WO1995019531A1 - Wärmeübertrager - Google Patents

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WO1995019531A1
WO1995019531A1 PCT/EP1995/000107 EP9500107W WO9519531A1 WO 1995019531 A1 WO1995019531 A1 WO 1995019531A1 EP 9500107 W EP9500107 W EP 9500107W WO 9519531 A1 WO9519531 A1 WO 9519531A1
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WO
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heat exchanger
base body
heat
channels
exchanger according
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Application number
PCT/EP1995/000107
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Heikrodt
Peter Hofbauer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Viessmann Werke Gmbh & Co.
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Publication date
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Priority to EP95906930A priority patent/EP0688416A1/de
Priority to JP7518838A priority patent/JPH08508090A/ja
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    • 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
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
    • 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
    • F02G1/057—Regenerators
    • 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
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/003—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular for heating and cooling machines operating according to a regenerative gas cycle process, with separation of the media participating in the heat transfer.
  • Heating and cooling machines operating according to the Stirling or Vuilieumier cycle have been known for a long time, for example from GB-PS 1 36 1 95.
  • they have not been used in practice, mainly because of constructional difficulties that have hitherto prevented the theoretical advantages of such machines from being realized in practice.
  • the invention is based on the object of creating a heat exchanger which is particularly suitable for heating and cooling machines which operate according to a regenerative gas cycle process and which has a high degree of efficiency and a small structural volume, but which is also intended to be suitable for other purposes.
  • the heat exchanger has a base body which is provided on one surface with at least one groove extending from the inlet to the outlet, which is covered by a cover as a flow channel for the heat-absorbing, preferably liquid heat transfer medium is sealed, and which is provided on its other surface with a plurality of channels and / or pores for the heat-emitting medium, preferably formed by a process gas.
  • the design according to the invention results in a heat exchanger which can be produced with a small construction volume and which, despite its small construction volume, enables economical production and has a high degree of efficiency.
  • the base body is provided with a plurality of depressions for the heat-emitting medium which serve as channels. Such depressions also enlarge the surface of the heat exchanger that participates in the heat transfer.
  • the base body can be provided with a layer of porous material.
  • the heat-emitting medium in particular a process gas, flows through the pores of this layer, which is preferably made of a good heat-conducting material.
  • the layer can either be applied to the base body or produced as a separate component that is connected to the base body.
  • the channels for the heat-emitting medium can be formed by a body made of smooth, deformed and / or perforated metal sheets or by a wire mesh, wire mesh or wire tangle, this body being force or is arranged cohesively.
  • a body made of smooth, deformed and / or perforated metal sheets or by a wire mesh, wire mesh or wire tangle, this body being force or is arranged cohesively.
  • the invention proposes to design the base body cylindrically and to arrange it in the cylindrical housing of the machine.
  • the housing of the machine can also serve as a cover for the groove formed in one surface of the base body.
  • the channels and / or pores for the process gas of the heating and cooling machine can be open to the gap formed with the jacket surface of the respective piston, so that a particularly compact and economically producible construction for the heat exchanger results .
  • the pistons of the heating and cooling machine have a larger diameter, according to the invention there is also the possibility of sealing the channels and / or pores for the process gas by means of a bushing relative to the piston gap, the bushing in the area of the respective working space of the machine with inlet and Outlet openings must be provided.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a heat exchanger used in a heating and cooling machine operating according to a regenerative gas cycle process, on the basis of a longitudinal section through such a machine
  • FIG. 2 shows an enlarged front view of half of the heat exchanger arranged in the warm part of the machine according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a representation of the heat exchanger corresponding to the section line III-III in FIG. 2, 4 is a front view corresponding to the upper part of FIG. 2 of a second embodiment,
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through the upper half of the heat exchanger according to FIG. 4 along the section line V - V in FIG. 4,
  • FIG. 6 shows an end view corresponding to FIG. 4 of a third exemplary embodiment
  • Fig. 7 shows a fourth embodiment of the heat transfer according to the representation of FIGS. 4 and 6 and
  • FIG. 8 shows a further representation of a fifth embodiment corresponding to FIGS. 4, 6 and 7.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the heat exchanger on the basis of a longitudinal section through a heating and cooling machine operating according to a regenerative gas cycle process.
