EP2291597A2 - Erhitzer eines stirlingmotors - Google Patents

Erhitzer eines stirlingmotors

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EP2291597A2
EP2291597A2 EP09712445A EP09712445A EP2291597A2 EP 2291597 A2 EP2291597 A2 EP 2291597A2 EP 09712445 A EP09712445 A EP 09712445A EP 09712445 A EP09712445 A EP 09712445A EP 2291597 A2 EP2291597 A2 EP 2291597A2
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EP
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heater according
heat
tube
working gas
heater
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Withdrawn
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EP09712445A
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English (en)
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Inventor
Lutz Pasemann
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    • 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
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/42—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • 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
    • F02G2254/20—Heat inputs using heat transfer tubes
    • 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
    • F02G2255/00—Heater tubes

Definitions

  • the invention has the object of providing a straight and / or curved tubes smooth surface existing heater, taking into account the characteristics of the external heat and the characteristics of the working gas in the heater tubes of the operating Stirling engine to change such that the efficiency of transmission is increased by external heat in the working gas of the Stirling engine.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that the heat transfer coefficient for the heat transfer from the inner tube wall into the working gas of the Stiriingmotors through the wells is up to four times as large as its value for a tube with a smooth inner surface, and that the heat transfer coefficient for the heat transfer from the outer heat flow in the outer tube wall through the wells is increased up to 100%.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Erhitzer eines Stirlingmotors zur Übertragung von äußerer Wärme in ein Arbeitsgas eines Stirlingmotors, wobei der Erhitzer insbesondere aus geraden und/oder gebogenen Röhren glatter Oberfläche besteht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Erhitzer so zu verändern, dass die Effizienz der Übertragung von äußerer Wärme in das in den Röhren enthaltene Arbeitsgas erhöht wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Oberfläche der Röhren Vertiefungen aufweist, die um die Röhrenachse und/oder entlang der Röhrenachse angeordnet sind, wobei die Vertiefungen derart ausgebildet sind, dass die äußere und die innere Oberfläche der Röhren strukturiert werden.

Description

tmitzer eines stirlingmotors
Die Erfindung betrifft einen Stiriingmotor, insbesondere einen Erhitzer eines Stirlingmotors.
Nach dem Stand der Technik sind Erhitzer von Stiriingmotoren, bestehend aus geraden und/oder gebogenen Röhren, bekannt, wobei die Röhren üblicherweise aus hitzebeständigem Edelstahl gefertigt sind, eine glatte Oberfläche und einen kreisförmigen Querschnitt haben, eng zueinander angeordnet und mit einer Heißgaskammer verbunden sind. Es ist die Funktion des Erhitzers, äußere Wärme - wie z. B. Verbrennungswärme von Gas, Öl oder Festbrennstoffen oder solare Wärmestrahlung - aufzunehmen und in ein Arbeitsgas, das sich in den Röhren des Erhitzers befindet, zu übertragen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen aus geraden und/oder gebogenen Röhren glatter Oberfläche bestehenden Erhitzer unter Berücksichtigung der Besonderheiten der äußeren Wärme und der Merkmale des Arbeitsgases in den Erhitzer-Röhren des im Betriebszustand befindlichen Stirlingmotors derart zu verändern, dass die Effizienz der Übertragung von äußerer Wärme in das Arbeitsgas des Stirlingmotors erhöht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Oberfläche der Röhren des Erhitzers Vertiefungen auf der sonst glatten Oberfläche aufweist, die um die Röhrenachse und/oder entlang der Röhrenachse angeordnet sind, wobei die Vertiefungen derart ausgebildet sind, dass die äußere und die innere Oberfläche der Röhren strukturiert werden.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird bestimmt durch die Merkmale der äußeren Wärmequelle und des Arbeitsgases des Stirlingmotors und ist das Ergebnis einer gasdynamischen Optimierungsrechnung, so dass es vorteilhafte Ausführungsformen gibt, in denen die Eindringtiefe der Vertiefungen, d. h. ihre Ausdehnung senkrecht zur Röhrenachse, unterschiedlich groß ist, wobei die Vertiefungen mit einer Eindringtiefe bis zu 25 % des Durchmessers des Innenrohrs vorteilhaft gefertigt werden können, und/oder die Vertiefungen unterschiedliche Form aufweisen, und/oder die Vertiefungen entlang der Röhrenachse in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind, und/oder mehrere Vertiefungen auf einem Rohrquerschnitt über den Umfang verteilt sind.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Wärmeübergangskoeffizient für den Wärmeübergang von der inneren Rohrwand in das Arbeitsgas des Stiriingmotors durch die Vertiefungen bis zu viermal so groß ist wie sein Wert für ein Rohr mit glatter innerer Oberfläche, und dass der Wärmeübergangskoeffizient für den Wärmeübergang von dem äußeren Wärmestrom in die äußere Rohrwand durch die Vertiefungen bis zu 100 % vergrößert wird.
Ein Rohr mit einer von Vertiefungen gekennzeichneten Oberflächenstruktur besitzt im Vergleich zu einem glatten, kreisrunden Rohr ein bis zu 20 % kleineres Innenvolumen bei gleichbleibender Größe der inneren Oberfläche. Da das Innenvolumen des Röhren-Erhitzers sog. Totvolumen ist, d. h. ein Volumen eines vom Arbeitsgas gefüllten Raumes, das während eines Stiriing-Kreisprozesses unverändert bleibt und zum Erreichen eines optimalen Wirkungsgrades so klein wie möglich gehalten werden soll, hat der aus strukturierten Röhren bestehende erfindungsgemäße Erhitzer neben seiner verbesserten Wärmetauscher-Effizienz noch einen vergleichsweise kleineren Totraum, was noch zu einem verbesserten Stiriingmotor-Wirkungsgrad beiträgt.
Da die Steifigkeit derart strukturierter Röhren deutlich höher ist als die von Röhren mit glatter Oberfläche, bleiben fertigungsbedingt gebogene Röhrenabschnitte üblicherweise unstrukturiert.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Rohrstückes 1 eines erfindungsgemäßen Röhren-Erhitzers gezeigt, und in Fig. 2 ist der Querschnitt des Rohrstückes 1 in der in Fig. 1 eingezeichneten Ebene A dargestellt. Die Vertiefungen 2 sind entlang der Röhrenachse 3 in Umfangsrichtung versetzt angeordnet, und es sind vier Vertiefungen 2 auf einem Rohrquerschnitt über den Umfang verteilt, wobei die Eindringtiefe w aller Vertiefungen 2 gleich groß ist, und die Vertiefungen eine ovale Form haben.

