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Heißgaskolbenmaschine mit zwei oder mehr geschlossenen Kreisläufen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Heißgaskolbenmaschine mit zwei oder mehr geschlossenen
Kreisläufen, die für jeden Kreislauf mit einem Wärmeaustauscher für das Arbeitsmittel
der Maschine versehen ist, der aus mindestens einem einerseits in einen Zylinderraum
und andererseits in einen Regeneratorraum mündenden, selbst außerhalb des Zylinders
der Maschine liegenden Element besteht.
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Die bisher bekannten Heißgaskolbenmaschinen haben im allgemeinen für
jeden zu einem bestimmten Kreislauf gehörenden Erhitzer einen gesonderten Brenner.
Wenn sich in der Maschine zwei oder mehr Kreisläufe vollziehen, sind bei den bisher
bekannten Bauarten auch zwei oder mehr Brenner vorhanden, während bei, Ausbildung
der Erhitzer als Rohrerhitzer jeder Erhitzer einen eigenen Raum für die Verbrennungsgase
begrenzt, so daß jede Gruppe von Erhitzerröhren eine eigene, gesonderte Wand bildet,
der kalorischeEnergie zugeführt wird. Bei diesen Bauarten wird im allgemeinen die
Menge kalorischer Energie, die von jedem Röhrenbündel aufgenommen und dem zu einem
bestimmten Kreislauf gehörenden Arbeitsmittel übertragen wird, nicht gleich sein.
Infolge dieser Ungleichheit der übertragenen Menge kalorischer Energie ist auch
die Energiemenge, die von dem zu einem bestimmten Kreislauf gehörenden Arbeitsmittel
in der Maschine entwickelt wird, nicht gleich der Energiemenge, die von einer Menge
zu einem
anderen Kreislauf gehörenden Arbeitsmittel ent-@vickelt
wird. Dies beeinträchtigt die Wirkung der Maschine.
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Zweck der Erfindung ist, eine Bauart zu schaffen, bei welcher ein
aus den Elementen der gesonderten Wärmeaustauscher zusammengebauter Wärmeaustauscher
für mehrere Kreisläufe dienen kann, bei welchem dann die Energiemenge, die von jeder
Elementengruppe gesondert abgegeben wird, weitestgehend gleich ist.
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Der Wärmeaustauscher nach der Erfindung ist auch bei Kühlmaschinen
verwendbar, die nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip arbeiten, in welchem Falle
"der Wärmeaustauscher im allgemeinen als Frieren benutzt wird.
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Gemäß der Erfindung bilden die Elemente aller Wärmeaustauscher gemeinsam
eine Wand zur Aufnahme kalorischer Energie, während der Teil der von den zu einem
einzigen Kreislauf gehörenden Elementen beanspruchten Wandoberfläche wenigstens
nahezu gleich dem Teil der Wandoberfläche ist, der von zu anderen Kreisläufen gehörenden
Elementen beansprucht wird.
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Die Elemente sind vorzugsweise derart angeordnet, daß entsprechende
Teile in entsprechenden Temperaturzonen liegen. Es wird im allgemeinen erwünscht
sein, die Wand zylindrisch zu gestalten; es kann jedoch auch eine flache Wand gebildet
werden.
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Die Elemente, z. B. Röhren, können dicht zusammenliegen, so daß mit
den Röhren in wärmeaustauschender Berührung befindliche Gase nur längs der Wand
strömen können. Die Elemente können jedoch auch in einem Abstand voneinander liegen,
so daß die Gase diese Elemente völlig umspülen können.
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Ein weiterer Vorteil dieses Wärmeaustauschers ist der, daß er verhältnismäßig
wenig Raum -beansprucht und daß, wenn er als Erhitzer wirksam ist, eine geräumige
Feuerung vorhanden ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Arbeitszylinder
einer Heißgaskolbenmaschine, in der sich mindestens drei Kreisläufe vollziehen,
in einem Kranz angeordnet. Auf diese Weise kann baulich eine einfache Maschine hergestellt
werden. Diese Maschine kann mit einem Taumelscheibentriebwerk versehen werden. Es
ist jedoch auch möglich, die Maschine mit einem Kurbelwellenmechanismus zu versehen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind sowohl die Arbeitszylinder
der Heißgaskolbenmaschine als auch die je einen Regenerator und einen Kühler enthaltenden
Räume nebeneinander in einem Kranz angeordnet. .
