EP1049864B1 - Regenerator sowie verfahren zur herstellung eines regenerators - Google Patents

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EP1049864B1 EP99952436A EP99952436A EP1049864B1 EP 1049864 B1 EP1049864 B1 EP 1049864B1 EP 99952436 A EP99952436 A EP 99952436A EP 99952436 A EP99952436 A EP 99952436A EP 1049864 B1 EP1049864 B1 EP 1049864B1
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regenerator
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filler
matrix
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Thomas Koch
Klaus Heikrodt
Roman Heckt
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
Viessmann Werke GmbH and Co KG
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D17/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles
    • F28D17/02—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles using rigid bodies, e.g. of porous material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • F02G1/0445—Engine plants with combined cycles, e.g. Vuilleumier
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/057—Regenerators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2257/00—Regenerators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2225/00—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
    • F05C2225/08—Thermoplastics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/003—Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator

Definitions

  • the invention relates to a regenerator and one Process for producing a regenerator according to the Genre of main claims.
  • U.S. Patent No. 5,469,709 a Regenerator for a Vuilleumier heat pump described in through special measures on the inside wall of the housing Leakage currents between the inside wall of the housing and the edge area the regenerator matrix are to be prevented.
  • the Limit memory matrix by ring elements that by in grooves are introduced into the housing inner wall.
  • the inner wall of the regenerator is wavy embody.
  • regenerator according to the invention and the inventive Processes for producing a regenerator have the Advantage that free space, for example, due to production are between the housing of the regenerator and the Regenerator matrix or in the marginal areas of the Regenerator matrix safe, simple and can be avoided cost-effectively. So that in this Leakage and bypass flows of the Working medium flowing through the regenerator is prevented.
  • fillers in the edge area of the storage matrix be introduced offer themselves in an advantageous manner Plastics, such as silicones or resins.
  • Plastics such as silicones or resins.
  • metals can also be used as Fillers are used.
  • regenerator results when the filler or Filler layer is mechanically resilient and therefore at the same time forms the housing wall of the regenerator.
  • the regenerator is produced according to the invention in that on the edge region of the memory matrix Filler is applied in liquid or viscous form, which penetrates into the edge area of the memory matrix and there cures.
  • Figure 1 shows a sectional view of the Overall structure of one after a regenerative gas cycle process working Vuilleumier heat pump
  • Figure 2 a Partial representation of a regenerator, as from the state of the Technology is known
  • Figure 3 is a partial view of the inventive regenerator after a first Embodiment
  • Figure 4 is a partial view of the inventive regenerator after a second Embodiment.
  • the overall structure is one by one Vuilleumier heat pump working with a regenerative gas cycle shown.
  • the heat pump instructs cylindrical and pressure-tight housing 10, which in present embodiment is constructed in three parts.
  • a housing part is located above a central housing part 12 14, hereinafter referred to as the heater head, arranged, that with the help of fasteners 16 on the middle Housing part 12 is flanged while at the bottom of middle housing part 12 with the help of Fasteners 18 and an intermediate plate 20 lower housing part 22 is attached.
  • the heater head 14 is surrounded by a housing cover 24, in which as essential element a heat generator in the form of a Gas burner 26 is arranged.
  • the gas burner 26 has one Mixing chamber 28, in the one hand a feed pipe 30 for the fuel gas and on the other hand a combustion air line 32 flows into.
  • the gas burner 26 also has two curved baffles 34, 36 for the fuel gas-air mixture and a burner surface 38 acting as a reaction surface on, through which the mixing chamber 28 is limited and at the with the help of an ignition device 40 the fuel gas-air mixture is ignited.
  • the one that acts as the reaction surface Burner surface 38 consists of a stainless steel mesh, which at Operation of the gas burner 26 glows, so that much of the generated heat is emitted by radiation.
  • the cylinder space formed are two arranged one behind the other Pistons 48, 50 are provided, between the pistons 48 and the partition of the heater head 14 is an upper work space 52, an intermediate one between the piston 48 and the piston 50 Working space 54 and below the piston 50 a lower one Working space 56 is formed.
  • the piston 48 is attached to a piston rod 58, while the piston 50 on a coaxial to the piston rod 58 guided piston rod 60 is attached.
  • Both piston rods 58, 60 lead into the lower pressure-tight housing part 22, in which is arranged a gear, not shown, on known way the movement of the two piston rods 58, 60 and thus the linear up and down movement of the pistons 48, 50 controls.
  • Regenerators 62, 64 arranged during the Gas cycle have the task of the internal energy of the working gas located in the working spaces 52, 54, 56 temporarily.