  • This machine comprises a pressure-tight housing designed as a circular cylinder, which is provided at one end with a flange 1 a, to which a motor housing 2 is screwed with a corresponding flange 2 a.
  • the motor housing 2 is only partially shown.
  • a pressure-resistant base 3 is arranged, which closes one end of the housing 1.
  • the pressure-tight housing 1 is provided with a housing cover 4, which in the exemplary embodiment is screwed to the cylindrical housing 1 by thread and in which a heat generator in the form of a gas burner 5 is arranged.
  • This gas burner comprises a cylindrical feed pipe 5a for the fuel gas, which is provided on the outlet side with a metering hemisphere 5b.
  • a burner surface 5c made of a stainless steel mesh and acting as a reaction surface is arranged concentrically with this metering hemisphere 5b and limits the gas inflow chamber and glows when the gas burner is in operation, so that the gas burner 5 emits a large part of the heat generated by radiation.
  • the resulting flue gases are extracted from a combustion chamber 5d surrounding the hemispherical burner surface 5c by an withdrawn gas pipe 5e, which concentrically surrounds the feed pipe 5a of the gas burner 5.
  • the heat generated by the gas burner 5 is emitted by radiation and convection to a partition 6, which is designed as a rotationally symmetrical arch, preferably a conical section, in the exemplary embodiment as a hemisphere, and bulges into the interior of the housing 1.
  • the hemispherical curvature runs at a constant distance from the hemispherical burner surface 5c of the gas burner 5.
  • the partition 6 designed as part of the pressure-tight housing 1 is fastened to a support ring 6a, which is connected to the end of the cylindrical housing 1 via a membrane-like extension 6b.
  • both connections are made by welding.
  • insulating rings 7a and 7b which are each arranged on one side of the membrane-like extension 6b on the one hand to the housing cover 4 and on the other hand to the housing 1, the heat dissipation from the partition wall 6 heated by the gas burner 5 to the housing 1 and its housing cover 4 and thus significantly reduced to the environment.
  • the heat generated by the gas burner 5 and absorbed by the partition is given off from the inside of the partition 6 to a working medium, preferably helium, which is in a hot working volume V n .
  • This hot working volume is limited on the one hand by the partition wall 6 and on the other hand by the piston crown 8a of a piston 8 which is arranged in the housing 1 so as to be movable in the vicinity.
  • This piston 8 is connected via a piston rod 8b to a motor or controller arranged in the motor housing 2, which are not shown in the drawing.
  • These three volumes are interconnected with the interposition of regenerators Rh, R
  • the regenerator R n arranged in the hot part of the housing 1 stores part of the heat given off to the hot working volume V n during the course of the regenerative gas cycle process; the arranged in the cold part of the housing 1 Regenerator R
  • a medium taken from the environment is continuously supplied via a line 3a arranged in the base 3, which medium is withdrawn via a line 3b after a portion of its heat content has been removed the environment is returned.
  • the heat exchanger W w is fed through connecting lines 1 0a, 1 0b with a heat transfer medium, the heating of which is used to generate energy when the machine is used as a heat machine.
  • a baffle 11 arranged in the edge region of the partition 6 is used, which forms 6 flow channels with a small flow cross section in the edge region of the partition wall, so that the hot working volume Vh leaving working medium is guided at high flow speed over the edge region of the partition 6 before the working medium enters the regenerator R j -.
  • Figs. 2 and 3 enlarged and shown as an individual part administrated by either exchangers W w consists of a basic body 1 2 that of FIG. 3 on its shell side surface 1 2a with at least one, from the inlet to the outlet of the heat exchanger W w extending groove 1 2b is provided.
