DE2114625B2

DE2114625B2 - HOT GAS ENGINE

Info

Publication number: DE2114625B2
Application number: DE19712114625
Authority: DE
Inventors: Gregorius Theodorus Maria Eindhoven Neelen (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-04-21
Filing date: 1971-03-26
Publication date: 1976-01-15
Also published as: DK134723B; US3760592A; NO125643B; JPS5148205B1; FR2089919A5; DK134723C; NL7005791A; DE2114625A1; BE765968A; SE361336B; GB1346927A; CH532190A; NL148377B; CA937408A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heißgasmotor mit mindestens einem Kompressionsraum mit veränderlichem Volumen und mit niedrigerer mittlerer Temperatur und mindestens einem damit verbundenen Expansionsraum mit ebenfalls veränderlichem Volumen und mit höherer mittlerer Temperatur, wobei sich in der Verbindung zwischen den genannten Räumen ein Kühler, ein Regenerator und ein Erhitzer befinden, wobei der Erhitzer durch eine Anzahl in einer Zylinderform um einen Raum für Verbrennungsgase angeordneter und sich im wesentlichen parallel zur Zylinderachse erstreckender Rohre gebildet ist mit jeweils abwechselnd ersten und zweiten Rohren, wobei sich die ersten Rohre mit der einen Seite an den Regenerator anschließen und mit der anderen Seite mit den zweiten Rohren in offener Verbindung stehen, wobei die letzteren sich über einwärts gebogene Enden an den Expansionsraum anschließen.The invention relates to a hot gas engine with at least one compression chamber with variable Volume and with a lower mean temperature and at least one associated expansion space with a likewise variable volume and with a higher mean temperature, whereby in the connection between said spaces is a cooler, a regenerator and a heater, wherein the heater by a number arranged in a cylindrical shape around a space for combustion gases and is formed with tubes extending substantially parallel to the cylinder axis, in each case alternating first and second tubes, one side of which is connected to the regenerator and on the other side are in open communication with the second pipes, the latter connect to the expansion space via inwardly bent ends.

Ein derartiger Heißgasmotor ist beispielsweise aus der britischen Patentschrift 10 53 052 bekannt.Such a hot gas engine is known from British patent 10 53 052, for example.

Die Verbrennungsgase strömen dabei an den Erhitzerröhren entlang, indem sie an diese Rohre Warme abgeben. Bei demjenigen Teil des Erhitzers, der durch die sich parallel zueinander erstreckenden Teile der ersten und zweiten Rohre gebildet wird strömen die Ver-The combustion gases flow along the heater tubes by applying heat to these tubes hand over. For that part of the heater that goes through the parallel to each other extending parts of the first and second tubes is formed, the flow

s brennungsgase durch die engen Durchgange zwischens combustion gases through the narrow passages between

desen Rohren, so daß eine gute Wärmeübertragung gewährleistet ist An der Stelle, wo die zweiten Rohre dnwärts abbiegen, sind infolge dieser Abbiegung zwischen den ersten und den zweiten Rohren ziemlich gro-desen tubes so that good heat transfer is guaranteed at the point where the second pipes Turning thinly, as a result of this turn, are between the first and second tubes quite large

ßrDurchgänge vorhandenem Teil der he.ßen Verbrennungsgase strömt durch diese Durchgange, ohne daß sie an die die großen Durchgänge bildenden Teile der ersten und zweiten Rohre Warme abgeben. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,Part of the hot combustion gases present in the passages flows through these passages without touching the parts forming the large passages the first and second tubes give off heat. The present invention is based on the object

einen Heißgasmotor zu schaffen, bei dem die Oberflä-to create a hot gas engine in which the surface

ehe der Erhitzerrohre, die auf wirksame Weise zurbefore the heater tubes, which are used in an effective manner

Wärmeübertragung beiträgt, wesentlich vergrößert ist.Heat transfer contributes, is significantly enlarged.

