WO2000046495A1 - 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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Juergen Waidner
Marcus Bienzle
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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
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    • 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
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    • F02G1/055—Heaters or coolers
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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
    • F02G2254/00—Heat inputs
    • F02G2254/10—Heat inputs by burners

Definitions

  • Heating and cooling machine in particular Vuilleumier heat pump or Stirlin ⁇ machine
  • the invention relates to a heating and cooling machine, in particular a Vuilleumier heat pump or Stirling engine, 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 is used with part of its outer surface forms part of the combustion chamber.
  • a heating and cooling machine in particular a Vuilleumier heat pump or Stirling engine, 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 is used with part of its outer surface forms 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
  • the object of the invention is to improve a heat-cooling machine of the type mentioned at the outset in terms of the efficiency of the heat transfer and to achieve a compact structure in the process.
  • This object is achieved on the one hand in that the heater head itself has a concave receptacle as a combustion chamber for a pore burner, which encloses the predominant part 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 convection and radiation to the heater head and, on the other hand, in an equivalent manner in that the heater head is cylindrical and is surrounded by a hollow cylindrical pore burner, to which the gas-air mixture can be supplied on the face side or on the outside of the jacket and that
  • Heat is transferred to the heater head by means of convection and radiation.
  • the machine can be constructed compactly 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 optimum 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 safety body, which same covers. 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.
  • FIG. 1 shows a heater head with a concave receptacle with a pore burner which is arranged at a distance from the receptacle
  • FIG. 2 a heater head with a concave receptacle and a pore burner which completely fills the receptacle
  • FIG. 3 shows a cylindrical heater head with a hollow cylindrical pore burner, which surrounds the heater head and the gas-air mixture is supplied to the front, and
  • FIG. 4 shows a cylindrical heater head with a hollow cylindrical pore burner, which surrounds the heater head and to which the gas-air mixture is supplied on the outer jacket side.
  • Heat transfer from the burner to the heater head can be improved and this with a structural design that allows a compact construction of the machine.
  • 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 burning process with low pollutant values can be achieved over a large modulation range of the output.
  • 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 1 1.
  • the non-return fuse body 1 1 may be preceded by a distribution chamber, the output cross section of which is the input cross section the non-return fuse body 11 corresponds.
  • a fan 12 promotes air L and mixes it with gas G. As a gas-air mixture, this fuel reaches the pore burner 10 and burns there after a (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 fuse 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 spacing or filled volume of the pore burner 10.
  • the heater head 20 is cylindrical and is enclosed by a hollow cylindrical pore burner 10.
  • a housing part 15 is slipped over the free end face of the heater head 20, which covers the outer surface of the pore burner 10 except for the lower end face ⁇ , which serves as the inflow surface for the gas-air mixture is used and is covered by a porous, annular non-return fuse body 1 1.
  • the housing part 15 is provided with the exhaust gas outlet AG.
  • a part of the housing part 15, in particular in the area of the outer lateral surface of the pore burner 10, can be designed as a heat exchanger 30.
  • the flowing fluid can e.g. B. can be used as process water.
  • the non-return fuse body 1 1 can also be combined with an upstream distribution chamber for the gas-air mixture in this embodiment.
  • the outer surface of the pore burner 10 is used as an inflow surface for the gas-air mixture, the housing part 15 being designed in this area as a porous non-return safety body 11 and can be combined with a distribution chamber.
  • the pore burner 10 can rest against the heater head 20 or be arranged at a distance from it, without adversely affecting the compact structure of this area of the machine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine 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. Durch Verwendung eines Porenbrenners und dessen Anpassung an den Erhitzerkopf wird der Wärmeübergang mittels Konvektion und Strahlung verbessert und bei hohem Wirkungsgrad, niedrigen Schadstoffwerten über einen grossen Modulationsbereich der Leistung, dennoch ein kompakter Aufbau der Maschine erreicht.

