DE821729C - Maschine mit einer Vorrichtung zur Zufuehrung kalorischer Energie - Google Patents

Description

(WiGBL S. 175)

AUSGEGEBEN AM 19. NOVEMBER 1951

p 26507 I a I 46 d D

Eindhoven (Holland)

sind als Erfinder genannt worden

Die vorliegende Erfindung liezieht sich auf eine Maschine, hei der ein gasförmiges Mittel von unveränderlicher chemischer Zusammensetzung einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf vollführt, und bei der dieses Mittel bei verschiedenen Temperaturen komprimiert und expandiert wird.

Die Maschine ist mit einer Vorrichtung zur Zu- oder Ableitung von Wärmeenergie zu bzw. von dem in der Maschine wirksamen Mittel versehen. Beispiele solcher Maschinen sind Heißgasmotoren, wie Heißluftmotoren, nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip arbeitende Kühlmaschinen und Heißluftturbinen. Bei allen derartigen Maschinen muß an bestimmten Stellen Wärmeenergie dem in der Maschine wirksamen Mittel zugeführt oder ihm entnommen werden. Es hat sich nun in der Praxis ergeben, daß diese Wärmezu- und -ableitung oft Schwierigkeiten bereitet, besonders wenn es sich um eine Hochleistungsmaschine handelt. Bei kleineren Maschinen genügen meist Wärmeaustauscher (Heizer und Kühler), 1>ei denen der Wärmeübergang nach und von der Maschine ohne weiteres durch die Maschinenwand hindurch erfolgt. In diesem Falle ist die Wand an den in Frage kommenden Stellen in besonderer Weise ausgebildet und z. B. mit Ansätzen u. dgl. versehen. Bei größeren Maschinen, z. B. Maschinen von mehr als 50 oder 100 abgegebentn oder aufgenommenen PS, wird die obenerwähnte Bauart bereits bedeutende Schwierigkeiten bereiten, die unter anderem dadurch bedingt sind, daß die Wandstärke der Maschine zunimmt und somit ein größerer Wärmeabfall in der Maschinenwand auftritt. Werden die Maschinen noch größer, z. B. größer als 500 PS, so wird es kaum möglich, Wärmeaustauscher in der eben beschriebenen Weise aufzubauen; es müssen daher besonders ausgebildete Wärmeaustauscher verwendet werden.

Nun ist bereits bekannt, die Wärmezufuhr bei einer sogenannten Heißluftturbine unter Zuhilfenahme eines Zwischenmittels durchzuführen. Dabei

wird dieses Zwischenmittel durch eine Wärmequelle geheizt und es gibt an einer anderen Stelle die aufgenommene Wärme wieder an das in der Maschine wirksame Mittel ab. Bei dieser Ausbildung wird das in der Maschine wirksame Mittel in einem in einem Gefäß untergebrachten Röhrensystem unterteilt. An der Stelle, an der die Röhre mit dem Arbeitsmittel angeordnet ist, ist dieses Gefäß z. B. mit dem Zwischenmittel gefüllt. Weiter ist auch bereits vorgeschlagen worden, bei einem Heißluftmotor ein Zwischenmittel zu verwenden, das die Wärme von einer außerhalb des Motors angeordneten Wärmequelle nach dem in der Maschine wirksamen Mittel befördert. Dabei wird das Zwischenmittel von der Wärmequelle durch ein Röhrensystem dem in der Maschine wirksamen Mittel zugeführt und umgekehrt.

Die Erfindung hat den Zweck, Mittel zu schaffen, durch welche die oben beschriebene Art des Wärme-

ao Überganges wesentlich verbessert werden kann. Gemäß der Erfindung liegen bei einer Maschine, in der ein gasförmiges Mittel von unveränderlicher chemischer Zusammensetzung einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf vollführt und bei der dieses

*5 Mittel bei verschiedenen Temperaturen komprimiert und expandiert wird, und die mit einer Vorrichtung zur Zuleitung kalorischer Energie zu dem in der Maschine wirksamen Mittel versehen ist, wobei diese Vorrichtung eine Anzahl von voneinander unabhängigen, gasdicht durch die Maschinenwand hindurchgeführten hohlen Systemen aufweist, die je eine bestimmte Menge eines wärmeübertragenden Mittels enthalten, die im Innern der Maschine befindlichen Teile der Systeme rings um einen der Räume für das in der Maschine wirksame Mittel.