Dazu weist der erfindungsgemäße Heißgasmotor dasFor this purpose, the hot gas engine according to the invention has

Kennzeichen auf. daß an der Stelle wo die zweitenLicense plate on. that at the point where the second

Rohre aus dem Zylinder einwärts abbiegen, zwischen den abbiegenden Rohrteilen und den betreffenden Teilen der geradeausgehenden ersten Rohre ein sich quer zur Zylinderachse erstreckendes ringförmiges Element angeordnet ist. das mit einer Anzahl AusnehmungenBend tubes inward from cylinder, between the turning pipe parts and the relevant parts of the straight first pipes a cross to the cylinder axis extending annular element is arranged. that with a number of recesses

versehen ist. welche die genannten Teile der ersten und zweiten Rohre wenigstens teilweise mit Spielraum umgeben so daß zwischen den Ausnehmungswänden und den betreffenden Rohrteilen spaltförmige Strömungskanäle für Verbrennungsgase vorhanden sind. is provided. which the named parts of the first and second tubes at least partially surrounded with clearance so that between the recess walls and the pipe parts in question there are gap-shaped flow channels for combustion gases.

to Durch die Anordnung des ringförmigen Elementes werden die Verbrennungsgase gezwungen, durch die spaltförmigen Kanäle, die zwischen diesem Element und den Teilen der ersten und zweiten Rohre gebildet werden zu strömen. Dies gewährleistet eine gute Wär-Due to the arrangement of the ring-shaped element, the combustion gases are forced through the gap-shaped channels formed between this element and the parts of the first and second tubes are going to flock. This ensures good warmth

meübertragung zwischen den Verbrennungsgasen und diesen Rohrteilen, so daß nun die ganze Rohrlänge des Erhitzers benutzt wird.me transfer between the combustion gases and these pipe parts, so that now the entire length of the pipe Heater is used.

Im Betrieb des Heißgasmotors nimmt der Erhitzer eine Temperatur an, die 700⁰C überschreiten kann. DasIn operation of the Stirling engine, the heater assumes a temperature which can exceed 700 ⁰ C. That

ringförmige Element ist dann einer großen thermischen Ausdehnung und, je nach der Befestigungsart, thermischen Spannungen ausgesetzt. Dies kann zu Schwierigkeiten wie Rißbildung im ringförmigen Element, Undichtigkeit der Erhitzerrohre u. dgl. führen. Um dies zuannular element is then of great thermal expansion and, depending on the type of fastening, thermal Exposed to tension. This can lead to difficulties such as cracking in the annular element, leakage the heater pipes and the like. To do this too

vermeiden ist bei einer weiteren günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heißgasmotors das ringförmige Element in eine Anzahl einzelner Segmente aufgeteilt. Jedes Segment wird nun bei den hohen Erhitzertemperaturen eine kleine absolute AusdehnungThis is to be avoided in a further advantageous embodiment of the hot gas engine according to the invention annular element divided into a number of individual segments. Each segment is now at the high Heater temperatures a small absolute expansion

aufweisen, die weder großen thermischen Spannungen an der Stelle, wo dieses Segment befestigt ist, herbeiführen wird, noch auf die anderen Segmente einen Einfluß hat, die ja nicht mit diesem Segment verbundenhave that neither cause large thermal stresses at the point where this segment is attached has an influence on the other segments, which are not connected to this segment

sind. .are. .

Die Segmente können beispielsweise an den erster oder zweiten Rohren befestigt werden.For example, the segments can be attached to the first or second tubes.

Bei einem aus »Motortechnische Zeitschrift (MTZ)* 29, Nr. 7, Juli 1968, S. 288, F i g. 13, bekannten Heißgasmotor ist um jedes der sich an den Regenerator anIn one from »Motortechnische Zeitschrift (MTZ) * 29, No. 7, July 1968, p. 288, F i g. 13, well-known hot gas engine is about everyone who cares about the regenerator

schließenden Enden der ersten Rohre eine mit Flosser versehene Büchse aus wärmeleitendem Material an geordnet, damit eine gute Wärmeübertragung zwi sehen diesen Rohrenden und den entlangströmender Verbrennungsgasen gewährleistet wird. Bej einer weiclosing ends of the first tubes are fitted with a sleeve made of thermally conductive material and provided with a flosser ordered so that a good heat transfer between see these pipe ends and the flowing along Combustion gases is guaranteed. Bej one knows

teren günstigen Ausführungsform des erfindungsgemä Ben Heißgasmotors bilden die Segmente mit den Buch sen ein Ganzes und sie sind aus demselben Materia hergestellt.more favorable embodiment of the invention In the case of a hot gas engine, the segments with the bushings form a whole and they are made of the same material manufactured.