  • this groove 1 2a is designed as a single-start spiral with nine turns in the exemplary embodiment, the beginning and end of which are provided with the connecting lines 10a and 10b for the liquid heat transfer medium.
  • the helical course of the groove 1 2b which cannot be seen in the upper half of FIG. 3 due to the sectional view, is clearly evident from the view of the uncut lower part of FIG. 3.
  • the jacket-side surface of the base body 1 2 is sealed by a cover 1 3, which was omitted in the lower half of FIGS. 2 and 3 to show the helical course of the groove 1 2b.
  • the cover 1 3 can be achieved in the exemplary embodiment in the vicinity of the end faces of the base body 1 2 annular grooves 1 2c for a not shown in the drawing posed seal trained.
  • the cover 1 3 can be a separate component, preferably made of heat-insulating material, but also the housing of the machine according to FIG. 1.
  • the base body 1 2 is provided with a plurality of channels and / or pores for the heat-emitting medium, preferably formed by a process gas.
  • a plurality of axial grooves 1 2e are formed for this purpose, which in this case are open to the interior of the heat exchanger, since the necessary limitation is in each case indicated by the pistons 8 shown in FIG. 1 or 9 is formed.
  • the second exemplary embodiment of a heat exchanger shown in FIGS. 4 and 5 differs from the first embodiment according to FIGS. 2 and 3 in that the axial grooves 1 2e are closed by a bushing 14 which is in the region of the warm working volume V w of the machine according to FIG. 1 is provided with inlet and outlet openings 14a.
  • the third exemplary embodiment according to FIG. 6 shows that the base body 1 2 on its inner surface 1 2d instead of the axial grooves 1 2e for the process gas can also be provided with a layer 15 of porous material, through the pores of which the heat-emitting process gas flows.
  • the channels for the process gas can also be formed according to FIG. 7 by a body 1 6 from deformed and perforated sheets or according to FIG. 8 by a body 1 7 from a wire mesh, wire mesh or wire tangle.
  • the body 1 6 or 1 7 is non-positively or cohesively arranged on the base body 1 2, so that there is good heat transfer between the respective body 1 6 or 1 7 and the base body 1 2.
  • a heat exchanger with a small construction volume, which can be produced inexpensively and which results in a high heat transfer efficiency.
  • Such a heat exchanger is not only suitable for use in heating and cooling machines operating according to a regenerative gas cycle process, but also can be used for other heat transfer processes, for example in the chemical industry.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit Trennung der an der Wärmeübertragung teilnehmenden Medien. Um einen kompakten Wärmeübertrager mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen, wird der Wärmeübertrager durch einen Grundkörper (12) gebildet, der auf seiner einen Oberfläche (12a) mit mindestens einer vom Eintritt zum Austritt verlaufenden Nut (12b) versehen ist, die durch eine Abdeckung (13) als Strömungskanal für das wärmeaufnehmende Wärmeträgermedium abgedichtet ist, und der auf seiner anderen Oberfläche (12d) mit einer Vielzahl von Kanälen und/oder Poren für das Wärmeabgebende Medium versehen ist.

Description

W ä r m e ü b e r t r a g e r
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen, mit Trennung der an der Wärmeübertragung teilnehmenden Medien.
Nach dem Stirling- oder Vuilieumier-Kreisprozeß arbeitende Wärme- und Käl¬ temaschinen sind seit langer Zeit bekannt, beispielsweise aus der GB-PS 1 36 1 95. Sie haben jedoch trotz der unbestreitbaren Vorteile der regenerativen Gaskreisprozesse keinen Eingang irt die Praxis gefunden, hauptsächlich wegen konstruktiver Schwierigkeiten, die die Realisation der theoretischen Vorteile derartiger Maschinen in der Praxis bisher verhinderten. Auch jüngere Veröf¬ fentlichungen, beispielsweise die EP 0 238 707 A2 befassen sich mehr mit theoretischen Überlegungen als praktischen Ausgestaltungen derartiger Wärme- und Kältemaschinen mit zwei in einem druckdichten Gehäuse linear beweglichen Kolben, die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen begrenzen und von denen der eine Kolben im Gehäuse ein heißes, mit Wärme beauf¬ schlagtes Arbeitsvolumen und der andere Kolben ein kaltes Arbeitsvolumen begrenzt, wobei die drei Arbeitsvolumina unter Zwischenschaltung von Rege¬ neratoren und Wärmeübertragern miteinander verbunden sind und ein Antrieb und/oder eine Steuerung für die Kolben vorgesehen ist.