Einer der Vorteile der Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber der vorstehend beschriebenen bekannten.Bauart ist der, daß man beim Entwerfen der Wärmeaustauscher der Maschine bedeutend freier in der Anordnung der verschiedenen Einzelteile ist, als bei den bereits bekannten Bauarten. Es hat sich in der Praxis ergeben, daß diese bekannte Bauart in gewissen Fällen zu einer unvermeidlichen Vergrößerung des schädlichen Raums in

♦5 der Maschine führt; diese Vergrößerung hat unangenehme Folgen z. B. mit Rücksicht auf die spezifische Leistung der Maschine. Ein anderer Nachteil der bekannten Bauart ist der, daß, wenn aus irgendeinem Grunde das das Zwischenmittel enthaltende Gefäß oder Röhrensystem undicht wird, die Gesamtmenge dieses Mittels durch diese Undichtigkeit abfließen wird und die Maschine erst wieder verwendbar ist, wenn das Gefäß nach abermaliger Füllung mit dem Zwischenmittel wieder geschlossen ist.

Während dieser Zeit kann die Maschine überhaupt nicht arlieiten. Wird dagegen eines der Systeme in der erfindungsgemäß ausgebildeten Maschine undicht, so geht nicht nur eine besonders kleine Menge des Zwischenmittels verloren, sondern es besteht im allgemeinen auch die Möglichkeit, die Maschine trotz der Undichtigkeit weiterarbeiten zu lassen, bis in einem passenden Augenblick das beschädigte System wieder ausgebessert werden kann.

Wie weiter insbesondere aus der Zeichnung ersichtlich ist, ermöglicht die Bauart gemäß der vorliegenden Erfindung, die Systeme nach Maßgabe der beim Entwurf der Maschine auftretenden Bedürfnisse in voneinander ganz verschiedener Weise aufzubauen. Eine baulich besonders einfache Lösung ergibt sich, wenn gemäß einer Ausführungsform der Erfindung jedes System in Form eines zweiseitig verschlossenen geraden, gebogenen oder geknickten Rohres ausgebildet ist. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform ist der, daß die Einzelteile eines solchen Erhitzers besonders einfach in Massen hergestellt werden können. Das Innere eines jeden Systems kann in Abhängigkeit vom Zwischenmittel gestaltet werden. Besteht das Zwischenmittel aus einem Stoff, der sich an der Zuführungsstelle der Wärmeenergie verflüchtigt und an der Stelle, an der diese Energie dem Mittel entnommen wird, sich wieder kondensiert, so sind im allgemeinen keine besonderen Maßnahmen im Innern des Systems erforderlich, um den Umlauf des Mittels zu bewerkstelligen. Ist gemäß einer anderen Ausführungsform das Zwischenmittel stets im flüssigen Zustand, so kann gemäß der Erfindung jedes System innerlich derart gestaltet werden, daß der in ihm vorhandene Hohlraum durch das Vorhandensein einer Zwischenwand oder mehrerer solcher Zwischenwände in Abteile unterteilt ist, die örtlich miteinander in Verbindung stehen. Infolge der stattfindenden Wärmezu- oder -ableitung zu bzw. von dem System entsteht auf diese Weise in einem solchen System an untereinander verschiedenen Stellen im Zwischenmittel eine sogenannte Thermosyphonwirkung.

Bei einer anderen Ausführung der Erfindung ist ein jedes der Systeme in Form eines endlosen Rohres ausgebildet, das teilweise innerhalb und teilweise außerhalb der Maschine angeordnet ist. Diese Ausführung ist z. B. nützlich, wenn die Maschine als Heißgasmotor ausgebildet ist, wobei die zu heizenden Teile der Maschine in deren oberen Teilen angeordnet sind und vermieden werden soll, daß die Brenner von oben nach unten wirken müssen.

Wie vorstehend tareits bemerkt, ist man bei der Anwendung der Erfindung Ixisonders frei in der gegenseitigen Anordnung der verschiedenen Systeme innerhalb und außerhalb der Maschine. Es können z. B. gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die innerhalb der Maschine liegenden Teile der Systeme rings um einen der Räume für das in der Maschine wirksame Mittel angeordnet werden. Bei einer Maschine zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie können die über die Maschine vorstehenden Teile der Elemente gemäß der Erfindung gemeinsam eine oder mehrere Wände des Feuerherdes bilden. Dies ergibt den Vorteil, daß auch die Strahlungswärme der Wärmequelle völlig ausgenutzt wird. Die üblichen Schwierigkeiten des Aufbaues einer Wand für den Feuerherd kommen infolgedessen in Wegfall, während dennoch eine hohe Feuerherdbelastung zulässig ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es empfehlenswert, die gegebenenfalls mit Ansätzen versehenen, über die Maschine vor-

stehenden Teile der Systeme derart gegenseitig anzuordnen, daß sie, von der Wärmequelle aus gesehen, eine geschlossene Wand bilden.