Claims

Patentansprüche
1. Erhitzer eines Stiriingmotors zur Übertragung von äußerer Wärme in ein Arbeitsgas des Stiriingmotors, bestehend aus geraden und/oder gebogenen Röhren, die mit einer Heißgaskammer verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, dass die Röhren auf ihrer Oberfläche Vertiefungen aufweisen, die um die Röhrenachse und/oder entlang der Röhrenachse angeordnet sind.
2. Erhitzer nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass die Vertiefungen entlang der Röhrenachse in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.
3. Erhitzer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere Vertiefungen auf einem Rohrquerschnitt über den Umfang verteilt sind.
4. Erhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die die Vertiefungen unterschiedliche Eindringtiefe aufweisen.
5. Erhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Vertiefungen eine Eindringtiefe bis zu 25 % des Durchmessers des Innenrohrs aufweisen.
6. Erhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass das Innenvolumen einer Röhre durch die Vertiefungen auf bis zu etwa 20 % kleiner wird.
7. Erhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass der Wärmeübergangskoeffizient für den Wärmeübergang von der inneren Rohrwand in das Arbeitsgas des Stiriingmotors durch die Vertiefungen bis zu viermal so groß wird wie sein Wert für ein Rohr mit glatter inneren Oberfläche.
8. Erhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass der Wärmeübergangskoeffizient für den Wärmeübergang von dem äußeren Wärmestrom in die äußere Rohrwand durch die Vertiefungen bis zu etwa 100 % vergrößert wird.
9. Erhitzer nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass die in das Arbeitsgas des Stiriingmotors übertragende äußere Wärme Verbrennungswärme ist.
10. Erhitzer nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass die in das Arbeitsgas des Stiriingmotors übertragende Wärme die Wärme eines Auspuffgases ist, das durch einen Abgaskanai strömt.
11. Erhitzer nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass die in das Arbeitsgas des Stiriingmotors übertragende äußere Wärme Wärmestrahlung ist.
12. Erhitzer nach Anspruch 11 , gekennzeichnet dadurch, dass die Wärmestrahlung von der Sonne stammt.
EP09712445A 2008-02-21 2009-02-19 Erhitzer eines stirlingmotors Withdrawn EP2291597A2 (de)

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DE202008002466U DE202008002466U1 (de) 2008-02-21 2008-02-21 Stirlingmotor-Erhitzer aus einem Bündel strukturierter Röhren
PCT/DE2009/000235 WO2009103281A2 (de) 2008-02-21 2009-02-19 Erhitzer eines stirlingmotors

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