EP1070200B1 - Wärme- und kältemaschine, insbesondere vuilleumier-wärmepumpe oder stirling-maschine - Google Patents

Wärme- und kältemaschine, insbesondere vuilleumier-wärmepumpe oder stirling-maschine Download PDF

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EP1070200B1
EP1070200B1 EP00910508A EP00910508A EP1070200B1 EP 1070200 B1 EP1070200 B1 EP 1070200B1 EP 00910508 A EP00910508 A EP 00910508A EP 00910508 A EP00910508 A EP 00910508A EP 1070200 B1 EP1070200 B1 EP 1070200B1
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EP
European Patent Office
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pore
heater head
machine according
gas
combustion chamber
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EP00910508A
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EP1070200A1 (de
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Juergen Waidner
Marcus Bienzle
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F23C99/006—Flameless combustion stabilised within a bed of porous heat-resistant 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
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/055—Heaters or coolers
    • 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
    • F02G2254/00—Heat inputs
    • F02G2254/10—Heat inputs by burners

Definitions

  • the invention relates to a heating and cooling machine, in particular Vuilleumier heat pump or Stirting machine, in which a gas-air mixture burns in a combustion chamber and the exhaust gas gives off the thermal energy to a heater head as a housing for the hot piston of the machine, which with forms part of its outer surface part of the combustion chamber.
  • a heating and cooling machine of this type is known from DE 195 16 499 A1 and US 5 214 923.
  • the gas-air mixture is introduced directly into the combustion chamber, ignited and burned.
  • the heat transfer takes place by convection of the exhaust gas on the wall of the combustion chamber and thus directly to the heater head. Therefore, only a corresponding efficiency in energy transmission can be achieved.
  • a burner for a heating and cooling machine in which a gas-air mixture burns in a combustion chamber and the exhaust gas emits the thermal energy to a heater head, which acts as a housing for a hot piston of the heating and cooling machine serves and which forms part of the combustion chamber with part of its outer surface.
  • the heater head is cylindrical and enclosed by a hollow cylindrical pore burner to which the gas-air mixture is fed at the end. The heat transfer to the heater head takes place through Convection.
  • the material of the pore burner contains catalytically active particles that cause an exothermic reaction.
  • the heater head itself has a concave receptacle as a combustion chamber for a pore burner, which encloses the majority of the outside of the pore burner with the exception of the inflow surface for the gas-air mixture and that the heat transfer by means of convection and radiation to the heater head.
  • the machine can be compactly constructed and optimally adapted to the spatial conditions.
  • a large modulation range in performance is achieved.
  • the pore burner is arranged at a distance from the heater head or lies against it over a large area in order to achieve an optimal setting with regard to efficiency, pollutant emissions and modulation range.
  • the pore burner can completely fill the concave receptacle in the heater head.
  • the combustion of the gas-air mixture in the pore burner can be stabilized in that the gas-air mixture can be fed to the pore burner via a porous non-return fuse body, which has the inflow surface of the same covered. A uniform firing process is thereby achieved within the pore burner.
  • non-return safety body is preceded by a distribution chamber, the output cross section of which corresponds to the input cross section of the non-return safety body.
  • the removal of the exhaust gas is ensured in one case in that the combustion chamber in the area of the inflow surface of the pore body and the non-return fuse body is covered by a housing with an exhaust gas outlet or in the other case by the pore burner by means of a housing part with an exhaust gas outlet is covered, which is designed in the area of the inflow surface of the pore burner as a non-return fuse body.
  • At least part of the housing part is designed as a heat exchanger for a liquid flowing through, which can be used as process water.