Der soeben erwähnte Vorteil der Möglichkeit einer besonders hohen Feuerherdbelastung ist wertvoll für große Anlagen, wobei nicht nur an Heißgasmotoren, sondern auch an Heißluftturbinenanlagen mit geschlossenem Kreislauf gedacht ist. In an sich bekannter Weise werden im allge-

xo meinen die Teile der Systeme, die Wärme aufnehmen oder abgeben müssen, mit Mitteln versehen, welche die 01>erfläche dieser Teile vergrößern. Zu diesem Zweck kommen die üblichen Mittel, wie Rippen u. dgl., in Betracht.

Die Erfindung ist in der Zeichnung näher erläutert.

Fig. ι und 2 sind ein Längsschnitt bzw. ein über die Linie II-II der Fig. 1 geführter Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten Maschine, die ein Heißgasmotor ist. In der bei Heißgasmotoren üblichen Weise weist die Maschine einen Kopf 1 mit einem Innenmantel 2 auf. In dem Innenmantel ist der Kolben 3 geführt, der zu diesem Zweck an seinem aufwärts gerichteten Ende mit einer Lauffläche 4 versehen ist, die Kolbenringe 4 und 5 enthält. Im Raum 6 zwischen dem Zylinderteil des Kopfes 1 und dem Innenmantel 2 sind Heizsysteme 7 vorgesehen, von denen Fig. ι zwei im Schnitt und eine Anzahl anderer schaubildlich darstellt. Der Raum 6 ist oben durch einen aus Drahtmaterial bestehenden Regenerator 8 verschlossen. Bei dieser Ausführung besteht die Heizvorrichtung aus einer Anzahl von voneinander unabhängiger hohler Systeme 7, die je bei 9 gasdicht durch die Stirnfläche des Kopfes 1 hindurchgeführt sind. Ein jedes dieser Systeme enthält eine bestimmte Menge eines wärmefördernden Zwischenmittels 10. Die über den Motor vorstehenden Teile der Systeme, die zur Vergrößerung der Wärmeaufnahmeoberfläche mit Rippen versehen sind, werden durch einen Ringbrenner 11 geheizt. Infolgedessen werden die Zwischenmittelmengen in jedem der Systeme 7 mitgeheizt. Dieses Zwischenmittel gibt im Kopf ι des Motors seine Wärme an das im Raum 6 befindliche, im Motor wirksame Mittel, wie z. B. Luft, ab.

Bei dieser Ausführung geht das Mittel 10 infolge der Heizung ganz oder teilweise von dem flüssigen Zustand in den dampfförmigen über und kondensiert sich wieder im ol>eren Ende der Systeme 7. Zu diesem Zweck können z. B. Metalle, Metallegierungen, Metallsalze oder ein Gemisch aus Metallsalzen verwendet werden, wobei naturgemäß an diese Stoffe bestimmte Anforderungen gestellt werden,

z. B. daß sie sich bei den auftretenden Temperaturen nicht zersetzen, das Material der Systeme nicht angreifen und eine geringe Dampfspannung aufweisen. Als Metalle kommen z. B. Natrium, Kalium, Kadmium, Cäsium, Zink und Blei in Betracht. Auch können bestimmte Metallsalze, wie verschiedene Metallhalogene, verwendet werden, von denen beispielsweise Zinkchlorid, Aluminiumbromid, Kadmiumjodid, Calciumjodid, Zinkbromid oder Ge- j mische aus diesen genannt werden können. Auch kommen Nitrate, Nitrite oder Gemische aus ihnen in Betracht.

Es ist ersichtlich, daß der in der Fig. 1 dargestellte Aufbau eine große Freiheit beim Entwerfen der Heizvorrichtung möglich macht. Wie insbesondere in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, können die Systeme 7 gewünschtenfalls gebogen ausgebildet werden; man ist also verhältnismäßig frei in der gegenseitigen Anordnung der Wärmequelle und des Motors. Bei Schaden an einem der Systeme 7 wird nur die in diesem System enthaltene Zwischenmittelmenge verloren gehen; der Motor kann auch beim Defektwerden eines solchen Elementes nach wie vor arbeiten, bis das beschädigte Element in einem geeigneten Augenblick durch ein anderes ersetzt werden kann.