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Ist- die Maschine als Motor ausgebildet, so ist es gemäß einer weiteren
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, daß jeder kegenerator und
Kühler den zugehörigen kalten Raum umschließt, wobei sich jeder Kühler unmittelbar
diesem kalten Raum anreiht.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Elemente
derart angeordnet, daß jede zu einem einzigen Kreislauf gehörende Elementengruppe
wenigstens teilweise vor einer zu einem anderen Kreislauf gehörenden Elementengruppe
liegt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ergibt sich eine
einfache Bauart, wenn jede Elementengruppe aus einer Anzahl parallel geschalteter,
sich über einen großen Teil quer zu den Mittellinien der Arbeitszylinder erstreckender
Röhren besteht, wobei die eine Reihe von Röhrenenden mit einem Arbeitsraum und die
andere Reihe von Enden mit dem Raum für den Regenerator in Verbindung steht.
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Gemäß -einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist jeder Arbeitsraum
durch die Elemente mit demjenigen Raum für den Regenerator und Kühler verbunden,
der, den Kranz von Räumen umgebend, sowohl neben dem diesem Arbeitsraum nächstfolgenden
Arbeitsraum als auch neben dem darauffolgenden Arbeitsraum liegt.
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Es ergibt sich eine baulich vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung,
wenn die Elemente jedes Kreislaufs sich über einen solchen Umfang der von diesen
Röhren gebildeten Wand erstrecken und derart gebogen sind, daß auf jeden Längsschnitt
durch diese Wand stets mindestens zwei je zu einem eigenen Kreislauf gehörende Röhrengruppen
liegen, wobei vorzugsweise jede Röhre teilweise schraubenlinienförmig ist.
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Eine baulich und thermodynamisch vorteilhafte Ausführungsform ergibt
sich, wenn bei einem Heißgasmotor, bei dem der Kühler den zugehörigen kalten Raum
umschließt und sich unmittelbar diesem Raum. anreiht, jeder Arbeitsraum durch eine
Elementengruppe, die aus einer Anzahl parallel geschalteter, zu einem großen Teil
quer zu den Mittellinien der Arbeitszylinder liegender Röhren besteht, mit demjenigen
Raum für den Regenerator und Kühler verbunden ist, der, den Kranz von Räumen umgebend,
den nächstfolgenden kalten Raum umschließt.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist es erwünscht, daß die
Röhren jedes Bündels derart ausgebildet sind, daß sie wenigstens nahezu gleiche
Länge und gleichen Widerstand haben.
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Es ist außerdem erwünscht, daß die Anschlüsse der Elemente gleichmäßig
über die Durchströmungsfläche des Regenerators verteilt sind.
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Bei einer weiteren Ausführungsform reiht sich die Röhrengruppe eines
zu einem bestimmten Kreislauf gehörenden Wärmeaustauschers an beiden Enden einem
gemeinsamen Kanal an, wobei der eine Kanal in den warmen Raum und der andere in
den Regeneratorraum des Motors mündet.
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Bei Heißgaskolbenmotoren können die Elemente einen zentralen Verbrennungsraum
für den Motor umgeben. 'Es ist jedoch auch möglich, daß der Brenner die von den
Erhitzerelementen gebildete gemeinsame Wand umgibt. Dies wird z. B. der Fall sein,
wenn der Brenner in Form eines Ringbrenners ausgebildet ist.
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Die O_uerschnitte der Elemente können verschiedene Formen haben; sie
sind vorzugsweise rund, können aber auch eckig und oval sein.
Die
Zeichnung stellt schematisch einige Ausführungsformen von Heißgaskolbenmaschinen
dar, die als Heißgaskolbenmotoren ausgebildet und mit Erhitzern nach der Erfindung
versehen sind.
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Fig. i ist eine Draufsicht auf einen Erhitzer eines Heißgaskolbenmotors
nach der Erfindung; Fig.2 ist ein Schnitt längs der Linie II-11 in Fig. i ; Fig.3
ist eine Draufsicht auf einen Heißgaskolbenmotor mit einer anderen Art eines Erhitzers
nach der Erfindung; Fig...l ist ein Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3; Fig.5
ist eine Seitenansicht eines Motors mit einer dritten Art von Erhitzern nach der
Erfindung; Fig. 6 ist ein Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5.
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Der Iieißgaskolbenmotor nach Fig. i ist ein doppelt wirkender Motor
mit vier Kreisläufen und ist also mit vier Arbeitszylindern i, 2, 3 bzw. d versehen.
Der Regenerator und Kühler, die zu einem bestimmten Kreislauf gehören, sind in je
einem gemeinsamen Raum 5, 6, 7 bzw. 8 untergebracht. Sowohl die vier Arbeitszylinder
als auch die Räume für die Kühler und Regeneratoren liegen in einem Kranz. Im Raum
5 nach Fig. 2 liegt der Regenerator 9 und ein Kühler io. In den anderen Räumen 6,
7 und 8 liegen gleichfalls je ein Regenerator und ein Kühler, die in der Figur nicht
dargestellt sind. In den Arbeitszylindern spielen Kolben.
