißt
zii werden braucht.