SE504686C2 - Ångbuffert för användning vid en ångmotoranläggning med slutet kretslopp - Google Patents

Description

504 686 2 och lätt, och san uppvisar en hittills inte uppnådd, hög effekttäthet och energitäthet, och san dessutan är så beskaffad, att den uppvisar en tillräckligt stor säkerhet vid olyckstillfällen för att kunna användas i ångmotoranläggningar för fordon.

Detta har enligt uppfinningen ernåtts därigenan, att värmeväxlings- materialet består av enbart fast material, i vilket ett stort antal trycktåliga strömningsvägar med en hydraulisk diameter mindre än cirka 0,5 nm för ångan och matarvattnet är anordnade mellan de två anslutningarna, och godset i strëtnningsvägarnas väggar utgör den värmelagrande substansen.

Det för uppfinningen särskilt utmärkande är den dimensionerande bestämningen att bufferten skall uppvisa ett stort antal, i själva verket största möjliga antalet med hänsyn till värmeväxlingsrrxaterialets hållfasthet, strömningsvägar med en hydraulisk diameter mindre än 0.5 nm. Så fina kanaler kräver självfallet ett mycket högt tryck för att ånga och matarvatten skall kunna drivas fram genan dessa. Ett tryck av minst 100 bar erfordras och det är ett tryck san mycket väl passar en effektiv ångmotor av exempelvis deplacerande typ. Trots det höga trycket blir dragpåkänningarna i det kanalerna angivande värmeväxlarmaterialet begränsade, varför en godstjocklek av ett fåtal nm hos exempelvis kapillärrör av koppar kan väljas, som samtidigt blir en ur vänneväxlingssynvinkel lämplig dimensionering. Något tryckkärl för detta höga tryck för inneslutning av värmeväxlingsrnaterialet och alla strömningsvägarna erfordras inte, eftersan de senare är trycktáliga. Någon risk för explosion finns således inte, och san senare skall visas finns ej heller någon större risk för utströnmande het ånga vid skada på bufferten.

Enligt en föredragen utföringsform av ångbufferten är den - och därmed även ångmotorn - dimensionerad för ett tryck över det kritiska trycket, företrädesvis 250 bar, och en rnotsvarande ångteltrperatur, företrädesvis 500°C, samt en hydraulisk diameter av 0,2 nm. Med dessa värden kan det uppnås en energitäthet av 500 kJ/kg och en effekttähet av 100 kW /kg totalvikt för ångbufferten, vilket kan jämföras med motsvarande värden för exempelvis blyackurnulatorer, nämligen blygsanma drygt l00kJ/kg resp. 100 W/kg.

Enligt en ytterligare föredragen utföringsfonn är strömningsvägarna bildade genan sintring av fina korn av företrädesvis keramiskt material till varandra och till insidorna av ett angivande hölje för ångbufferten.

Strömningsvägarna sträcker sig mellan kornen och mellan dessa och det till kornen fastsintrade höljet, san till följd därav kan vara tunnväggigt, eftersan det är utsatt för små dragpåkänningar och främst har en tätande 3 _ 504 686 funktion.

Uppfinningen är närmare tydliggjord i det följande under hänvisning till bifogade ritningar, san schematiskt visar olika utföringsexempel på ângbuffertar enligt uppfinningen, och på vilka figur 1 är ett schema över en ångotoranläggning med en i denna ingående ångbuffert, figurerna 2-5 är utsnitt i tvärsektion ur ångbuffertar med på olika sätt bildade strömningsvägar, figur 6a är en symbolisk bild av en ângbuffert sedd från sidan, figurerna Gtrf är bilder av tenperaturprofiler hos densænna vid olika laddningstillstånd, och figurerna 7a-d är kurvor visande temperatur- profiler vid urladdningens slut i en ångbuffert vid olika arbetstryck och vid olika diametrar hos strömningsvägarna. ' Fig.l visar schematiskt en ånggenerator 1, som över en ångledning 2 är ansluten dels till en högtemperaturanslutning 3 till en ångbuffert 4, dels till en inloppsventil 5 till en ångmotor 6 i form av en vanlig flercylindrig axialkolvmotor. Från ångmotorns 6 utlopp går en ledning 7 till en kondensorbuffert 8, till vilken en kylare 9 är ansluten medelst ledningar 10,11 för kylning av matarvatten och ånga i kondensorbufferten 8. Från denna leder en ledning 12 till en pump 13 för pumpning av matarvatten under högt tryck till dels en lågtemperaturanslutning 14 till ångbufferten 4 via en ledning 15, dels en ledning 16 till en cirkulationspup 17, vars utlopp via en ledning 18 är ansluten till ånggeneratorn 1.