Description

Wärme- und Kältemaschine, insbesondere Vuilleumier-Wärmepumpe oder Stir- linα-Maschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Wärme- und Kältemaschine, insbesondere Vuilleumier- Wärmepumpe oder Stirling- aschine, 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 sei- ner 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 er- folgt 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.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wärme-Kältemaschine der eingangs erwähn- ten Art in dem Wirkungsgrad des Wärmeüberganges 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 Porenbreπner aufweist, die den überwiegenden Teil der Außenseite des Porenbrenners mit Ausnahme der Ein- strömfläche für das Gas-Luft-Gemisch umschließt und daß der Wärmeübergang mittels Konvektion und Strahlung an den Erhitzerkopf erfolgt und zum anderen in äquivalenter Weise dadurch, daß der Erhitzerkopf zylinderformig ausgebildet und von einem hohlzylinderförmigen Porenbrenner umschlossen ist, dem stirn- seitig oder außen-mantelseitig das Gas-Luft-Gemisch zuführbar ist und daß der
Wärmeübergang mittels Konvektion und Strahlung an den Erhitzerkopf erfolgt.
In jedem Fall erfolgt durch den Einsatz eines Poreπbrenners ein beachtlicher Teil des Wärmeübergangs mittels Strahlung und durch die direkte Kopplung des Po- renbrenners mit dem Erhitzerkopf als Teil der Brennkammer läßt sich die Maschine kompakt aufbauen und optimal an die Raumverhältnisse anpassen. Da- rüberhinaus 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, Schadstoffaus- stoß 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 des- selben 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, Fig. 3 einen zylinderförmigen Erhitzerkopf mit einem hohlzylinderförmigen Porenbrenner, der den Erhitzerkopf umschließt und dem stirnseitig das Gas-Luft-Gemisch zugeführt wird, und
Fig. 4 einen zylinderförmigen Erhitzerkopf mit einem hohlzylinderförmigen Porenbrenner, der den Erhitzerkopf umschließt und dem außenman- telseitig das Gas-Luft-Gemisch zugeführt wird.
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 Stirliπg- aschine kann in bekannter Weise vorgenommen werden, da dies für die vorliegende Er- findung 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 zylinderformig 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 Modulations- bereich 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-Sicherungskör- per 1 1 abgedeckt ist. Dem Rückschlag-Sicherungskörper 1 1 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 Brenn- stoff in den Poreπbrenner 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 ver- sehen ist.
Der Wärmeübergang erfolgt vom Porenbrenner 10 zum Erhitzerkopf 20 mittels Konvektion und Strahlung, deren Anteil gerade bei dem Einsatz eines Poreπ- brenners 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 1 1 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.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 und 4 ist der Erhitzerkopf 20 zylinderformig und wird von einem hohlzylinderförmigen Porenbrenner 10 umschlossen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird ein Gehäuseteil 15 über die freie Stirnseite des Erhitzerkopfes 20 aufgestülpt, das die Außenmantelfläche des Porenbrenners 10 bis auf die untere Stirnseite abdeckt} die als Einströmfläche für das Gas-Luft-Gemisch ausgenützt wird und mittels eines porösen, ringförmigen Rückschlag-Sicherungskörpers 1 1 abgedeckt ist. Das Gehäuseteil 15 ist mit dem Abgas-Auslaß AG versehen. Ein Teil des Gehäuseteils 15, insbesondere im Bereich der Außenmantelfläche des Porenbrenners 10 kann als Wärmetauscher 30 ausgebildet sein. Die durchfließende Flüssigkeit kann z. B. als Brauchwasser verwendet werden. Der Rückschlag-Sicherungskörper 1 1 kann auch bei dieser Ausgestaltung mit einer vorgeordneten Verteilerkammer für das Gas-Luft-Gemisch kombiniert werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird die Außenmantelfläche des Porenbrenners 10 als Einströmfläche für das Gas-Luft-Gemisch verwendet, wobei das Gehäuseteil 15 in diesem Bereich als poröser Rückschlag-Sicherungskörper 1 1 ausgelegt ist und mit einer Verteilerkammer kombiniert sein kann.
Auch bei diesen Ausführungsbeispieien nach den Fig. 3 und 4 kann der Porenbrenner 10 am Erhitzerkopf 20 anliegen oder im Abstand zu diesem angeordnet sein, ohne den kompakten Aufbau dieses Bereiches der Maschine nachteilig zu beein-flussen.

Claims

Ansprüche
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, 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) zylinderformig ausgebildet und von einem hohl- zylinderförmigen Porenbrenner (10) umschlossen ist, dem stirnseitig oder außen-mantelseitig das Gas-Luft-Gemisch zuführbar ist und daß der Wärmeübergang mitteis Konvektion und Strahlung an den Erhitzerkopf (20) erfolgt.
3. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Porenbrenner (10) im Abstand zum Erhitzerkopf (20) angeordnet ist oder an diesem großflächig anliegt.
4. Wärme- und Kältemachine nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Porenbrenner (10) die konkave Aufnahme (21 ) im Erhitzerkopf (20) vollständig ausfüllt.
5. Wärme- und Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas-Luft-Gemisch über einen porösen Rückschlag- Sicherungskörper (1 1 ) dem Porenbrenner (10) zuführbar ist, der die Einströmfläche desselben überdeckt.
6. Wärme- und Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rückschiag-Sicherungskörper (11 ) eine Verteilerkammer vorgeordnet ist, deren Ausgangsquerschnitt dem Eingangsquerschnitt des Rückschlag-Sicherungskörpers (1 1 ) entspricht.
7. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer im Bereich der Einströmfläche des Porenkörpers
(10) und des Rückschlag-Sicheruπgskörpers (1 1 ) mittels eines Gehäuses (15) mit Abgas-Auslaß (AG) abgedeckt ist.
8. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Porenbrenner (10) mittels eines Gehäuseteils (15) mit Abgas-Auslaß (AG) abgedeckt ist, das im Bereich der Einströmfläche des Porenbrenners (10) als Rückschlag-Sicherungskörper (11 ) ausgebildet ist.
9. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Gehäuseteils (15) als Wärmetauscher (30) für eine durchfließende Flüssigkeit ausgebildet ist.
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