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Im Arbeitsraum i spielt der Kolben ii. Der Raum 12 oberhalb dieses
Kolbens ist der warme Raum des Heißgaskolbenmotors. An diesen warinen Raum schließt
sich ein Kanal 13 und an den Raum 5 für den Regenerator und Kühler ein anderer Kanal
14 an. Beide Kanäle 13 und 1q. stehen durch eine Anzahl parallel geschalteter
Erhitzer 15 miteinander in Verbindung.
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Wie in Fig. i dargestellt, steht der Arbeitsraum 2 durch den Kanal
16, die Erhitzerröhren 17
und den Kanal i8 mit dem Raum 6 in Verbindung. Der
Arbeitsraum 3 ist durch d(n Kanal i9, die Erhitzerröhren 20 und den Kanal 21 mit
dem Raum 7 in Verbindung; der Arbeitsraum .1. durch den Kanal 22, die Erhitzerröhren
2,3 und den Kanal 2..1, mit dem Raum B. Der Raum 5 ist durch den Kanal <5
mit dem Raum unterhalb des Kolbens im Arbeitsraum 2 in Verbindung. Auf entsprechende
Weise sind die Räume für die Re-und Kühler 6, 7 bzw. 8 mit den zugehörigen Räumen
unterhalb der Kolben in den Arbeitsräumen 3, `l. bzw. i in Verbindung. Die Räume
oberhalb der Kolben, die mit konstantem Phasenunterschied auf- und abwärts bewegt
werden, sind die erhitzten Räume des Motors und die Räume unterhalb der Kolben die
gekühlten Räume. Die Erhitzerröhren liegen derart, daß jede Gruppe von Erhitzerröhren
eines einzigen Kreislaufs wenigstens teilweise vor einer Gruppe von Erhitzerröhren
eines anderen Kreislaufs liegt. Die Erhitzerröhren bilden gemeinsam eine Wand, der
kalorische Energie durch die Verbrennungsgase zugeführt wird. Bei der Bauart nach
dieser Figur ist jede Gruppe von Erhitzerröhren mit demjenigen Raum für den Regenerator
und Kühler in Verbindung, der im Kreislauf der Röhren im Kranz sowohl neben dem
dem Arbeitsraum nächstfolgenden Arbeitsraum als auch neben dem darauffolgenden Arbeitsraum
liegt.
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Die Verbrennungsgase, die unter Zuhilfenahme des gemeinsamen Brenners
26 zugeführt werden, streichen durch die Röhrenbündel der Erhitzer und geben diesen
Röhren ihre kalorische Energie ab. Darauf verlassen die Gase den Heißgasmotor bei
27. Infolge der Anordnung der Erhitzerröhren nimmt jedes Bündel von Erhitzerröhren
eine weitestgehend gleiche Energiemenge auf.
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Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den Erhitzer eines anderen Heißgasmotors
nach der Erfindung. Dieser Heißgasmotor ist auch doppelt wirkend und hat vier Zylinder.
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Fig. q. ist ein Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3. In beiden
Figuren bezeichnen entsprechende Ziffern entsprechende Teile der Fig. i und 2. Der
Raum i2 oberhalb des Verdrängers ii im Zylinder i steht durch eine Anzahl parallel
geschalteter Röhren 3 i mit dem Raum 5 in Verbindung. In diesem Raum 5 ist der Regenerator
9 und der Kühler io enthalten, die durch den .Kanal 25 mit dem Arbeitsraum unterhalb
des Kolbens im Zylinder 4 verbunden sind. Auch bei diesem Motor sind die Räume oberhalb
der Kolben die warmen Räume, während die Räume unterhalb der Kolben die kalten Räume
sind; die Kolben bewegen sich mit konstantem Phasenunterschied auf- und abwärts.
Die parallel geschalteten Röhren 31 bilden den Erhitzer für das Arbeitsmittel, das
in den vorerwähnten, miteinander v erbundenen Räumen einen thermodynamischen Kreislauf
vollführt.
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Auf entsprechende Weise ist der Arbeitszylinder 2 durch das Röhrenbündel
32 mit dem Raum 6 in Verbindung, während der Arbeitsraum 3 durch das Röhrenbündel
33 mit dem Raum 7 und der Arbeitsraum q. durch das Röhrenbündel 34 mit dem Raum
8 in Verbindung steht. Die Räume 6, 7 und 8 sind je durch einen nicht dargestellten
Kanal mit den kalten Räumen unterhalb der Kolben in den entsprechenden Zylindern
i, 2 und 3 in Verbindung. Die Röhrenbündel 3 i, 32, 33 und 3.1. bestehen
aus je drei parallel geschalteten Röhren, wobei jedes Rohr sowohl in den Arbeitsraum
als auch in einen Regeneratorraum mündet. Die Röhren aller Gruppen bilden eine gemeinsame
Wand, der kalorische Energie zugeführt wird. Die Verbrennungsgase werden unter Zuhilfenahme
des Ringbrenners 35 zugeführt und verlassen den Motor bei 36. Die Erhitzerröhren
jedes Bündels erstrecken sich, wie in der Figur dargestellt, schraubenlinienförmig.