Mellan ångbuffertens 4 högtemperaturanslutning 3 och lågtemperatur- anslutning 14 sträcker sig ett stort antal strömningsvägar 20, såsam visas i fig.2-5. Dessa kan vara bildade av en bunt kapillärrör 21, vars ändar sträcker sig in i anslutningarna 3 och 14 och med utsidorna är tätande fastgjutna mot varandra och mot anslutningarna 3 och 14. Rören 21 har cirkulär tvärsektion i fig.2 men kan även ha en sexkantig utsida, som rören 22 i fig.3. Alternativt kan strömningsvägarna 21 vara bildade genom strängsprutning av ett block 23 av lämpligt material, i vilket strömningsvägarna 21 sträcker sig. Rören 21,22 och blocket 23 kan bestå av metall eller keramiskt material.

En särskilt föredragen utföringsfonn visas i fig 5. I ett tunnväggigt, cylindriskt hölje 24 mellan anslutningarna 3,14 är ett stort antal fina korn 25 av keramiskt material sintrade till varandra och till höljets 24 insidor. Strömningsvägarna 21 är här bildade mellan kornen 25 och mellan dessa och höljets 24 innerväggar. I samtliga fall är strömningsvägarnas 21 hydrauliska diameter mellan 0,5 till 0,2 nun Angmotoranläggningen är anordnad att fungera i stora drag på följande sätt. Anggeneratorn 1 är lämpligen inställbar på en lägsta och en högsta “504 686 4 kontinuerlig effektnivå och eventuellt några mellanlägen i beroende på erforderlig ånggenerering. När ventilen 5 är stängd drivs inte motorn 6 och all genererad ånga strönnar med ett av pupen 13 bestämt tryck av 250 bar och en därav följande temperatur av 500°C till ångbufferten 4. I denna tränger ångan in i strömningsvägarna 21 och undantränger vattnet i dessa, vilket strönnar ut genon ledningen 15 till ett buffertkärl 26 son är anslutet till ledningen och innehåller en gaskudde mot vars tryck vattnet pressas in i kärlet. Värmeväxlarmaterialet 2l,22,23 eller 25 i ångbufferten 4 upphettas från anslutningen 3 med en tvärgående front, som förflyttas mot anslutningen 14. När denna front nått dit är ångbufferten fulladdad och cirkulationspupen 17 stannar. I detta tillstånd kan anläggningen befinna sig under lång tid och är försedd med en effektiv värméisolering 27, som omger ånggeneratorn l, ångbufferten 4, ventilen 5 och övre delen av motorn 6 samt tillhörande ledningar, som tillsannans utgör en högtemperaturdel med en temperatur av 500°C medan resten av anläggningen utgör en lågtemperaturdel med temperaturen cirka 80°C. En del värmeförluster är ofrånkomliga, sun kompenseras av att ånggeneratorn l vid behov startar och återställer den avsedda temperaturnivån gemun någon minuts drift.