  • the heater head 20 has a concave receptacle 21 in the end face, into which a pore burner 10 is inserted.
  • the pore burner 10 is cylindrical and can be designed as a wire mesh, porous ceramic body and the like. It has the advantage that a stable combustion process with low pollutant values can be achieved over a large modulation range of the power.
  • the receptacle 21 surrounds at a distance the most important part of the outer surface of the pore burner 10 with the exception of the inflow surface for the gas-air mixture, which is covered by a plate-shaped, porous non-return valve body 11.
  • a non-return fuse body 11 may be preceded by a distribution chamber, the output cross section of which is the input cross section corresponds to the non-return fuse body 11.
  • a fan 12 promotes air L and mixes it with gas G. As a gas-air mixture, this fuel enters the pore burner 10 and burns there after ignition (not shown).
  • a housing part 15 completes the cover of the combustion chamber, which is provided with the exhaust gas outlet AG.
  • the heat transfer takes place from the pore burner 10 to the heater head 20 by means of convection and radiation, the proportion of which is particularly high when a pore burner 10 is used.
  • the pore burner 10 completely fills the concave receptacle 21 in the heater head 20 and bears against it.
  • a pot-like, porous non-return safety body 11 is inserted, via which the gas-air mixture is supplied.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 2 does not differ from the exemplary embodiment according to FIG. 1.
  • the configuration can also vary between the two exemplary embodiments and can be adapted in the distance or filled volume of the pore burner 10.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Wärme- und Kältemaschine, insbesondere Vuilleumier-Wärmepumpe oder Stirting-Maschine, bei der ein Gas-Luft-Gemisch in einer Brennkammer verbrennt und das Abgas die Wärmeenergie an einen Erhitzerkopf als Gehäuse für den heißen Kolben der Maschine abgibt, der mit einem Teil seiner Außenfläche einen Teil der Brennkammer bildet.
  • Eine Wärme- und Kältemaschine dieser Art ist aus der DE 195 16 499 A1 und US 5 214 923 bekannt. Bei dieser bekannten Maschine wird das Gas-Luft-Gemisch direkt in die Brennkammer eingebracht, gezündet und verbrannt. Dabei erfolgt der Wärmeübergang mittels Konvektion des Abgases an der Wand der Brennkammer und damit direkt an den Erhitzerkopf. Daher ist auch nur ein entsprechender Wirkungsgrad in der Energieübertragung erreichbar.
  • Aus WO 97/15379 ist ein Brenner für eine Wärme- und Kältemaschine bekannt, bei dem ein Gas-Luft-Gemisch in einer Brennkammer verbrennt und das Abgas die Wärmeenergie an einen Erhitzerkopf abgibt, der als Gehäuse für einen heißen Kolben der Wärme- und Kältemaschine dient und der mit einem Teil seiner Außenfläche einen Teil der Brennkammer bildet. Der Erhitzerkopf ist dabei zylinderförmig ausgebildet und von einem hohlzylindrischen Porenbrenner umschlossen, dem stirnseitig das Gas-Luft-Gemisch zugeführt wird. Die Wärmeübertragung an den Erhitzerkopf erfolgt dabei durch Konvektion. Das Material des Porenbrenners enthält dabei katalytisch wirkende Partikel, die eine exotherme Reaktion bewirken.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wärme- und Kältemaschine der eingangs erwähnten Art in dem Wirkungsgrad des Wärmeübergangs zu verbessern und dabei einen kompakten Aufbau zu erreichen.
  • Diese Aufgabe wird zum einen dadurch gelöst, daß der Erhitzerkopf selbst eine konkave Aufnahme als Brennkammer für einen Porenbrenner aufweist, die den überwiegenden Teil der Außenseite des Porenbrenners mit Ausnahme der Einströmfläche für das Gas-Luft-Gemisch umschließt und daß der Wärmeübergang mittels Konvektion und Strahlung an den Erhitzerkopf erfolgt.
  • In jedem Fall erfolgt durch den Einsatz eines Porenbrenners ein beachtlicher Teil des Wärmeübergangs mittels Strahlung und durch die direkte Kopplung des Porenbrenners mit dem Erhitzerkopf als Teil der Brennkammer läßt sich die Maschine kompakt aufbauen und optimal an die Raumverhältnisse anpassen. Darüberhinaus wird neben dem verbesserten Wirkungsgrad des Wärmeübergangs bei niedrigen Schadstoffwerten ein großer Modulationsbereich in der Leistung erreicht.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß der Porenbrenner im Abstand zum Erhitzerkopf angeordnet ist oder an diesem großflächig anliegt, um eine optimale Einstellung bezüglich Wirkungsgrad, Schadstoffausstoß und Modulationsbereich zu erreichen.