Ähnlich wie bei dem :Motor nach Fig. i und wirken die Kolben auf einen nicht dargestellten,
gemeinsamen Übertragungsmechanismus, z. B. eine Taumelscheibe.
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In den Fig. 5 und 6 ist eine andereAusführungsform eines Heißgasinotois
mit einem Erhitzer nach
der Erfindung dargestellt. Bei diesen Ausführungsformen
sind die Regeneratoren und Kühler um den zu diesem Wärmeaustauscher gehörenden kalten
Raum herumgelegt, und der Kühler schließt unmittelbar an diesen Raum an.
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Gemäß der Erfindung wird bei dieser Bauart eine wesentliche Verbesserung
des Wirkungsgrades und der spezifischen Leistung im Vergleich zu Motoren erzielt,
bei denen sich zwischen dem Kühler und dem kalten Raum ein Verbindungskanal verhältnismäßig
großer Abmessungen befindet. Außerdem ergibt sich bei dieser Ausführungsform eine
vorteilhafte Zufuhr zum Regenerator und zum Kühler, so daß der Strömungsverlust
geringer sein und die zu Verwicklungen führende Anbringung von Leitschaufeln vermieden
werden kann. In den Fig. 5 und 6 sind den Teilen der Fig. i und 2 entsprechende
Teile mit entsprechenden Ziffern bezeichnet. Der Motor ist ein vierzylinderdoppeltwirkender
Heißgaskolbenmotor mit den vier Zylindern 1, 2, 3 bzw. 4. In jedem Zylinder bewegt
sich ein Kolben auf- und abwärts. Der Arbeitsraum oberhalb eines jeden Kolbens ist
der warme Raum, und dieser Raum steht durch einen Erhitzer, Regenerator und Kühler
mit einem kalten Raum in Verbindung, der unterhalb eines anderen Kolbens liegt.
Fig.6 ist ein Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5. Der Raum 12 oberhalb des
Kolbens i steht durch das Röhrenbündel 41 und einen nicht dargestellten Regenerator
und Kühler mit dem kalten Raum unterhalb des Kolbens im Zylinder 4 in Verbindung.
Auf entsprechende Weise ist der warme Raum im Zylinder 4 durch das Röhrenbündel
45, den Regenerator 42 und den Kühler 43 mit dem kalten Raum 44 unterhalb des Kolbens
im Zylinder 3 in Verbindung. Gleichfalls ist der warme Raum oberhalb des Kolbens
im Zylinder 3 durch den Erhitzer 46 mit dem kalten Raum unterhalb des Kolbens im
Zylinder :2 verbunden, und der warme Raum oberhalb des Kolbens im Zylinder 2 ist
durch den Erhitzer 47, den Regenerator 48 und den Kühler 49 mit dem kalten Raum
5o unterhalb des Kolbens im Zylinder i - verbunden. Vorzugsweise sind die Erhitzerröhren
derart angeordnet, daß der Anschluß an den Regenerator senkrecht oder nahezu senkrecht
zur Regeneratorendfläche steht. Aus Versuchen hat sich ergeben, daß bei dieser Bauart
gegenüber dem bekannten doppelt wirkenden Motor eine Zunahme der spezifischen Leistung
sogar von ioo/o erzielt wird.
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Die Röhren der Erhitzer 41, 45, 46 und 47 bilden eine gemeinsame Wand,
der kalorische Energie zugeführt wird unter Zuhilfenahme der Verbrennungsgase eines-Brenners.
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In Fig. 5 ist die Form der Röhren der Erhitzer dargestellt. Wie aus
der Figur ersichtlich ist, ist beim Erhitzer 46 das Rohr 52 das äußerste Rohr des
Erhitzerbündels. Darüber sind die Rohre 53, 54, 55 und 56 angeordnet. Diesen Rohren
sind wieder die Rohre 57, 58, 59, 6o, 61, 62 und 63 überlagert. Die Anschlüsse der
Rohre sind gleichmäßig über die Durchströmungsebene des Regenerators verteilt. Auf
diese Weise ergibt sich ein symmetrisches Röhrenmuster. Außerdem sind vorzugsweise
die Rohre jedes Bündels wenigstens nahezu gleich lang und haben gleichen Widerstand.
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Die oben beschriebenen Heißgaskolbenmaschinen sind alle vierzylinderdoppeltwirkende
Maschinen. Es ist ersichtlich, daß die Maschine nach der Erfindung auch als eine
Zwei-, Drei- oder Mehrzylindermaschine, entweder einzeln wirkend oder doppelt wirkend,
ausgebildet sein kann.