Die Fig. 3 und 4 stellen eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten, hier auch als Motor gebauten Maschine dar; die Bauart des dargestellten Teiles des eigentlichen Motors entspricht praktisch derjenigen gemäß den Fig. 1 und 2, mit dem Unterschied jedoch, daß bei der Bauart nach Fig. 3 und 4 der zu heizende Teil des Motors an dessen oberem Ende angeordnet ist. Bei dieser Ausführung enthält der Raum 21 zwischen dem Zylinderteil des Motorkopfes 22 und dem Innenmantel 23 die Systeme 24, die in Form hohler endloser Rohre gestaltet sind. Diese Rohre sind mit einem wärmeübertragenden Zwischenmittel gefüllt, das stets im flüssigen Zustande ist. Zu diesem Zweck können z. B. flüssige Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt, wie Kalium oder Natrium, oder eine flüssige Metallegierung mit niedrigem Schmelzpunkt, wie Woodsches Metall, oder eine Kalium-Natrium-Legierung verwendet werden. Infolge der Heizung an der Stelle 25 durch den Ringbrenner 26 und infolge der Kühlung in denjenigen Teilen der Elemente, die im Raum 21 angeordnet sind, entsteht in den dargestellten Systemen eine Thermosyphonwirkung im Zwischenmittel, so daß dem im Motor wirksamen Mittel ununterbrochen Wärme zügeführt wird. Bei den dargestellten Ausführungen sind die Systeme stets vollständig verschlossen dargestellt. Unter gewissen Bedingungen können die Systeme jedoch auch an einer geeigneten Stelle mit einer öffnung versehen sein, durch die das Innere des Systems mit der Umgebung in Verbindung steht. Dies kann z. B. durchgeführt werden, um eine Expansionsmöglichkeit des Zwischenmittels in den Systemen zu sichern, wenn dieses Zwischenmittel keine zu starke Neigung zur Oxydation zeigt.

Bei der Ausführung nach Fig. 5 ist der Motorzylinder 31 waagerecht angeordnet. Er enthält einen Innenmantel 32, in dem der Kolben 33 beweglich ist. Im Raum 34 sind die Systeme 35 derart angeordnet, daß sie gemeinsam einen Zwischenmantel bilden, wobei das zu heizende Gas zwischen diesen Systemen auf seinem Wege vom Regenerator 36 zurri Raum 37 links vom Kolben 33 geführt wird. Die Systeme 35 sind mit einem Mittel gefüllt, das vom flüssigen Zustand in den dampfförmigen übergeht und umgekehrt. Die ül>er den Motor vorstehen-

den Teile dieser Elemente, von denen in Fig. 5 zwei im Querschnitt dargestellt sind, bilden gemeinsam eine mantelartige Wand 38, die den Brenner 39 ganz umgibt. Wie die Figur zeigt, sind die Elemente mit Rippen 40 zur Vergrößerung der Oberfläche versehen. Durch Anwendung dieses Erhitzers ist es unter Aufrechterhaltung der bereits erwähnten Vorteile möglich, einen Motor zu verwenden, dessen Zylinder waagerecht oder unter einem sehr geringen Winkel geneigt liegen, während trotzdem der Wärmeübergang zu dem in der Maschine wirksamen Mittel keine Schwierigkeiten bereitet. Fig. 6 ist eine Ansicht einer ähnlichen Ausführung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, wobei jedoch die über den Motor vorstehenden Teile der Systeme gemeinsam einen kegelförmigen Mantel 52 bilden, der den Brenner 53 gleichfalls umgibt. Der Vorteil dieser kegelförmigen Ausführung des Mantels ist der, daß die über den Motor vorstehenden Teile 52 der Systeme in wirtschaftlicherer Weise der Wirkung des Brenners ausgesetzt sind, als dies bei der Ausführung nach Fig. 5 der Fall ist.

Die Ausführungen nach den Fig. 1 bis 6 einschließlich sind naturgemäß auch ohne weiteres bei nach dem umgekehrten Heißgasmotorenprinzip arbeitenden Kühlmaschinen verwendbar, sowohl für den Teil einer Kühlmaschine, in dem kalorische Energie (Kälte) dem in der Maschine wirksamen Mittel zugeführt wird, als auch an der Stelle, wo diese Energie bei einer höheren Temperatur der Maschine entnommen wird. Nur werden dort mit Rücksicht auf eine andere Temperatur des Zwischenmittels andere Stoffe gewählt werden. Für Kühlzwecke kann z. B. Äther als Zwischenmittel verwendet werden.