Dies bietet den Vorteil, daß Büchse und Segment gleichzeitig und zusammen in nur einem Herstellungsprozeß, beispielsweise durch ein Gießverfahren hergestellt werden können und daß die Montage in nur einer Handlung erfolgen kann, was in wirtschaftlicher Hinsicht äußerst interessant ist. Zugleich steigt durch die thermische Verbindung zwischen dem Ringsegment und der Büchse im Betrieb des Motors die Temperatur dieses Ringsegments nicht zu stark, was die Gefahr vor Korrosion verringertThis offers the advantage that the sleeve and segment are produced simultaneously and together in just one production process, for example by a casting process can be and that the assembly can be done in just one action, which in economic terms is extremely interesting. At the same time, the thermal connection between the ring segment increases and the liner when the engine is running, the temperature of this ring segment is not too high, which is a hazard Reduced corrosion

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the drawings and will be described in more detail below described.

In F i g. la ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zylinder angedeutet, in dem ein Kolben 2 und Verdränger 3 phasenverschoben bewegbar sind. Der Kolben 2 und der Verdränger 3 sind mittels einer Kolbenstange 4 bzw. einer Verdrängerstange 5 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden. Zwischen dem Kolben 2 und dem Verdränger 3 befindet sich ein Kompressionsraum 6, der über einen Kühler 7, einen Regenerator 8 und einen Erhitzer 9 mit einem Expansionsraum 10 über dem Verdränger verbunden ist Der Erhitzer 9 ist durch einen Kranz von Rohren gebildet, die um einen Raum 11 für Verbrennungsgase angeordnet sind. Weiter sind eine Brennervorrichtung 12 mit einem Brenner 13 und einer Zufuhr 14 für Verbrennungsluft sowie einer Abfuhr 15 für Verbrennungsgase vorhanden.In Fig. 1a, the reference numeral 1 indicates a cylinder in which a piston 2 and displacer 3 are out of phase are movable. The piston 2 and the displacer 3 are by means of a piston rod 4 and a displacement rod 5 connected to a transmission, not shown. Between the piston 2 and the Displacer 3 is a compression chamber 6, which has a cooler 7, a regenerator 8 and a The heater 9 is connected to an expansion space 10 above the displacer. The heater 9 is through a ring of tubes is formed, which are arranged around a space 11 for combustion gases. Are further a burner device 12 with a burner 13 and a supply 14 for combustion air and an outlet 15 available for combustion gases.

Der Erhitzer 9 besteht aus einer Anzahl erster Rohre 16, die sich einerseits an den Regenerator 8 anschließen und andererseits in einen Ringkanal 17 münden, und einer Anzahl jeweils abwechselnd zwischen den ersten Rohren 16 angeordneter zweiter Rohre 18, die den Ringkanal 17 mit dem Expansionsraum 10 verbinden. Der Deutlichkeit halber sind nur zwei Sätze erster und zweiter Rohre dargestellt. Im Betrieb des Heißgasmotors strömen die von der Brennervorrichtung 12 herrührenden heißen Verbrennungsgase an den ersten Rohren 16 und den zweiten Rohren 18 entlang und zwar unter Abgabe von Wärme und verlassen den Motor durch die Abfuhr 15. Zwischen den sich vertikal nebeneinander erstreckenden Teilen der ersten Rohre 16 und zweiten Rohre 18 sind enge Durchgänge vorhanden, so daß dort eine gute Wärmeübertragung zwischen den entlangströmenden Verbrenr.ungsgasen und den genannteii Rohrteilen gewährleistet istThe heater 9 consists of a number of first tubes 16, which on the one hand connect to the regenerator 8 and on the other hand open into an annular channel 17, and a number alternating between the first Tubes 16 of arranged second tubes 18, which connect the annular channel 17 to the expansion space 10. For the sake of clarity, only two sets of first and second tubes are shown. During operation of the hot gas engine the hot combustion gases originating from the burner device 12 flow to the first Pipes 16 and the second pipes 18 along with the release of heat and leave the engine through the discharge 15. Between the vertically adjacent parts of the first tubes 16 and second tubes 18 are narrow passages, so that there is a good heat transfer between the combustion gases flowing along and the pipe parts mentioned are guaranteed