När ventilen 5 öppnas något för drivning av motorn 6 vid normal låglast räcker den av ånggeneratorn l kontinuerligt avgivna ångan. Vid öppning av ventilen 5 för drivning av motorn 6 kortvarigt med full last, t.ex. vid acceleration för en cnkörning, avges huvuddelen av ångbehovet av ångbufferten 4, exempelvis tio gånger mr än vad ånggeneratorn 1 kan avge. Ångan avgår genom anslutningen 3 och matarvatten från bufferten 26 trycks av gaskudden i denna in i ångbufferten 4 gencnxanslutningen 14. I ångbufferten 4 förångas vattnet av det heta, omgivande värmeväxlarmaterialet, och nu förflyttas den ovannämnda temperaturfronten sakta i riktning mot anslutningen 3, och när den når denna är ångbufferten urladdad och enbart ångan från ånggeneratorn l står till förfogande. Genom lämplig dimensionering av hela anläggningen tillses att ett sådant driftsfall, som helt tönner ångbufferten med dess energitäthet på upp till 500 kJ/kg, inte skall behöva inträffa.

Det ovan beskrivna förloppet har åskådliggjorts i figurerna 6a-6f.

Fig.6a visar ångbufferten 4 med lågtemperaturanslutningen 14 och högtemperatur- anslutningen 3. Vid fullt laddat tillstånd är temperaturen hos ångbufferten från ena änden till den andra den som visas av kurvan i fig.6b, dvs ca 80°C utanför värmeisoleringen och 500°C utmed hela ångbuffertens längd.

Under urladdning strömmar ånga ut via anslutningen 3 och vatten in via anslutningen 14, varvid den tvärgående temperaturfronten T bildas. Denna 5 504 686 förflyttas sakta mot anslutningen 3 med er: utbredningshastighet, san alltid är mindre än hastigheten hos det av vatten och ånga bestående fluidet och förhåller sig till hastigheten hos det strömnande fluidet som värmekapaciteten för fluidet förhåller sig till den samlade värmekapaciteten hos fluidet och värmeväxlanraaterialet. Urladdningen sker med helt oförändrad tanperatur och nästan oförändrat tryck hos uttagen ånga, ända tills fronten T når anslutningen 3 enligt fig.6d. Är värmeöverföringsförhållandena goda och strömningshastigheten ej för hög (många strömningsvägar) blir temperaturfronten mycket brant, vilket är ytterst viktigt. När så är fallet kan en mycket stor mängd energi utvinnas ur ångbuffertens vänneväxlarmaterial, nämligen den med ytan Y markerade mängden i fig.6e. vid förnyad laddning förskjuts temperaturfronten i motsatt riktning, såsan visas i fig.6f tills förnyad urladdning inträffar eller tills ångbufferten åter är flulladdad.

En förutsättning för att erhålla en hög energitäthet, san definieras san energimängden lagrad i ångbufferten normerad till vänneväxlingsrnaterialets vikt, är att ytan Y i fig.6e är stor i förhållande till produkten av temperatursvinget O och ångbuffertens längd L. Härav följer. att tanperatur- fronten i ångbufferten skall vara så brant san rnöjligt, och det kan lätt påvisas, att strömningskanalernas hydrauliska diameter bör var några tiondels millimeter. Det kan vidare påvisas, att en hög effekttäthet, definierad på motsvarande sätt san ovan, kräver ett högt tryck på ångan, ett högt i värde på förhållandet mellan genanströmningsvägarnas samnanlagda area och värmeväxlingsmaterialets inklusive genanströnmingsvägarnas area, en hög ångtemperatur, en låg densitet hos värmeväxlarmaterialet, vilket gör användningen av keramer gynnsam, och en liten hydraulisk diameter, dvs sanlna vilkor san för hög energitäthet.

Speciellt inverkan av den hydrauliska diametern på temperaturfrontens branthet framgår av den i fig. 7a-7d visade undersökningen vid några olika driftsförhållanden. Fig.7a,b visar tanperaturen i ångbufferten utmed dess relativa längd vid trycket 250 bar och ångtemperaturen 500°C för genan- strömningsvägar med hydrauliska diametern 0,5 resp 0,2 nm. Tg och Tå avser kurvor för värmeväxlingsmaterialets temperatur resp ångans temperatur.

