DEP0025301DA - Heißgasmaschine mit geschlossenem Kreislauf - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Heißgasmaschine und insbesondere auf eine Heißgaskolbenmaschine mit geschlossenem Kreislauf.

Der Ausdruck "Heißgasmaschine mit geschlossenem Kreislauf" umfasst sowohl Heißgasmaschinen, in denen von einer äußeren Wärmequelle herrührende Wärme dem in der Maschine wirksamen, gasförmigen Mittel zugeführt und durch dieses Mittel in mechanische Energie umgesetzt wird, als auch nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip wirkende Kühlmaschinen, in denen durch das in der Maschine wirksame Mittel mechanische Energie in Wärmeenergie (in der Regel Kälte) umgesetzt wird.

Die Heißgasmaschine nach der vorliegenden Maschine enthält einen geheizten und einen gekühlten Raum, deren Volumina sich, mit einem Phasenunterschied von etwa 60° bis etwa 120°, von praktisch Null bis einen bestimmten Wert ändern können, wobei der geheizte und der ge- kühlte Raum über einen Erhitzer, Regenerator und einen Kühler miteinander in offener Verbindung stehen.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Verbindung ist unter einem "Erhitzer" ein Wärmeaustauscher zu verstehen, durch dessen Wand hindurch Wärmeenergie von außen dem in der Maschine wirksamen Mittel zugeführt wird. Ferner ist unter einem "Kühler" ein Wärmeaustauscher zu verstehen, bei dem die Wärmeströmung durch die Wand in einer Richtung vor sich geht, die der beim Erhitzer eingeschlagenen Richtung gerade entgegengesetzt ist. Hierbei geht somit Wärmeenergie, welche von dem in der Maschine wirksamen Mittel herrührt, durch die Kühlerwand hindurch nach außen und wird dort z. B. an ein an dieser Stelle vorhandenes Kühlmittel abgegeben.

Unter dem in der Maschine vorhandenen "geheizten Raum" ist derjenige Raum veränderlichen Volumens in der Maschine zu verstehen, der an derselben Seite des Regenerators liegt wie der Erhitzer, während unter dem "gekühlten Raum" derjenige Raum veränderlichen Volumens zu verstehen ist, der an derselben Seite des Regenerators liegt wie der Kühler.

Es ist bekannt, dass bei Heißgasmaschinen die Ausdehnung des in der Maschine wirksamen Mittels bei einer höheren Temperatur erfolgt, als die Kompression. Bei nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip wirkenden Kühlmaschinen dagegen vollzieht sich die Ausdehnung des in der Kühlmaschine wirksamen Mittels gerade bei einer niedrigeren Tem- peratur als die Kompression. Der Erhitzer der Maschine nach der vorliegenden Erfindung wird, wie es beim Gebrauch des Wortes "Erhitzer" auch direkt vermutet wird, beim Betrieb des Motors eine höhere Temperatur als der Kühler aufweisen. Ebenso wird im geheizten Raum einer Maschine auch eine höhere Temperatur als im gekühlten Raum dieser Maschine herrschen. In einer nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip wirkenden Kühlmaschine dagegen werden im allgemeinen der Erhitzer und der geheizte Raum niedrigere Temperaturen als der Kühler und der gekühlte Raum aufweisen infolge der Tatsache, dass bei einer Kühlmaschine im vorliegenden Zusammenhang als Erhitzer diejenige Wärmeaustauschvorrichtung betrachtet wird, durch deren Wand von außerhalb der Maschine Wärmeenergie (hier Kälte) dem in der Maschine wirksamen Mittel zugeführt wird.

Die Aufgabe des Regenerators in der erfindungsgemäß ausgebildeten Maschine besteht darin, dem in einer Richtung durch den Regenerator strömende Mittel Wärme zu entziehen, diese Wärme aufzuspeichern und darauf wieder das in entgegengesetzter Richtung strömende Mittel abzugeben.

Heißgasmaschinen mit einem geheizten Raum, einem Erhitzer, einem Regenerator, einem Kühler und einem gekühlten Raum sind bekannt.