An der Stelle, wo die zweiten Rohre 18 einwärts abbiegen, sind wegen dieser Abbiegung verhältnismäßig große Durchgänge zwischen den sich einwärts erstrekkenden unteren Teilen der zweiten Rohre 18 und den geradeausgehenden unteren Teilen der ersten Rohre 16 vorhanden. Damit auch hier eine gute Wärmeübertragung zwischen den Verbrennungsgasen und den genannten unteren Rohrteilen erhalten wird, ist ein Ring 20 angeordnet, der sich quer zu den sich vertikal erstreckenden ersten Rohren 16 erstreckt und der mit Ausnehmungen versehen ist, welche die unteren Teile der ersten Rohre 16 und zweiten Rohre 18 teilweise und mit Spielraum derart umgeben, daß zwischen den Wänden dieser Ausnehmungen und den genannten Rohrteilen spaltförmige Strömungskanäle für Verbrennungsgase vorhanden sind. Die aus dem Raum U herrührenden Verbrennungsgase werden nun gezwungen, durch die spaltförmigen Strömungskanäle zu strömen, wodurch auch bei den unteren Teilen der Rohre 16 und 18 eine gute Wärmeübertragung zwischen Verbrennungsgasen und diesen Rohrteilen gewährleistet ist. Dies ist deutlich in Fig. Ib dargestellt, welche ein erstes Rohr 16 und ein zweites Rohr 18 zusammen mit einem Teil des Rings 20 darstelltAt the point where the second tubes 18 bend inward, because of this bend, they are proportionate large passages between the inwardly extending lower portions of the second tubes 18 and the straight lower parts of the first tubes 16 are present. This also means that there is good heat transfer here is obtained between the combustion gases and said lower pipe parts is a ring 20 arranged, which extends transversely to the vertically extending first tubes 16 and which with Recesses are provided, which the lower parts of the first tubes 16 and second tubes 18 partially and surrounded with clearance in such a way that between the walls of these recesses and said Pipe parts of gap-shaped flow channels for combustion gases are available. The ones originating from the U room Combustion gases are now forced to flow through the gap-shaped flow channels, whereby a good heat transfer between combustion gases also in the lower parts of the tubes 16 and 18 and these pipe parts is guaranteed. This is clearly shown in Fig. Ib, which is a first Tube 16 and a second tube 18 together with part of the ring 20 is shown

Der Ring 20 kann beispielsweise durch ein Gießverfahren hergestellt oder aus Blechmaterial gestanzt werden und nach dem Stanzen mit Ausnehmungen versehen sein.The ring 20 can be produced, for example, by a casting process or stamped from sheet metal material and be provided with recesses after punching.

Da im Betrieb des Heißgasmotors der Erhitzer 9 eine Temperatur von 700⁰C oder höher annimmt, wird der Ring 20 einer bedeutenden thermischen Ausdehnung ausgesetzt 1st der Ring an den Rohren 16 und/oder 18 befestigt, so können wegen dieser Ausdehnung Materialspannungen auftreten namentlich an der Stelle der Befestigung mit der möglicher. Folge von Rißbildung am Ring 20 und, was schlimmer ist, Undichtigkeit der Erhitzerrohre 16 und 18, wodurch Arbeitsmedium aus dem Motor entweicht Um dies zu vermeiden kann der Ring in eine Anzahl unabhängiger Segmente 20' aufgeteilt werden, die dann je eine verhältnismäßig kleine absolute Ausdehnung aufweisen und daher kaum Materialspannung verursachen werden. Ein derartiges Ringsegment kann ausgebildet sein, wie dies in F i g. 1 b dargestellt ist ^{Since the heater 9 assumes a temperature of 700 °} C. or higher when the hot gas engine is in operation, the ring 20 is exposed to significant thermal expansion Place of attachment with the possible. Result of cracking on the ring 20 and, what is worse, leakage of the heater tubes 16 and 18, whereby working medium escapes from the engine. To avoid this, the ring can be divided into a number of independent segments 20 ', each of which has a relatively small absolute expansion and will therefore hardly cause any material stress. Such a ring segment can be designed as shown in FIG. 1 b is shown

In Fig.2a ist ein Heißgasmotor dargestellt, der in großen Zügen dem nach F i g. la entspricht und wobei daher für entsprechende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet wurden.In Fig.2a a hot gas engine is shown, which is shown in broad features according to FIG. la corresponds and where therefore the same reference numerals for corresponding parts were used.