  • Dabei kann der Porenbrenner die konkave Aufnahme im Erhitzerkopf vollständig ausfüllen.
  • Die Verbrennung des Gas-Luft-Gemisches im Porenbrenner läßt sich dadurch stabilisieren, daß das Gas-Luft-Gemisch über einen porösen Rückschlag-Sicherungskörper dem Porenbrenner zuführbar ist, der die Einströmfläche desselben überdeckt. Es wird dadurch ein gleichförmiger Brennvorgang innerhalb des Porenbrenners erreicht.
  • Demselben Zweck dient auch eine Ausgestaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß dem Rückschlag-Sicherungskörper eine Verteilerkammer vorgeordnet ist, deren Ausgangsquerschnitt dem Eingangsquerschnitt des Rückschlag-Sicherungskörpers entspricht.
  • Die Abfuhr des Abgases wird in einem Fall dadurch sichergestellt, daß die Brennkammer im Bereich der Einströmfläche des Porenkörpers und dem Rückschlag-Sicherungskörpers mittels eines Gehäuses mit Abgas-Auslaß abgedeckt ist oder im anderen Fall dadurch, daß der Porenbrenner mittels eines Gehäuseteils mit Abgas-Auslaß abgedeckt ist, das im Bereich der Einströmfläche des Porenbrenners als Rückschlag-Sicherungskörper ausgebildet ist.
  • Ein weiterer Vorteil der neuen Maschine wird dadurch erreicht, daß zumindest ein Teil des Gehäuseteils als Wärmetauscher für eine durchfließende Flüssigkeit ausgebildet ist, die als Brauchwasser verwendbar ist.
  • Die Erfindung wird anhand von verschiedenen, in den Zeichnungen im Querschnitt dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Erhitzerkopf mit konkaver Aufnahme mit einem Porenbrenner, der im Abstand zu Aufnahme angeordnet ist,
    Fig. 2
    einen Erhitzerkopf mit konkaver Aufnahme und einem Porenbrenner, der die Aufnahme vollständig ausfüllt,
  • Bei allen Ausführungsbeispielen ist nur die Koppelstelle zwischen Brenner und Erhitzerkopf der Maschine gezeigt, auf die es nach der Erfindung ankommt. Der übrige Aufbau der Maschine als Vuilleumier-Wärmepumpe oder Stirling-Maschine kann in bekannter Weise vorgenommen werden, da dies für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung ist. Es soll ja in erster Linie der Wirkungsgrad des Wärmeübergangs vom Brenner zum Erhitzerkopf verbessert werden und dies mit einer konstruktiven Ausgestaltung, die einen kompakten Aufbau der Maschine gestattet.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist der Erhitzerkopf 20 in der Stirnseite eine konkave Aufnahme 21 auf, in die ein Porenbrenner 10 eingesetzt ist. Der Porenbrenner 10 ist zylinderförmig und kann als Drahtgeflecht, poröser Keramikkörper und dgl. ausgebildet sein. Er hat den Vorteil, daß damit eine stabiler Brennvorgang mit niedrigen Schadstoffwerten über einem großen Modulationsbereich der Leistung erreicht werden kann.
  • Die Aufnahme 21 umschließt im Abstand den wesentlichsten Teil der Außenfläche des Porenbrenners 10 mit Ausnahme der Einströmfläche für das Gas-Luft-Gemisch, die durch einen plattenförmigen, porösen Rückschlag-Sicherungskörper 11 abgedeckt ist. Dem Rückschlag-Sicherungskörper 11 kann eine Verteilerkammer vorgeordnet sein, deren Ausgangsquerschnitt dem Eingangsquerschnitt des Rückschlag-Sicherungskörpers 11 entspricht. Ein Ventilator 12 fördert Luft L und mischt diese dem Gas G bei. Als Gas-Luft-Gemisch gelangt dieser Brennstoff in den Porenbrenner 10 und verbrennt dort nach einer (nicht dargestellten) Zündung.
  • Im Bereich der Einströmfläche des Porenbrenners 10 vervollständigt ein Gehäuseteil 15 die Abdeckung der Brennkammer, das mit dem Abgas-Auslaß AG versehen ist.
  • Der Wärmeübergang erfolgt vom Porenbrenner 10 zum Erhitzerkopf 20 mittels Konvektion und Strahlung, deren Anteil gerade bei dem Einsatz eines Porenbrenners 10 besonders hoch ist.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 füllt der Porenbrenner 10 die konkave Aufnahme 21 im Erhitzerkopf 20 vollständig aus und liegt an dieser an. Im Zentrum des Porenbrenners 10 ist ein topfartiger, poröser Rückschlag-Sicherungskörper 11 eingesetzt, über den das Gas-Luft-Gemisch zugeführt wird. Im übrigen unterschiedet sich das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nicht vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Dabei kann die Ausgestaltung auch zwischen beiden Ausführungsbeispielen variieren und im Abstand oder ausgefülltem Volumen des Porenbrenners 10 angepaßt werden.