Obzwar Heißgasmaschinen bereits längere Zeit bekannt sind, ist es nie zu einer Entwicklung oder Anwendung dieser Maschinen in großem Maßstab gekommen. Praktisch sämtliche bereits bekannte Heißgasmaschinen waren so aufgebaut, dass sie eine kleine Anzahl Umdrehungen je Zeiteinheit ausführten, ein ungünstiges Verhältnis zwischen Gewicht und Leistung aufwiesen und nur eine geringe Leistung zu erzeugen vermochten, wobei der Wirkungsgrad niedrig war. Die nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip wirkenden Kühlmaschinen haben gleichfalls in der Regel zu enttäuschenden Ergebnissen geführt.

Die Verwendung der vorliegenden Erfindung schafft die Möglichkeit, eine Heißgaskolbenmaschine mit einem höheren Wirkungsgrad als derjenigen der üblichen Maschinen zu erzielen. Ferner kann man unter Anwendung der Erfindung eine Maschine bauen, die eine höhere Umdrehungszahl, z. B. 2000 Umläufe je Minute oder mehr, haben kann.

Die Erfindung schafft ferner die Möglichkeit, eine Heißgasmaschine zu bauen, die einen ruhigen Gang aufweist, einfach in der Bauart ist und einen guten Wirkungsgrad besitzt.

Um dies zu erreichen, werden die spezifischen Eigenschaften der in der Maschine vorhandenen Elemente, namentlich der erhitzte Raum, der Erhitzer, der Regenerator, der Kühler und der gekühlte Raum, in geeigneter Weise miteinander in Zusammenhang gebracht. Dabei ist es nach der Erfindung erforderlich, dass die Elemente in der Maschine in der erwähnten Reihenfolge und somit nicht in einer abweichenden Reihenfolge vorhanden sind.

Zwecks Erzielung der gewünschten Ergebnisse weist der Erhitzer einen näher zu definierenden Faktor P zwischen 0,2 und 0,75, vorzugsweise zwischen 0,35 und 0,45, und einen gleichfalls näher zu definierenden Faktor C zwischen 0,1 und 0,6 auf.

Der Regenerator muss einen Faktor P zwischen 0,9 und 1,0, einen Faktor C zwischen 0,5 und 0,6 und eine Wärmekapazität von wenigstens etwa dem 2,5-fachen der Wärmekapazität der Mittelmenge aufweisen, die durch den Regenerator in einer Richtung während einer Umdrehung der Maschine strömt.

Diese sämtlichen Worte gelten bei voller Belastung der betroffenen Heißgas- bzw. Kühlmaschine.

Ferner ist die Heißgasmaschine erfindungsgemäß vorzugsweise derart ausgebildet, dass das Gesamtvolumen des schädlichen Raums im Erhitzer, im Regenerator und im Kühler das 0,5- bis 3-fache, vorzugsweise das 0,75- bis 1-fache, des Maximalvolumens des geheizten Raums in der Maschine beträgt.

Auch ist es sehr wichtig, dass sowohl im Erhitzer als auch im Kühler das in der Maschine wirksame Mittel in wenigstens fünf Parallelströmungen unterteilt ist. Es ist aber vorteilhaft, dieser Strömungszahl wesentlich größer, z. B. 30, zu wählen.

Den vorerwähnten Faktoren P und C liegen das Verhältnis zwischen der Wärmeübertragung und dem Druckwert zugrunde; diese Faktoren lassen sich für den Erhitzer, den Regenerator und den Kühler unter Zuhilfenahme folgender Formeln bestimmen.

In diesen Formeln ist

L die Übertragungszahl,

Eu der Druckverlustkoeffizient (Eulerzahl),

a der Wärmeübertragungskoeffizient,

0 die Gesamtoberfläche des Wärmeaustauschers,

W die Wärmekapazität der je Zeiteinheit durch den Wärmeaustauscher strömenden

Mittelmenge,

r die Dichte des Mittels, bei einem bestimmten Querschnitt des Wärmeaustauschers

gemessen,

v die mittlere Geschwindigkeit des Mittels, bei demselben Querschnitt wie r gemessen,

(r und v können in jedem beliebigen Punkt des Wärmeaustauschers gemessen werden,

da das Produkt "r mal v" konstant ist),
<NichtLesbar>
am Ausgang des Wärmeaustauschers,

dP der Druckverlust im Wärmeaustauscher.