  • the regenerators 62, 64 stand with the Working spaces 52, 54, 56 in connection, so that through the Movement of the pistons 48, 50 the working gas between the Workrooms 52, 54, 56 is periodically shifted. That in Working space 52 located working or process gas via the thermal drive source of the gas burner 26 heated. When the piston moves upwards 48 becomes the hot process gas located in the working space 52 via the regenerator 62, which is part of the process heat stores, moved to the middle workspace 54.
  • regenerator 64 performs the corresponding function on one lower temperature level: part of the thermal energy of the process gas in the working space 54 is by the regenerator 64 stored when the process gas through the piston 50 upward movement from the middle Workspace 54 moved into the lower workspace 56 becomes.
  • a first heat exchanger 66 is arranged, a part of the via an appropriate heat transfer medium transported between workrooms 52 and 54 Process heat can absorb.
  • One below the cold Regenerator 64 arranged second heat exchanger 68 is of the working gas on the way from the working room 54 over the cold regenerator 64 to the cold working space 56 Process heat applied.
  • This cold heat exchanger 68 supplies the working gas located in the working space 56 the cold side in the expansion phases with that for the Heat pump process characteristic secondary heat.
  • the regenerators 62, 64 essentially consist of the prior art (see Fig. 2) is known from a Housing 70, in which a porous storage matrix 72 is arranged is.
  • the porous storage matrix is generally covered by metallic knitted fabrics or fleeces formed; as well are wire mesh, granulate or ball fill as well similar structures and materials are conceivable.
  • the Memory matrix 72 as complete and even as possible from Working gas can be flowed through. As shown in Figure 2 is formed between the housing 70 and the Memory matrix 72 or in the edge areas of the Memory matrix free spaces or inhomogeneities that Cause leakage currents of the working gas.
  • Figure 4 is a second embodiment of the invention shown, in which the filler 74 'at the same time Housing wall of the regenerator forms, causing a additional regenerator housing can be dispensed with.

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Regenerator sowie von einem Verfahren zur Herstellung eines Regenerators nach der Gattung der Hauptansprüche. In der US-PS 5 469 709 wird ein Regenerator für eine Vuilleumier-Wärmepumpe beschrieben, bei dem durch spezielle Maßnahmen an der Gehäuseinnenwand Leckströme zwischen der Gehäuseinnenwand und dem Randbereich der Regeneratormatrix verhindert werden sollen. Dabei wird bei einer ersten Ausführungsform vorgeschlagen, die Speichermatrix durch Ringelemente zu begrenzen, die durch in der Gehäuseinnenwand eingebrachte Nuten gehalten sind. In einer zweiten Ausführungsform wird vorgeschlagen, die Gehäuseinnenwand des Regenerators wellenförmig auszugestalten.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Regenerator sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Regenerators haben den Vorteil, daß Freiräume, die beispielsweise fertigungsbedingt sind, zwischen dem Gehäuse des Regenerators und der Regeneratormatrix bzw. in den Randbereichen der Regeneratormatrix sicher, auf einfache Art und Weise und damit kostengünstig vermieden werden. Damit werden in diesen Bereichen auftretende Leck- und Bypassströme des den Regenerator durchströmenden Arbeitsmediums unterbunden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführte Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Regenerators sowie des Herstellungsverfahrens für einen Regenerator nach den Hauptansprüchen möglich.
Als Füllstoffe, die im Randbereich der Speichermatrix eingebracht werden, bieten sich in vorteilhafter Weise Kunststoffe, wie zum Beispiel Silikone oder Harze an. Alternativ zu diesen Materialien können auch Metalle als Füllstoffe verwendet werden.
Ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau des Regenerators ergibt sich, wenn der Füllstoff bzw. die Füllstoffschicht mechanisch belastbar ist und somit gleichzeitig die Gehäusewand des Regenerators bildet.
Die erfindungsgemäße Herstellung des Regenerators erfolgt dadurch, daß auf den Randbereich der Speichermatrix ein Füllstoff in flüssiger oder viskoser Form aufgetragen wird, der in den Randbereich der Speichermatrix eindringt und dort aushärtet.
