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Heißgaskolbenmaschine mit einem Regenerator, der aus einer Anzahl
nicht miteinander in Wärmeberührung stehender Schichten aufgebaut ist Die Erfindung
bezieht sich auf eine Heißgaskolbenmaschine mit einem Regenerator, der aus einer
Anzahl nicht miteinander in thermischer Berührung stehender Schichten aufgebaut
ist, die sich senkrecht oder nahezu senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des den
Generator durchströmenden Gases erstrecken.
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Wenn hier von einer Heißgaskolbenmaschine die Rede ist, ist darunter
ein Heißgaskolbenmotor, eine nach dem umgekehrten Heißgaskolbenmotorprinzip arbeitende
Kühlmaschine und eine Wärmepumpe zu verstehen.
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Es ist bekannt, Regeneratoren von Heißgaskolbenmaschinen aus einer
Anzahl nicht miteinander in thermischer Berührung stehender Schichten aufzubauen.
Hierdurch soll die Wärmeleitung durch das Material der Regeneratorfüllmasse von
der warmen Seite des Regenerators zur kalten Seite oder umgekehrt verhütet, wenigstens
aber verringert werden.
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Bisher fehlte eine Erkenntnis über die Anzahl von Schichten, die zur
Erzielung der erforderlichen Wirkung benötigt wird. Das hat seinen Grund darin,
daß die beim Wärmeaustausch des den Regenerator durchströmenden Gases mit der Regeneratorfüllmasse
und umgekehrt auftretenden thermischen Erscheinungen sehr verwickelt sind.
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Die vorliegende Erfindung hat nun erkannt, daß eine minimale Anzahl
Schichten anzugeben ist, bei der die Wärmeleitung vernachlässigbar klein ist, während
es sich überraschenderweise zeigte, daß ein Zusammenhang besteht zwischen der Anzahl
erforderlicher Schichten der Regeneratoren und den Eigenschaften des den Regenerator
durchströmenden Gases.
Weiter wurde festgestellt, daß ein Maximum
für die Anzahl erforderlicher Schichten gegeben werden kann. Das Vorhandensein dieses
Maximums stützt sich darauf, daß, wenn der Regenerator aus einer Anzahl nicht miteinander
in thermischer Berührung stehender Schichten aufgebaut ist, der schädliche Raum
der Heißgaskolbenmaschine bei einer ansteigenden Anzahl Schichten unzulässig groß
wird. Dies ist sogar der Fall, wenn die Schichten sehr dicht nebeneinanderliegen.
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Gemäß der Erfindung ist beim Normalbetrieb des Regenerators die Anzahl
Schichten mindestens gleich 1/2 L und höchstens gleich L, wo
und a = der mittlere Wärmeübertragungskoeffizient von dem Gase zum Material der
Regeneratorfüllmasse in gcal/cm2 Sek. °C; F = die gesamte mit dem Gase in Berührung
stehende Oberfläche der Regeneratorfüllmasse in Quadratzentimeter; W = die Wärmekapazität
des Gases, das je Sekunde in einer einzigen Richtung den Regenerator durchströmt
in gcal/ Sek. °C. Von diesem Regeneratormaterial ist zweckmäßig der effektive Wärmeleitungskoeffizient,
d. h. der W ärmeleitungskoeffizient gemäß der Hauptströmungsrichtung des Gases,
größer als o,oi gcal/cm2 Sek. °C.
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In der Zeichnung zeigt Fig. i schematisch eine Ausführungsform eines
Heißgaskolbenmotors mit einem Regenerator nach der Erfindung; Fig. 2 zeigt in vergrößertem
Maßstabe den Regenerator, der z. B. in der Maschine nach Fig. i verwendet werden
kann.
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Der Heißgaskolbenmotor nach Fig. i hat einen Kolben i, der in einem
Zylinder 2 bewegbar ist, sowie einen Kolben 3, der im Zylinder q. spielt. Sowohl
der Kolben i als auch der Kolben 3 sind durch einen Triebstangenmechanismus 5 bzw.
6 mit einer gemeinsamen Kurbel -7 gekuppelt. Der Raum 8 oberhalb des Verdrängers
i ist der warme Raum der Maschine. Diesem Raum wird mittels des Brenners 9 Wärmeenergie
zugeführt. Die Verbrennungsgase durchströmen den Erhitzer io und verlassen ihn bei
ii.
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Der warme Raum 8 steht durch die Kanäle für das Arbeitsmittel im Erhitzer
io, Regenerator i2, Kühler 13 mit dem Raum 1q. rechts vom Kolben 3 in Verbindung.
Der letztgenannte Raum ist der sogenannte kalte Raum der Maschine. Der Regenerator
ist aufgebaut aus einer Anzahl Schichten, die quer zur Durchströmungsrichtung des
Gases durch den Regenerator angeordnet sind. Gemäß Fig. 2 besteht dieser Regenerator
aus einem Regeneratorgehäuse 2o, das eine aus dreizehn Schichten 21 bestehende Füllmasse
enthält. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind in der Füllmasse parallel
geschaltete Kanäle 22 für das Arbeitsmittel vorgesehen.
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Die gesamte mit dem Gase in Berührung stehende Oberfläche F dieses
Regenerators beträgt 3000 cm2. Die Wärmekapazität W des Gases, das je Sekunde
den Regenerator in einer einzigen Richtung durchströmt, ist gleich 1,5 gcal/Sek.
°C und der Wärmeübertragungskoeffizient a gleich o,oi gcal/cm2 Sek. °C. Aus diesen
Daten folgt, daß für diesen Regenerator
so daß die Anzahl Schichten des Regenerators wenigstens io und höchstens 2o betragen
muß. Wird der Regenerator nach derErfindung in einer Kaltgaskühlmaschine verwendet,
so wird L z. B. mindestens 5o betragen, so daß bei dieser Anwendung die Anzahl Schichten
mindestens 25 sein muß.
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Selbstverständlich, kann die Erfindung nicht nur Anwendung finden
bei den oben geschilderten Regeneratoren, bei denen die Schichten mit sich parallel
erstreckenden Kanälen versehen sind, sondern auch bei anderen Regeneratoren, z.
B. bei Drahtregeneratoren, bei denen die Kanäle in den Schichten beliebig verlaufen.