Um eine über Prototypen hinausgehende industrielle Herstellung derartiger im Alltagsbetrieb einsetzbarer Wärme- und Kältemaschinen zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Einzelkomponenten dieser Maschinen zu optimieren. Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, einen insbesondere für nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen geeigneten Wärmeübertrager mit hohem Wirkungsgrad und geringem Bauvo¬ lumen zu schaffen, der allerdings auch für andere Einsatzzwecke geeignet sein soll.
Die L ö s u n g dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager einen Grundkörper aufweist, der auf seiner einen Oberfläche mit mindestens einer vom Eintritt zum Austritt verlaufenden Nut versehen ist, die durch eine Abdeckung als Strömungskanal für das wärmeaufnehmende, vorzugsweise flüssige Wärmeträgermedium ab¬ gedichtet ist, und der auf seiner anderen Oberfläche mit einer Vielzahl von Kanälen und/oder Poren für das wärmeabgebende, vorzugsweise durch ein Prozeßgas gebildete Medium versehen ist.
Die erfindungsgemäße Ausbildung ergibt einen Wärmeübertrager, der mit einem geringen Bauvolumen hergestellt werden kann und trotz seines gerin¬ gen Bauvolumens eine wirtschaftliche Fertigung ermöglicht und einen hohen Wirkungsgrad hat.
Für die Ausbildung der vom wärmeabgebenden Medium durchströmten Ka¬ näle und/oder Poren gibt es verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten. Bei der einen erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der Grundkörper mit einer Vielzahl als Kanäle dienenden Vertiefungen für das wärmeabgebende Medium versehen. Derartige Vertiefungen vergrößern zugleich die an der Wärme¬ übertragung teilnehmende Oberfläche des Wärmeübertragers. Alternativ kann gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung der Grundkörper mit einer Schicht aus porösem Material versehen sein. Das wärmeabgebende Medium, insbesondere ein Prozeßgas strömt durch die Poren dieser vorzugsweise aus gut wärmeleitendem Material hergestellten Schicht. Die Schicht kann hierbei entweder auf den Grundköper aufgetragen oder als separates Bauteil herge¬ stellt werden, das mit dem Grundkörper verbunden ist. Bei einer weiteren Ausgestaltung nach der Erfindung können die Kanäle für das wärmeabgeben¬ de Medium durch einen Körper aus glatten, verformten und/oder perforierten Blechen oder aus einem Drahtgeflecht, Drahtgewebe oder Drahtgewirr gebil¬ det sein, wobei dieser Körper auf dem Grundköper kraft- oder stoffschlüssig angeordnet ist. Eine derartige erfindungsgemäße Ausgestaltung schafft eine besonders große an der Wärmeübertragung teilnehmende Oberfläche und er¬ zeugt darüber hinaus eine turbulente Strömung, die den Wärmeübergang ver¬ bessert.
Sofern der erfindungsgemäße Wärmeübertrager in einer nach einem regene¬ rativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschine der eingangs beschriebenen Art eingesetzt werden soll, wird mit der Erfindung vorgeschla¬ gen, den Grundkörper zylindrisch auszubilden und im zylindrischen Gehäuse der Maschine anzuordnen. Erfindungsgemäß kann hierbei das Gehäuse der Maschine zugleich als Abdeckung der in der einen Oberfläche des Grundkörpers ausgebildeten Nut dienen.