Fig.7c,d visar motsvarande kurvor vid trycket 100 bar och ångtemperaturen 450°C. I båda driftsfallen ser man att vid övergång från 0,5 till 0,2 mn hydraulisk diameter temperaturfrontens branthet ökar dramatiskt och speciellt vid fallet med de högre tryck- och temperaturvärdena. no 504 686 6 Trots de höga trycken och temperaturerna hos ångmotoranläggningen är riskerna för skador på omgivningen på grund av explosion och/eller utströmning av het ånga, speciellt från ångbufferten, obetydliga, eftersom dels ångbufferten inte är innesluten i ett tryckkärl, dels genunströmnings- vägarna innehåller mycket små mängder ånga och hett vatten. Angan bildas i ångbufferten i sanna takt scn1natarvattnet tränger in i genomströmnings- Avägarna vid urladdning, och detta sker endast vid en intakt buffert. Dessutom kan man on så önskas insätta en rörbrottsventil 30 i tryckledningen 15, som leder matarvatten till bufferten 4 vid urladdning. En större gencnströmningshastighet hos matarvattnet än scnxsvarar mot ett förutbestämt värde, t.ex. fullt öppen ventil 5 (fullast), resulterar'då i en snabb stängning av ventilen 30 och ångalstringen i bufferten 4 upphör.

Uppfinningen är självfallet inte begränsad till de här visade och beskrivna utföringsexemplen på ångbuffertar utan kan modifieras på åtskilliga sätt inom ramen för den i patentkraven definierade uppfinningstanken.

Claims (7)

504 686 PATENTKRAV

1. l. Ångbuffert för användning i en ångmotoranläggning med ett slutet ångsysten och utförd att under högt tryck och hög tanperatur växelvis ackumulera och avge ånga, varvid ångbufferten (4) är försedd med en högtemperaturanslutning (3) för ånga och en lågtanperaturanslutning (14) för matarvatten och därenellan ett värmelagringsnaterial (2l,22,23,25) därav, att värmelagringsmaterialet består av enbart fast material, i vilket ett stort antal trycktåliga strömningsvägar (20) med en hydraulisk diameter mindre än cirka 0,5 um för ångan och matarvattnet är anordnade mellan de två anslutningarna ( 3,14), och godset i strömningsvägarnas (20) väggar utgör den värmelagrande substansen.

2. ; Ångbuffert enligt krav l, kännetecknad därav, att ångbufferten (4) är dimensionerad för ett tryck över det kritiska trycket, företrädesvis 250 bar, och en ångteuperatur av 500°C, samt en hydraulisk diameter hos strënningsvägarna (20) av 0,2 nm.

3. Ångbuffert enligt krav l eller 2, kännetecknad därav, att strümingsvägama (20) är bildade av parallella kapillärrör (2l,22), som är inbördes förenade, till exempel hårdlödda ihop eller ihopsintrade.

4. Ångbuffert enligt krav l eller 2, därav, att strömningsvägarna (20) är bildade genom strängpressning i ett block (23).

5. Ångbuffert enligt krav 1 eller 2, kännetecknad därav, att strömningsvägarrxa (20) är bildade genom sintring av fina korn(25) av metalliskt eller keramiskt material till varandra inuti ett trycktåligt hölje (24), mot vars insidor kornen (25) är fastsintrade.

6. Ångbuffert enligt något av kraven 1-5, kännetecknad därav, att stroïmingsvägar (20) och mellanliggande material (2l,22,23,25) är dimensionerade för en energitäthet upp till 500 kJ/kg och effekttäthet av 10-100 kW/kg totalvikt för ångbuffertens material.

7. Ångbuffert enligt något av kraven l-6, känneteclcnad därav, att en tryckledning (15) för matarvattnet ansluten till lågteïperaturanslutningen (14) är försedd med en ventil (30), san är anordnad att stängas när strömnings- hastigheten i tryckledningen (15) överstiger ett förutbestämt värde.