Bei der Verwendung eines metallischen Füllstoffes kann dieser beispielsweise im Plasmaspritzverfahren auf die Speichermatrix aufgetragen werden.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung des Gesamtaufbaus einer nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Vuilleumier-Wärmepumpe, Figur 2 eine Teildarstellung eines Regenerators, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, Figur 3 eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Regenerators nach einem ersten Ausführungsbeispiel und Figur 4 eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Regenerators nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist der Gesamtaufbau einer nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Vuilleumier-Wärmepumpe dargestellt. Die Wärmepumpe weist ein zylinderförmiges und druckdichtes Gehäuse 10 auf, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel dreiteilig aufgebaut ist. Oberhalb eines mittleren Gehäuseteils 12 ist ein Gehäuseteil 14, im folgenden als Erhitzerkopf bezeichnet, angeordnet, das mit Hilfe von Befestigungselementen 16 am mittleren Gehäuseteil 12 angeflanscht ist, während am unteren Ende des mittleren Gehäuseteils 12 mit Hilfe von Befestigungselementen 18 und einer Zwischenplatte 20 ein unteres Gehäuseteil 22 befestigt ist. Der Erhitzerkopf 14 ist von einem Gehäusedeckel 24 umgeben, in dem als wesentliches Element ein Wärmeerzeuger in Form eines Gasbrenners 26 angeordnet ist. Der Gasbrenner 26 weist eine Mischkammer 28 auf, in die einerseits ein Zufuhrrohr 30 für das Brenngas und andererseits eine Verbrennungsluftleitung 32 einmündet. Der Gasbrenner 26 weist weiterhin zwei gewölbte Leitbleche 34, 36 für das Brenngas-Luftgemisch sowie eine als Reaktionsoberfläche wirkende Brennerfläche 38 auf, durch die die Mischkammer 28 begrenzt wird und an der mit Hilfe einer Zündeinrichtung 40 das Brenngas-Luftgemisch entzündet wird. Die als Reaktionsoberfläche wirkende Brennerfläche 38 besteht aus einem Edelstahlgewebe, das beim Betrieb des Gasbrenners 26 glüht, so daß ein Großteil der erzeugten Wärme durch Strahlung abgegeben wird. In Strömungsrichtung der Verbrennungsgase gesehen ist hinter der Brenneroberfläche 38 ein halbkugelförmig ausgebildetes Leitblech 42 angeordnet, das in seiner Mitte eine Öffnung 44 aufweist, so daß die Verbrennungsgase über die Öffnung 44 an der ebenfalls halbkugelförmig ausgebildeten Trennwand des Erhitzerkopfs 14 entlangströmen können, bevor sie abgekühlt über ein Abgasrohr 46, den Gasbrenner 26 verlassen.
In dem vom mittleren und oberen Gehäuseteil 12, 14 gebildeten Zylinderraum sind zwei hintereinander angeordnete Kolben 48, 50 vorgesehen, wobei zwischen dem Kolben 48 und der Trennwand des Erhitzerkopfes 14 ein oberer Arbeitsraum 52, zwischen dem Kolben 48 und dem Kolben 50 ein mittlerer Arbeitsraum 54 und unterhalb des Kolbens 50 ein unterer Arbeitsraum 56 gebildet wird.
Der Kolben 48 ist an einer Kolbenstange 58 befestigt, während der Kolben 50 an einer koaxial zur Kolbenstange 58 geführten Kolbenstange 60 befestigt ist. Beide Kolbenstangen 58, 60 führen in das untere druckdichte Gehäuseteil 22, in dem ein nicht dargestelltes Getriebe angeordnet ist, das auf bekannte Art und Weise die Bewegung der beiden Kolbenstangen 58, 60 und damit die lineare Auf- und Abbewegung der Kolben 48, 50 steuert. Konzentrisch um die Kolben 48, 50 sind Regeneratoren 62, 64 angeordnet, die während des Gaskreisprozesses die Aufgabe haben, die innere Energie des in den Arbeitsräumen 52, 54, 56 befindlichen Arbeitsgases zwischenzuspeichern. Die Regeneratoren 62, 64 stehen mit den Arbeitsräumen 52, 54, 56 in Verbindung, so daß durch die Bewegung der Kolben 48, 50 das Arbeitsgas zwischen den Arbeitsräumen 52, 54, 56 periodisch verschoben wird. Das im Arbeitsraum 52 befindlichen Arbeits- bzw. Prozeßgas wird über die thermische Antriebsquelle des Gasbrenners 26 erhitzt. Bei der aufwärts gerichteten Bewegung des Kolbens 48 wird das im Arbeitsraum 52 befindliche heiße Prozeßgas über den Regenerator 62, der einen Teil der Prozeßwärme speichert, in den mittleren Arbeitsraum 54 verschoben. Der sich in Bezug auf das Temperaturniveau des Arbeitsgases im kalten Teil des druckdichten Gehäuses 10 befindliche Regenerator 64 übt die entsprechende Funktion auf einem niedrigeren Temperaturniveau aus: Ein Teil der Wärmeenergie des im Arbeitsraum 54 befindlichen Prozeßgases wird durch den Regenerator 64 gespeichert, wenn das Prozeßgas durch die aufwärts gerichtete Bewegung des Kolbens 50 vom mittleren Arbeitsraum 54 in den unteren Arbeitsraum 56 verschoben wird. Zwischen dem heißen Regenerator 62 und dem kalten Regenerator 64 ist ein erster Wärmeübertrager 66 angeordnet, der über ein entsprechendes Wärmeträgermedium einen Teil der zwischen den Arbeitsräumen 52 und 54 transportierten Prozeßwärme aufnehmen kann. Ein unterhalb des kalten Regenerators 64 angeordneter zweiter Wärmeübertrager 68 wird vom Arbeitsgas auf dem Weg vom Arbeitsraum 54 über den kalten Regenerator 64 zum kalten Arbeitsraum 56 mit Prozeßwärme beaufschlagt. Dieser kalte Wärmeübertrager 68 versorgt das im Arbeitsraum 56 befindliche Arbeitsgas auf der kalten Seite in den Expansionsphasen mit der für den Wärmepumpenprozeß charakteristischen Sekundärwärme. Die vollständige Beschreibung des Vuilleumier- Gaskreisprozesses ist für den im folgenden näher beschriebenen Aufbau der Regeneratoren nicht erforderlich.