Claims (7)

  1. Wärme- und Kältemaschine, insbesondere Vuilleumier-Wärmepumpe oder Stirling-Maschine, bei der ein Gas-Luft-Gemisch in einer Brennkammer verbrennt und das Abgas die Wärmeenergie an einen Erhitzerkopf als Gehäuse für den heißen Kolben der Maschine abgibt, der mit einem Teil seiner Außenfläche einen Teil der Brennerkammer bildet,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Erhitzerkopf (20) selbst eine konkave Aufnahme (21) als Brennkammer für einen Porenbrenner (10) aufweist, die den überwiegenden Teil der Außenseite des Porenbrenners (10) mit Ausnahme der Einströmfläche für das Gas-Luft-Gemisch umschließt und
    daß der Wärmeübergang mittels Konvektion und Strahlung an den Erhitzerkopf (20) erfolgt.
  2. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Porenbrenner (10) im Abstand zum Erhitzerkopf (20) angeordnet ist oder an diesem großflächig anliegt.
  3. Wärme- und Kältemachine nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Porenbrenner (10) die konkave Aufnahme (21) im Erhitzerkopf (20) vollständig ausfüllt.
  4. Wärme- und Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß-das Gas-Luft-Gemisch über einen porösen Rückschlag-Sicherungskörper (11) dem Porenbrenner (10) zuführbar ist, der die Einströmfläche desselben überdeckt.
  5. Wärme- und Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß dem Rückschlag-Sicherungskörper (11) eine Verteilerkammer vorgeordnet ist, deren Ausgangsquerschnitt dem Eingangsquerschnitt des Rückschlag-Sicherungskörpers (11) entspricht.
  6. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Brennkammer im Bereich der Einströmfläche des Porenkörpers (10) und des Rückschlag-Sicherungskörpers (11) mittels eines Gehäuses (15) mit Abgas-Auslaß (AG) abgedeckt ist.
  7. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zumindest ein Teil des Gehäuseteils. (15) als Wärmetauscher (30) für eine durchfließende Flüssigkeit ausgebildet ist.
EP00910508A 1999-02-06 2000-01-28 Wärme- und kältemaschine, insbesondere vuilleumier-wärmepumpe oder stirling-maschine Expired - Lifetime EP1070200B1 (de)

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