Die Kanäle und/oder Poren für das Prozeßgas der Wärme- und Kältemaschine können gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zu dem mit der Man¬ telfläche des jeweiligen Kolbens gebildeten Spalt offen sein, so daß sich eine besonders kompakte und wirtschaftlich herstellbare Konstruktion für den Wärmeübertrager ergibt. Sofern die Kolben der Wärme- und Kältemaschine einen größeren Durchmesser haben, besteht erfindungsgemäß auch die Möglichkeit, die Kanäle und/oder Poren für das Prozeßgas durch eine Büchse gegenüber dem Kolbenspalt abzudichten, wobei die Büchse im Bereich des jeweiligen Arbeitsraumes der Maschine mit Ein- und Austrittsöffnungen zu versehen ist.
Auf der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungs¬ gemäßen Wärmeübertragers dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines in einer nach einem rege¬ nerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschine eingesetzten Wärmeübertragers anhand eines Längsschnittes durch eine derartige Maschine,
Fig. 2 eine vergrößert dargestellte Stirnansicht der Hälfte des im warmen Teil der Maschine nach Fig. 1 angeordneten Wärme¬ übertragers,
Fig. 3 eine der Schnittlinie III -III in Fig. 2 entsprechende Darstellung des Wärmeübertragers, Fig. 4 eine dem oberen Teil der Fig. 2 entsprechende Stirnansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch die obere Hälfte des Wärmeübertra¬ gers nach Fig. 4 gemäß der Schnittlinie V - V in Fig. 4,
Fig. 6 eine der Fig. 4 entsprechende Stirnansicht eines dritten Aus¬ führungsbeispiels,
Fig. 7 ein viertes Ausführungsbeispiel des Wärmeübertrages entsprechend der Darstellung nach den Fig. 4 bzw. 6 und
Fig. 8 eine weitere, den Fig. 4, 6 bzw. 7 entsprechende Darstellung einer fünften Ausführungsform.
In Fig. 1 ist anhand eines Längsschnittes durch eine nach einem regenerati¬ ven Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine ein erstes Ausfüh¬ rungsbeispiel des Wärmeübertragers dargestellt. Diese Maschine umfaßt ein als Kreiszylinder ausgebildetes druckdichtes Gehäusel , das an seinem einen Ende mit einem Flansch 1 a versehen ist, an den ein Motorgehäuse 2 mit einem entsprechenden Flansch 2a angeschraubt wird. Das Motorgehäuse 2 ist nur zum Teil dargestellt. Zwischen den Flanschen 1 a und 2a ist ein druckfester Boden 3 angeordnet, der das eine Ende des Gehäuses 1 abschließt.
Am anderen Ende ist das druckdichte Gehäuse 1 mit einem Gehäusedeckel 4 versehen, der beim Ausführungsbeispiel über Gewinde mit dem zylindrischen Gehäuse 1 verschraubt ist und in dem ein Wärmeerzeuger in Form eines Gas¬ brenners 5 angeordnet ist. Dieser Gasbrenner umfaßt ein zylindrisches Zu¬ fuhrrohr 5a für das Brenngas, das austrittsseitig mit einer Dosierhalbkugel 5b versehen ist. Konzentrisch zu dieser Dosierhalbkugel 5b ist eine als Reakti¬ onsoberfläche wirkende Brennerfläche 5c aus einem Edelstahlgewebe ange¬ ordnet, die die Gaszuströmkammer begrenzt und beim Betrieb des Gasbren¬ ners glüht, so daß der Gasbrenner 5 einen Großteil der erzeugten Wärme durch Strahlung abgibt. Die entstehenden Rauchgase werden aus einem die halbkugelförmige Brennerfläche 5c umgebenden Brennraum 5d durch ein Ab- gasrohr 5e abgezogen, das das Zufuhrrohr 5a des Gasbrenners 5 konzen¬ trisch umgibt.