Die Regeneratoren 62, 64 bestehen im wesentlichen, wie aus dem Stand der Technik (siehe Fig. 2) bekannt ist, aus einem Gehäuse 70, in dem eine poröse Speichermatrix 72 angeordnet ist. Die poröse Speichermatrix wird im allgemeinen durch metallische Gestrickpackungen oder Vliese gebildet; ebenso sind Drahtgeflechte, Granulat- oder Kugelschüttungen sowie ähnliche Strukturen und Materialien denkbar. Um einen effektiven Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsgas und der Speichermatrix 72 und damit eine möglichst hohe Leistungsziffer bzw. einen möglichst hohen Wirkungsgrad einer nach dem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschine zu erreichen, muß die Speichermatrix 72 möglichst vollständig und gleichmäßig vom Arbeitsgas durchströmt werden. Wie in Figur 2 dargestellt ist, bilden sich zwischen dem Gehäuse 70 und der Speichermatrix 72 bzw. in den Randbereichen der Speichermatrix Freiräume bzw. Inhomogenitäten aus, die Leckströme des Arbeitsgases verursachen. Aus diesem Grund wird, wie in Figur 3 in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, zwischen dem Gehäuse 70 und der Speichermatrix 72 bzw. im Randbereich der Speichermatrix 72 ein in flüssiger oder viskoser Form vorliegender Füllstoff 74 eingebracht, der nach seinem Aushärten die in Figur 2 mit Pfeilen symbolisch dargestellten Leck- und Bypassströme in Längsrichtung der Speichermatrix 72 sicher verhindert. Dabei wird der Füllstoff so gewählt, daß er aufgrund von Kapillarwirkung oder Benetzung nur im Randbereich von der Speichermatrix 72 absorbiert wird. Als Füllstoffe 74 sind unter Berücksichtigung der jeweiligen Einsatztemperatur des Regenerators (Stichwort kalter Regenerator 64, heißer Regenerator 62) grundsätzlich Kunststoffe, wie zum Beispiel Silikone oder Harze möglich, ebenso ist der Einsatz von Metallen denkbar, die beispielsweise durch Plasmaspritzen auf den Randbereich der Speichermatrix 72 aufgetragen werden.
In Figur 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem der Füllstoff 74' gleichzeitig die Gehäusewand des Regenerators bildet, wodurch auf ein zusätzliches Regeneratorgehäuse verzichtet werden kann.
Der Einsatz der vorgeschlagenen Regeneratoren ist nicht auf die Anwendung der in Figur 1 dargestellten Vuilleumier-Wärmepumpe eingeschränkt, sondern auch für andere regenerative Gaskreisprozesse, wie z.B. dem Stirling- oder Ericson-Prozeß verwendbar.

Claims (6)

  1. Regenerator für eine nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine, mit einem Gehäuse und einer darin angeordneten Speichermatrix, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Freiräumen im Randbereich der Speichermatrix (72) bzw. zwischen Speichermatrix (72) und Gehäuse (70) Füllstoffe (74, 74') eingebracht sind, so daß Leck- und Bypassströme des durch den Regenerator strömenden Arbeitsmediums an der Speichermatrix (72) vorbei verhindert werden.
  2. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoffe (74, 74') Kunststoffe, wie z.B. Silikone oder Harze verwendet werden.
  3. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (74, 74') aus einem Metall bzw. Metallegierung besteht.
  4. Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (74') bzw. die Füllstoffschicht mechanisch belastbar ist und gleichzeitig die Gehäusewand des Regenerators bildet.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Regenerators für eine nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine, bei dem innerhalb eines Gehäuses eine Speichermatrix angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Randbereich der Speichermatrix (72) Füllstoffe in flüssiger oder viskoser Form aufgetragen werden, die in den Randbereich der Speichermatrix (72) eindringen und dort aushärten.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallischer Füllstoff (74, 74') durch Plasmaspritzen auf die Speichermatrix (72) aufgetragen wird.
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