Die Fig. 7 und8 stellen zwei andereAusführungsformen der das Zwischenmittel enthaltenden Systeme dar. Bei der Ausführung nach Fig. 7 ist das System als ein zweiseitig verschlossenes Rohr gestaltet, das eine nicht dargestellte Menge des Zwischenmittels enthält, das stets im flüssigen Zutand bleibt. Zur Sicherung der dabei erforderlichen Thermosyphonwirkung ist das System 60 mit einer Zwischenwand 61 versehen, die durch kleine Nocken 62 gehalten wird. Der Hohlraum im System 60 ist infolgedessen in zwei Teile unterteilt, die am unteren und oberen Teil bei 63 und 64 miteinander in Verbindungstehen. Wird das System 60 über die Zone A durch einen nicht dargestellten Brenner geheizt, was schematisch durch Pfeile B dargestellt ist, so entsteht im Zwischenmittel eine Thermosyphonwirkung, wie durch die Pfeile C angedeutet ist.

Eine ähnliche Wirkung tritt bei der Ausführung nach Fig. 8 auf. Auch hier ist das System 70 mit einer bestimmten Menge eines Zwischenmittels gefüllt, das stets im flüssigen Zustand ist. Auch hier muß eine Thermosyphonwirkung erzielt werden. Zu diesem Zweck ist im System 70 nicht nur eine Zwischenwand 71 angeordnet, sondern das untere Ende des Systems ist mit zwei Schenkeln 72 und 73 versehen, die bei 74 miteinander in Verbindung stehen. In der Zone D wird der Schenkel 73 in Richtung der Pfeile £ geheizt; auf diese Weise entsteht im Zwischenmittel ein Umlauf in Richtung der Pfeile F. Infolge der Tatsache, daß die Sehenkel 72 und 73 einen gewissen Abstand voneinander haben, wird der Temperaturunterschied des Mittels in den Schenkeln 72 und 73 des Systems 70 größer sein, als bei der Ausführung nach Fig. 6, was die Thermosyphonwirkung begünstigt.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Ansicht von unten. Hier ist eine Heizvorrichtung der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Art verwendet, wobei die Systeme jedoch auf eine besondere Weise einander gegenüber angeordnet sind. 80 bezeichnet den Motorkopf, in dessen Innerem der Innenmantel 81 angeordnet ist. Die Systeme 82 weisen hier die Gestalt flacher, zweiseitig verschlossener, gerader Röhrchen auf. Sie enthalten ein Zwischenmittel, das von dem flüssigen in den dampfförmigen Zustand übergeht und umgekehrt. Die Systeme sind derart in der Stirnfläche des Motorkopfes versetzt angeordnet, daß sie sich in radialer Richtung teilweise überlappen. 83 ist die Wärmequelle. Die Strahlungswärme der Wärmequelle wird vollständig ausgenutzt und eine hohe Belastung des Feuerherdes ist gestattet, ohne daß besondere Maßnahmen in bezug auf die Wände des den Motorkopf mit der Wärmequelle enthaltenden Raumes getroffen zu werden brauchen. go

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Maschine mit einer Vorrichtung zur Zuführung kalorischer Energie durch eine Anzahl von voneinander unabhängigen, gasdicht durch die Maschinenwand hindurch geführten hohlen Systemen, die je eine bestimmte Menge eines Wärme übertragenden Mittels enthalten, zu einem gasförmigen Mittel von unveränderlicher chemischer Zusammensetzung, das bei verschiedenen Temperaturen komprimiert wird sowie ,expandiert und dabei einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf vollzieht, dadurch gekennzeichnet, daß die im Innern der Maschine 1>efindlichen Teile, der Systeme rings um einen der Räume für das in der Maschine wirksame Mittel liegen.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb der Maschine liegenden, vorzugsweise mit Rippen versehenen Teile der Systeme derart angeordnet sind, daß sie, von der Wärmequelle aus gesehen, gemeinsam eine geschlossene Wand bilden.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein jedes der Systeme inner-Hch derart ausgebildet ist, daß der in ihm vorhandene Hohlraum in miteinander in Verbindung stehende Abteilungen unterteilt ist.

4. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellinien der Systeme die Gestalt einer gebrochenen Linie aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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