Die vom Gasbrenner 5 erzeugte Wärme wird durch Strahlung und Konvektion an eine Trennwand 6 abgegeben, die als rotationssymmetrisches Gewölbe, vorzugsweise als Kegelschnitt, beim Ausführungsbeispiel als Halbkugel ausge¬ führt ist und sich in das Innere des Gehäuses 1 wölbt. Beim Ausführungsbei¬ spiel verläuft die halbkugelförmige Wölbung mit gleichbleibendem Abstand zur halbkugelförmigen Brennerfläche 5c des Gasbrenners 5.
Die als Teil des druckdichten Gehäuses 1 ausgeführte Trennwand 6 ist an einem Tragring 6a befestigt, der über eine membranartige Verlängerung 6b mit dem Ende des zylindrischen Gehäuses 1 verbunden ist. Beim Ausfüh¬ rungsbeispiel erfolgen beide Verbindungen durch Verschweißen. Durch Ver¬ wendung von Isolierringen 7a und 7b, die jeweils auf einer Seite der membranartigen Verlängerung 6b einerseits zum Gehäusedeckel 4 und andererseits zum Gehäuse 1 angeordnet sind, wird die Wärmeableitung von der durch den Gasbrenner 5 beheizten Trennwand 6 an das Gehäuse 1 und dessen Gehäusedeckel 4 und damit an die Umgebung erheblich reduziert.
Die vom Gasbrenner 5 erzeugte und von der Trennwand aufgenommene Wärme wird von der Innenseite der Trennwand 6 an ein Arbeitsmedium, vor¬ zugsweise Helium abgegeben, das sich in einem heißen Arbeitsvolumen Vn befindet. Dieses heiße Arbeitsvolumen wird einerseits durch die Trennwand 6 und andererseits durch den Kolbenboden 8a eines Kolbens 8 begrenzt, der li¬ near beweglich im Gehäuse 1 angeordnet ist. Dieser Kolben 8 ist über eine Kolbenstange 8b mit einem im Motorgehäuse 2 angeordneten Motor bzw. einer Steuerung verbunden, die auf der Zeichnung nicht dargestellt sind.
Der Kolben 8 begrenzt gemeinsam mit einem weiteren Kolben 9 ein warmes Arbeitsmedium Vw. Der ebenfalls linear beweglich im Gehäuse 1 geführte Kolben 9 begrenzt in seinem Inneren schließlich ein kaltes Arbeitsvolumen V^. Diese drei Volumina sind miteinander unter Zwischenschaltung von Regenera¬ toren Rh, R|< und Wärmeübertragern Ww, W|< verbunden. Der im heißen Teil des Gehäuses 1 angeordnete Regenerator Rn speichert beim Ablauf des regenerativen Gaskreisprozesses einen Teil der an das heiße Arbeitsvolumen Vn abgegebenen Wärme; der im kalten Teil des Gehäuses 1 angeordnete Regenerator R|< übt die entsprechende Funktion bezüglich des kalten Arbeitsvolumens V|< aus.
Dem beim Ausführungsbeispiel innerhalb des kalten Kolbens 9 ortsfest auf dem Boden 3 angeordneten Wärmeübertrager W|< wird über eine im Boden 3 angeordnete Leitung 3a ein aus der Umgebung entnommenes Medium konti¬ nuierlich zugeführt, das nach Entzug eines Teils seines Wärmeinhalts über eine Leitung 3b in die Umgebung zurückgeführt wird. Der Wärmeübertrager Ww wird durch Anschlußleitungen 1 0a, 1 0b mit einem Wärmeträgermedium beschickt, dessen Aufheizung bei der Verwendung der Maschine als Wärme¬ maschine der Energieerzeugung dient. Zur Verbesserung des Wärmeübergan¬ ges von der Trennwand 6 auf das im heißen Arbeitsvolumen Vn befindliche Arbeitsmedium dient ein im Randbereich der Trennwand 6 angeordnetes Leitblech 1 1 , das im Randbereich der Trennwand 6 Strömungskanäle mit kleinem Strömungsquerschnitt bildet, so daß das das heiße Arbeitsvolumen Vh verlassende Arbeitsmedium mit hoher Strömungsgeschwindigkeit über den Randbereich der Trennwand 6 geführt wird, bevor das Arbeitsmedium in den Regenerator Rj-, eintritt.