Bei dem betreffenden Heißgasmotor ist um jedes der sich an der Regenerator 8 anschließenden Enden der ersten Rohre 16 eine mit Flossen versehene Büchse 21 aus wärmeleitendem Material angeordnet. Die Verbrennungsgase strömen zunächst an den oberen Teilen der ersten Rohre 16 bzw. an den zweiten Rohren 18 entlang und danach an den unteren Teilen der Rohre 16, wodurch ein guter Wärmeaustausch durch die Büchsen 21 gewährleistet ist An der Stelle, wo die zweiten Rohre 18 einwärts abbiegen, sind zwischen den abbiegenden Rohrteilen und den betreffenden geradeausgehenden Teilen der ersten Rohre 16 Ringsegmente 20' angeordnet, die mit den Büchsen 21 ein Ganzes bilden und aus demselben Material hergestellt sind. Die F i g. 2b und 2c zeigen Ausführungsformen eines derartigen Büchsenringsegmentgefüges. Durch die Ausnehmungen in den Ringsegmenten 20', welche die betreffenden Rohrteile wieder teilweise und mit Spielraum umgeben, werden die Verbrennungsgase wieder gezwungen, durch die spaltförmigen Kanäle zwischen den Wänden dieser Ausnehmungen und den betreffenden Rohrteilen hindurchzuströmen und es ist auch für diese Rohrteile ein guter Kontakt mit den Verbrennungjgasen und damit eine große Wärmeübertragung gewährleistet In the case of the hot gas engine in question, around each of the ends adjoining the regenerator 8 is the first tubes 16 a liner 21 provided with fins made of thermally conductive material is arranged. The combustion gases initially flow at the upper parts of the first tubes 16 or at the second tubes 18 along and then on the lower parts of the tubes 16, whereby a good heat exchange through the Bushings 21 is guaranteed At the point where the second tubes 18 turn inward, are between the bending pipe parts and the relevant straight parts of the first pipes 16 ring segments 20 'arranged, which form a whole with the sleeves 21 and are made of the same material. the F i g. 2b and 2c show embodiments of such a liner ring segment structure. Through the recesses in the ring segments 20 ', which the pipe parts in question again partially and with clearance surrounded, the combustion gases are forced back through the gap-shaped channels between the Walls of these recesses and the relevant pipe parts to flow through and it is also for this Pipe parts ensure good contact with the combustion gases and thus a large amount of heat transfer

Dadurch, daß die Büchsen 21 und die Ringsegmente 20' als ein Ganzes aus demselben Material ausgebildet sind, wird einerseits der Vorteil einer verhältnismäßig billigen Herstellung erhalten, weil das Gefüge in einem Vorgang, beispielsweise gegossen werden kann, andererseits ist die Montage des Gefüges statt der beiden einzelnen Komponenten zeitersparend. Dadurch, daß weiter die Ringsegmente mit den Büchsen thermisch verbunden sind, steigt im Betrieb des Motors die Temperatur dieser Segmente nicht zu stark und besteht weniger Gefahr, das sie korrodieren.In that the bushes 21 and the ring segments 20 'are formed as a whole from the same material are, on the one hand, the advantage of a relatively cheap production is obtained because the structure in one Process, for example, can be poured, on the other hand is the assembly of the structure instead of the two time-saving individual components. In that the ring segments continue with the sleeves thermally are connected, the temperature of these segments does not rise too much during the operation of the engine and exists less Danger they will corrode.

Aus dem Oberstehenden dürfte es einleuchten, daß die Erfindung einen Heißgasmotor schafft, bei dem auf wirtschaftliche Weise die ganze verfügbare Oberfläche der Erhitzerrohre bei der Wärmeübertragung zwischen den Verbrennungsgasen und dem Erhitzer des Motors verwendet wird.From the above it should be evident that the invention provides a hot gas engine in which on economical way the whole available surface of the heater tubes in the heat transfer between the combustion gases and the engine's heater.

Hierzu 5 Blatt ZeichnungenIn addition 5 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Hot gas engine with at least one compression chamber with variable volume and with lower mean temperature and at least one associated expansion space with also variable volume and higher mean temperature, being in the compound a cooler, a regenerator and a heater are located between the said spaces, the Heater by a number arranged in a cylindrical shape around a space for combustion gases and is formed substantially parallel to the cylinder axis extending tubes, each with alternating first and second tubes, one side of the first tube being connected to the regenerator connect and have an open connection on the other side with the second pipes, the latter connecting to the expansion space via inwardly curved ends, d a through characterized in that at the point where the second tubes (18) from the cylinder inward turn, between the turning pipe parts and the relevant parts of the straight ahead first tubes (16) an annular element (20) extending transversely to the cylinder axis is provided with a number of recesses that the said parts of the first and second tubes (16 or 18) at least partially surrounded with clearance so that between the recess walls and gap-shaped flow channels for combustion gases are present in the pipe parts concerned.

2. Hot gas engine according to claim 1, characterized in that that the annular element is divided into a number of separate segments (20 ').

3. hot gas engine according to claim 2, wherein each of the subsequent to the regenerator At the ends of the first tubes a finned sleeve made of thermally conductive material is arranged is, characterized in that the segments (20 ') with the sleeves (21) form and from a whole are made of the same material.