In der erfindungsgemäß ausgebildeten Heißgasmaschine wird, wie bereits erwähnt, der Kreislauf von einem gasförmigen Mittel durchlaufen, welches aus Luft, Stick- stoff, Wasserstoff, Helium o. dgl. bestehen kann. Dieses Mittel ist in den dazu bestimmten, aus den erwähnten fünf Elementen bestehenden Raum eingeschlossen und strömt während des ersten Teils des Freilaufs aus dem geheizten in den gekühlten Raum über den Erhitzer, den Regenerator und den Kühler, und während des zweiten Teils des Freilaufs aus dem gekühlten Raum über den Kühler, den Regenerator und den Erhitzer zurück in den geheizten Raum. In der Regel dienen Kolben zur Änderung der Volumina des geheizten und des gekühlten Raums von praktisch Null bis zu einem bestimmten Maximalwert, wobei die Änderung des Mittels im wesentlichen im geheizten Raum der Maschine erfolgen wird. Infolge des angegebenen Phasenunterschieds zwischen den Volumenänderungen des warmen und kalten Raums wird der geheizte Raum sein Maximalvolumen in einem Zeitpunkt aufweisen, der um 60° bis 120°, in der Regel um etwa 90°, vor dem Zeitpunkt liegt, in dem der kalte Raum sein Maximalvolumen aufweist. Dem Mittel wird über den Erhitzer Wärmeenergie zugeführt und über den Kühler wieder entzogen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der als Ausführungsbeispiel eine Maschine mit einem Kreislauf und zwei Zylindern in V-Form dargestellt ist.

In dem gekühlten Raum 1 wird das Mittel im wesentlichen komprimiert. Darauf strömt es durch den Kühler 2, der dem Mittel die in ihm während der Kompression aufgespeicherte Wärme entzieht; dann strömt das Mittel durch einen Regenerator 3, in dem ihm Wärme zugeführt wird. Darauf strömt das Mittel durch einen Erhitzer 4, in dem die Temperatur des Mittels weiter zunimmt, und wird schließlich in den geheizten Raum 5 gelassen, in dem im wesentlichen eine Ausdehnung des Mittels erfolgt. Dann ist der erste Teil des thermodynamischen Kreislaufs beendet. Der zweite Teil des Kreislaufs vollzieht sich beim Zurückströmen des Mittels aus dem geheizten Raum 5 in den gekühlten Raum 1 durch den Erhitzer 4, den Regenerator 3 und den Kühler 2.

Die erwähnten fünf Elemente stehen miteinander in offener Verbindung. Der erhitzte und der gekühlte Raum 1 bzw. 5 werden durch einen kalten Kolben 7 und einem warmen Kolben 8 begrenzt, die je dem Volumen des Raums, in dem sie beweglich sind, während des Betriebs der Maschine von praktisch Null bis zu einem bestimmten endlichen Wert ändern. Die beiden Kolben sind mit Kolbenringen 6 versehen, so dass ein Lecken des Mittels aus den Räumen 1 und 5 vermieden wird. Der beschriebene Kreislauf ist ein geschlossener Kreislauf. Es ist im wesentlichen immer dieselbe Mittelmenge, die an dem Kreislauf teilnimmt, abgesehen von Leckverlusten und vorausgesetzt, dass z. B. zu Regelzwecken eine bestimmte Menge des Mittels aus dem für das Mittel bestimmten Raum der Maschine entfernt oder diesem Raum zugeführt werden kann.

Die Kolben 7 und 8 sind durch Triebstangen 10 und eine Kurbelwelle 9 gekuppelt. Die Kur- belwelle ist mit einem Gegengewicht 13 versehen. Infolge der bei hoher Temperatur auftretenden Ausdehnung des Mittels in der Maschine und der Kompression des Mittels bei niedriger Temperatur entsteht ein Überschuss an mechanischer Energie, welche infolge des Vorhandenseins der Kolben 7 und 8, der Triebstangen 10 und der Welle 9 ein Funktionieren der dargestellten Maschine als Motor bewirkt.