Der in den Fig. 2 und 3 vergrößert und als Einzelteil dargestellte Wärmeüber¬ trager Ww besteht aus einem Grundkörper 1 2, der gemäß Fig. 3 auf seiner mantelseitigen Oberfläche 1 2a mit mindestens einer, vom Eintritt zum Austritt des Wärmeübertragers Ww verlaufenden Nut 1 2b versehen ist. Beim Ausfüh¬ rungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 ist diese Nut 1 2a als eingängige Wendel mit beim Ausführungsbeispiel neun Windungen ausgeführt, deren Anfang und Ende mit den Anschlußleitungen 1 0a bzw. 1 0b für das flüssige Wärmeträgermedium versehen sind. Der in der oberen Hälfte der Fig. 3 auf¬ grund der Schnittdarstellung nicht erkennbare wendeiförmige Verlauf der Nut 1 2b ergibt sich deutlich aus der Ansicht des nicht geschnittenen unteren Tei¬ les der Fig. 3. Um die wendeiförmig verlaufende Nut 1 2b des Grundkörpers
1 2 als Strömungskanal für das wärmeaufnehmende Wärmeträgermedium aus¬ zubilden, ist die mantelseitige Oberfläche des Grundkörpers 1 2 durch eine Abdeckung 1 3 abgedichtet, die in der unteren Hälfte der Fig. 2 und 3 zur Darstellung des wendeiförmigen Verlaufs der Nut 1 2b weggelassen wurde. Um eine zuverlässige Abdichtung zwischen Grundkörper 1 2 und Abdeckung
1 3 zu erzielen, sind beim Ausführungsbeispiel in der Nähe der Stirnflächen des Grundkörpers 1 2 Ringnuten 1 2c für eine auf der Zeichnung nicht darge- stellte Dichtung ausgebildet. Die Abdeckung 1 3 kann ein separates Bauteil, vorzugsweise aus wärmeisolierendem Material, aber auch das Gehäusel der Maschine gemäß Fig. 1 sein.
Auf seiner anderen, beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 innenlie¬ genden Oberfläche 1 2d ist der Grundkörper 1 2 mit einer Vielzahl von Kanälen und/oder Poren für das wärmeabgebende, vorzugsweise durch ein Prozeßgas gebildete Medium versehen. Beim ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 ist zu diesem Zweck eine Vielzahl von Axialnuten 1 2e ausgebildet, die in diesem Fall zum Inneren des Wärmeübertragers hin offen sind, da die not¬ wendige Begrenzung jeweils durch die in Fig. 1 eingezeichneten Kolben 8 bzw. 9 gebildet wird.
Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines Wär¬ meübertragers unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 dadurch, daß die Axialnuten 1 2e durch eine Buchse 14 ver¬ schlossen sind, die im Bereich des warmen Arbeitsvolumens Vw der Maschine nach Fig.1 mit Ein- und Austrittsöffnungen 14a versehen ist.
Das dritte Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 zeigt, daß der Grundkörper 1 2 auf seiner innenliegenden Oberfläche 1 2d anstelle der Axialnuten 1 2e für das Prozeßgas auch mit einer Schicht 1 5 aus porösem Material versehen sein kann, durch dessen Poren das wärmeabgebende Prozeßgas strömt. Anstelle einer derartigen Schicht 1 5 aus porösem Material können die Kanäle für das Prozeßgas auch gemäß Fig. 7 durch einen Körper 1 6 aus verformten und perforierten Blechen oder gemäß Fig. 8 durch einen Körper 1 7 aus einem Drahtgeflecht, Drahtgewebe oder Drahtgewirr gebildet werden. In beiden Fällen ist der Körper 1 6 bzw. 1 7 kraft- oder stoffschlüssig auf dem Grund¬ körper 1 2 angeordnet, so daß sich ein guter Wärmeübergang zwischen dem jeweiligen Körper 1 6 bzw. 1 7 und dem Grundkörper 1 2 ergibt.
Bei allen dargestellten Ausführungsformen ergibt sich ein Wärmeübertrager mit geringem Bauvolumen, der kostengünstig hergestellt werden kann und einen hohen Wärmeübertragungswirkungsgrad ergibt. Ein derartiger Wärme¬ übertrager ist nicht nur für die Verwendung in nach einem regenerativen Gas¬ kreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschinen geeignet, sondern auch für andere Wärmeübertragungsprozesse, beispielsweise in der chemischen In¬ dustrie, einsetzbar.
B ez u q s z e i c h e n l i s te
1 Gehäuse 13 Abdeckung 1a Flansch 14 Buchse
2 Motorgehäuse 14a Ein - und Austrittsöffnung 2a Flansch 15 Schicht
3 Boden 16 Körper (aus Blechen) 3a Leitung 17 Körper (aus Drahtgeflecht) 3b Leitung Vn heißes Arbeitsvolumen
4 Gehäusedeckel Vw warmes Arbeitsvolumen
5 Gasbrenner V^ kaltes Arbeitsvolumen 5a Zufuhrrohr Rh heißer Regenerator
5b Dosierhalbkugel Rk kalter Regenerator 5c Brennerfläche Ww Wärmeübertrager 5d Brennraum W|< Wärmeübertrager 5e Abgasrohr
6 Trennwand 6a Tragring
6b Verlängerung 7a Isolierring 7b Isolierring
8 heißer Kolben 8a Kolbenboden 8b Kolbenstange
9 kalter Kolben 10a Anschlußleitung 10b Anschlußleitung
11 Leitblech
12 Grundkörper 12a Oberfläche 12b Nut
12c Ringnut 12d Oberfläche 12e Axialnut

Claims

P ate n ta n s p r ü c h e :
1. Wärmeübertrager, insbesondere für nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen, mit Trennung der an der Wärmeübertragung teilnehmenden Medien, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wärmeübertrager einen Grundkörper (12) aufweist, der auf seiner einen Oberfläche (12a) mit mindestens einer vom Eintritt zum Austritt verlaufenden Nut (12b) versehen ist, die durch eine Abdeckung (13) als Strömungskanal für das wärmeaufnehmende, vorzugsweise flüssige Wärmeträgermedium abgedichtet ist, und der auf seiner anderen Oberfläche (12d) mit einer Vielzahl von Kanälen und/oder Poren für das wärmeabgebende, vorzugsweise durch ein Prozeßgas gebildete Medium versehen ist.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (12) mit einer Vielzahl von Vertiefungen (12e) als Kanäle für das Prozeßgas versehen ist.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (12) mit einer Schicht (15) aus porösem Material versehen ist.
4. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle für das Prozeßgas durch einen Körper (16 bzw. 17) aus glatten, verformten und/oder perforierten Blechen oder aus einem Drahtgeflecht, Drahtgewebe oder Drahtgewirr gebildet sind, der auf dem Grundkörper (12) kraft- oder stoffschlüssig angeordnet ist.
5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Verwendung in nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (12) zylindrisch ausgebildet und im zylindrischen Gehäuse (1) der Maschine angeordnet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ( 1 ) als Abdeckung der auf der einen Oberfläche ( 1 2a) des Grundkörpers ( 1 2) ausgebildeten Nut ( 1 2b) dient.
7. Wärmeübertrager nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle und/oder Poren für das Prozeßgas zu dem mit der Mantelfläche des jeweiligen Kolbens (8,9) gebildeten Spalt offen sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle und/oder Poren für das Prozeßgas durch eine Buchse (14) ge¬ genüber dem Kolbenspalt abgedichtet sind, die im Bereich des jeweiligen Arbeitsraumes (Vw ) mit Ein- und Austrittsöffnungen ( 14a) versehen ist.
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