Der Regenerator 3 enthält eine Menge drahtförmigen Metalls, welches gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweist. Dieses Drahtmaterial ist möglichst gleichmäßig über den Regeneratorraum verteilt und hat vorzugsweise eine Oberfläche je Volumeneinheit des Raums, in dem das Material angebracht ist, zwischen 100 cm(exp)2/ cm(exp)3 und 200 cm(exp)2/cm(exp)3. Die Füllmasse hat in der Strömungsrichtung Arbeitsmittels vorzugsweise eine Abmessung zwischen 0,8 cm und 4 cm, eine Wärmekapazität zwischen etwa 2,5- und 25-fachen der Wärmekapazität des während eines Hubs der Maschine durch den Regenerator strömenden Arbeitsmittels und ein Gesamtvolumen der schädlichen Räume, welches vorzugsweise kleiner ist als das mittlere Volumen des während jeder Umdrehung der Maschine in einer Richtung durch den Regenerator strömenden Arbeitsmittels. Ferner hat der Regenerator einen vorzugsweise zwischen 6 und 25 liegenden Füllfaktor. Mit dem Ausdruck "Wärme- kapazität" wird die Wärmemenge angegeben, die zur Erhöhung der Temperatur der Füllmasse um 1°C erforderlich ist. Der Füllfaktor ist das Verhältnis zwischen dem Gesamtvolumen der Regeneratorfüllmasse und dem Volumen des Drahtmaterials dieser Füllmasse.

Sowohl der Kühle 2 als auch der Erhitzer 4 weisen eine Anzahl paralleler Kanäle auf, durch welche das zu erhitzende bzw. das zu kühlende Mittel strömt. Die Kanäle haben in der regel die Form von engen Schlitzen. Der Maschine wird Wärme mittels des Erhitzers 4 zugeführt, der zu diesem Zweck mit äußeren Rippen 11 versehen sind, die z. B. durch einen nicht dargestellten Brenner erhitzt werden können. Die von dem Kühler 2 dem Mittel entzogene Wärme wird von diesem Kühler an ein Kühlmittel, z. B. Flüssigkeit oder Luft, mittels der Rippen 12 abgegeben.

Claims (3)

1. Heißgasmaschine mit geschlossenem Kreislauf, welche einen geheizten und einen gekühlten Raum enthält, deren Volumen mit einem Phasenunterschied von etwa 60° bis etwa 120° von praktisch Null bis zu einem bestimmten endlichen Wert geändert werden kann, wobei die Räume miteinander über einen Erhitzer, einen Regenerator und einen Kühler in offener Verbindung stehen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a. Der zwischen dem geheizten Raum und dem Regenerator liegende Erhitzer hat einen Faktor P zwischen 0,2 und 0,75, vorzugsweise zwischen 0,35 und 0,45, und einen Faktor C zwischen 0,1 und 0,6;

b. Der zwischen dem Erhitzer und dem Kühler liegende Regenerator hat einen Faktor P zwischen 0,9 und 1,0, einen Faktor C zwischen 0,5 und 0,6 und eine Wärmekapazität von wenigstens etwa cm 2,5-fache der Wärmekapazität der Mittelmenge in der maschine, die während einer Umdrehung der Maschine in einer Richtung durch den Regenerator strömt;

c. Der zwischen dem Regenerator und dem kalten Raum liegende Kühler weist einen Faktor P zwischen 0,2 und 0,75, vorzugsweise zwischen 0,35 und 0,45, und einen Faktor C zwischen 0,1 und 0,6 auf.

2. Heißgasmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der schädliche Raum in dem Erhitzer, dem Regenerator und dem Kühler insgesamt das 0,5- bis 3-fache, vor- zugsweise das 0,75- bis 1-fache, des Maximalvolumens des warmen Raumes der Maschine beträgt.

3. Heißgasmaschine nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Erhitzer als auch im Kühler das in der Maschine wirksame Mittel in wenigstens fünf parallel geschaltete Strömungen unterteilt ist.